农田环境及入侵监测物联网系统研究

2023-02-08杜宝强张金尧

物联网技术 2023年1期

杜宝强，张金尧

（1.中国电子技术标准化研究院，北京 100000；2.安徽理工大学，安徽淮南 232001）

0 引言

中国是农业大国，自古以来便有“民以食为天”的说法，现如今粮食安全更是社会稳定和经济发展的保障。然而随着中国经济的高速发展，出现了耕地减少、农业人口下降等诸多问题；且传统农业效率低，产出量少，无法满足当前需要。将物联网技术应用到农业生产中，可实现农业生产现代化、降低生产成本、提高产量的目的。

物联网技术在农业领域的应用已成为现代农业的重要组成部分。在国内，对农业物联网的研究与应用一直与国际上的先进水平齐头并进。在1996年，国家相关部门进行联合工作，组织并实施了“工厂化高效农业示范工程”，提倡将传感器和无线网络技术等先进技术广泛应用到我国农业生产活动中；同时，将它制定为国家级的重点开发项目。北京市科委启动了“蔬菜生产智能网络传感器体系研究与应用”的相关项目，在对蔬菜进行温室生产种植时，将传感器部署到温室内，用以监测相关数据。上海交大与中科院南京土壤研究所合作，提出了农田熵情监测系统框架[1]。数十年来，我国农业物联网领域发展迅速，提交了多项标准提案，已被国际标准化组织采纳，成为了标准制定的主导国家之一。

农业物联网作为一种现代高新技术，能够解决传统农业面临的问题，极大推动我国农业领域科技水平的发展，使我国农业由传统粗放型转变为精细化现代农业，农业生产中应用物联网技术已是大势所趋。

1 系统总体设计

系统总体设计如图1所示。利用JY901S加速度传感器、DHT11温湿度传感器、GPS定位模块和OV2640摄像头等模块，对农田状态进行24 h实时监测，在一定程度上实现农田信息的自动采集。但是，由于农田的范围较大且环境复杂，需要多个传感器共同作用，从而扩大系统的监测范围，提高系统的实用性[2]。4G模块收集到传感器采集的数据后，将其以MQTT协议的方式无线远程传输到云服务平台[3]，由服务器的客户端软件显示数据变化曲线，并设定固定时间周期进行一次数据上报，从而保证传输信息的可靠性。客户端软件对数据进行分析存储，将采集到的信号数据存储到建立的文件夹，便于用户查看实时数据及历史数据。同时用户可以通过客户端软件下发命令来控制摄像头模块，查看农田内的环境信息。

图1 系统总体架构

2 系统硬件设计

本系统由电源模块、JY901S加速度传感器模块、单片机模块、4G无线传输模块、OV2640摄像头模块、GPS定位模块和DHT11温湿度传感器模块等模块组成。

2.1 电源模块

外部的输入电压在5～36 V之间，转换成需要的12 V，然后经由LM2596S降压芯片降到5 V。电路如图2所示。

图2 12 V电压转换成5 V的内部电压电路

电源模块分别为STM32模块和4G传输模块供电。将5 V的电压经MIC29302WU降压芯片变换到3.6 V为4G模块供电；输出端的电压可以根据实际需要，调整R4或者R5的电阻大小，进而调整输出电压的大小，如图3所示。

图3 4G模块供电电路

通过AMS1117降压芯片将5 V的输入电压降到3.3 V，为STM32模块供电，如图4所示。

图4 STM32模块供电电路

2.2 JY901S加速度传感器模块

通过单片机处理模块发出的相关信号，控制加速度传感器，然后加速度传感器依据其内部控制寄存器相对应的值，完成对周围环境的震动信号的采集。其中，信号的带宽、采集的速度、通信的方式、数据输出的格式等都由内部控制寄存器来决定。

2.3 单片机模块

系统采用STM32F407ZGT6单片机为主控芯片。单片机模块是整个系统的核心模块，用来整合、传输和控制相关数据；同时，它也控制4G模块，将采集到的数据传输到云平台或服务器。

2.4 4G无线传输模块

由于农田范围较大，采用4G无线传输方式，有利于数据的传输，且功耗较低、工作时间更长。4G模块使用移远公司生产的EC20芯片，以实现系统低功耗、高速率运行。同时，采用的4G模块可以与中国移动的OneNET云平台进行连接，方便用户查看实时数据[4]。

2.5 OV2640摄像头模块

OV2640摄像头模块可以与单片机通过串口相连接。用户可通过客户端软件下达抓拍指令，激活摄像头模块，对发生入侵的区域及时进行抓拍，同时将拍摄的照片存储到文件夹，供用户查看。

2.6 GPS定位模块

当检测到震动信号时，系统中的GPS模块能够及时定位到具体位置，用户可以赶往相应的区域驱赶入侵动物。

2.7 DHT11温湿度传感器模块

通过DHT11温湿度传感器模块采集农田的温湿度信息，同时将采集到的数据通过4G模块传输到云平台[5]。

3 系统软件设计

系统软件设计主要是为了对加速度传感器采集到的农田环境震动数据和DHT11温湿度传感器采集到的温湿度数据进行处理，通过数据变化，及时判断周围环境的变化，进而对农田区域是否有动物闯入做出准确判别。

3.1 JY901S测量系统数据处理

由于农田为室外环境，在采集加速度信号的过程中，会受到周围环境的影响或传感器本身固有频率等因素不可避免地会造成一定的噪声。为了降低多种干扰噪声对系统的影响，本设计采用卡尔曼滤波方法对震动信号进行降噪。经过滤波信号，可得到较为准确的加速度和角度变化信号，即系统模块测量数据处理的最终结果[6]。

震动测量数据处理软件总共分为3个模块：数据预处理模块、加速度计算模块和角度计算模块。震动测量数据处理软件读取传感器检测到的数据，然后进行相应的数值加工和处理，得出传感器测量到的加速度和角度变化信息。其框架如图5所示。

图5 震动测量数据处理软件系统框架

在震动测量数据处理软件进行初始化之后，随即开始读取JY901S传感器采集到的原始数据，并对相应的数据文件进行备份，防止被后续采集到的数据覆盖；然后软件对所读取的数据进行滤波等预处理；再通过加速度计算部分利用原始数据计算出模块的三个轴方向的加速度；最后通过角度计算部分计算出模块三个轴方向的角度变化。本文数据处理软件的流程如图6所示。

图6 震动测量数据处理软件系统流程

3.2 云平台搭建

云平台在该监测系统中完成用户终端与网关设备交互数据信息的任务，能够接收无线传输模块收集到的农田环境温湿度数据，并将这些目标温湿度数据保存在云服务器的数据库里，同时将数据传输到移动用户端[7]；提供了基于HTTP协议的通信接口，用户可以通过该接口向云服务器发送相应的控制指令，或查询云服务器上数据库中所存储的温湿度数据，并将Web端发送的指令反馈给设备，最终达到控制系统的目的[8]。

4 系统调试

将系统布置在正常的室内环境下，人为制造一定的干扰噪声信号和一定幅度的震动，对相关加速度以及角度变化信号进行采集，然后对一定强度范围的震动信号进行提取。实验中，需要采集多组数据，从而提取出相关的特征值；然后完成对神经网络的训练，并模拟不同幅度的震动，测试系统的有效性以及系统识别大幅度震动的可靠性[9-10]。