果园虫害监测系统硬件电路设计与实现

2023-09-19汪小威肖超江陈振燊

农业技术与装备 2023年7期

汪小威，肖超江，陈振燊

（南宁学院，广西壮族自治区南宁 530200）

随着信息技术的高速发展，图像识别技术在各个行业得到广泛应用。以其在果园生产中的应用为例，当前国内果园生产中虫害监测主要采用红外计数方法，通过害虫诱捕灯或诱饵诱捕害虫，并记录害虫的个数，这种害虫监控的方法精细化程度不够，对后期决策提供的信息量不足，易造成决策错误。因此，果农希望能采用更有效的方法对果园内害虫信息进行采集，并实施诱捕，同时对果园内的空气、土壤等环境参数进行监测，保证果树生长环境良好，推动农业向智能化方向发展。

欧美等发达国家，在农业信息化建设方面一直都非常重视，其科研水平高，科研设备先进，很多科研人员都对病虫害防护进行了相关的研究，在虫害防护方面优于国内水平，不仅能够实现对农作物的环境元素进行监测，例如土壤、空气、光照等，同时能对病虫害等信息进行识别，监控和预测，为农作物的生长环境提供优良的保障。但国外害虫监控识别多为本地化的底端解析系统，系统运营成本较高。

我国的农业信息化建设相比于发达国家较落后。在我国，对农业病害防治的研究还不够重视，科研人员一般在小麦和玉米、水稻作物的研究较多，果园、蔬菜方面的病虫害研究缺乏经验，研究成果比较单一，研究的成果也较少用于实际防治工作中。

基于此，设计了一套基于STM32 的虫害监测系统，该系统以STM32为主控，包括空气温湿度、光照度、土壤pH 值、虫害监测、光诱捕、云平台等模块，经系统集成测试，实现了温湿度采集、土壤pH 值检测、光照度检测、害虫识别拍照、数据上传云平台等功能，具有实时性强、数据检测准确等特点，市场前景广阔。现将该系统设计介绍如下。

1 总体功能设计

基于STM32的虫害监测系统包括空气温湿度采集、光照度采集、土壤综合采集、光诱捕、虫害监测、云平台等模块。通过上述模块的实时运行，为果园提供外部环境的温度、湿度、光照度、土壤温度、土壤湿度、土壤pH 的实时监测，同时识别环境中的害虫、统计和诱捕。系统总体框架见图1。

图1 系统总体框架图Fig.1 Overall frame diagram of the system

2 核心模块电路设计

硬件模块包含了云平台模块（GM190 模块）、虫害监测模块（k210）、空气温湿度采集模块（AHT10 模块）、光照度采集模块（BH1750 模块）、土壤综合采集模块（土壤环境值模块）和光诱捕模块（诱虫灯），模块间通过可拆式接口连接。

2.1 空气温湿度采集模块电路设计

空气温湿度采集模块为aht10 温湿度传感器，采用i2c协议通信。如下图2 所示，模块的SDA 引脚和SCL 引脚，分别与STM32 的I2C2_SDA（PA7）、I2C2_SCL（PA6）相连接。STM32 通过PA6、PA7 引脚输出或读取特定的电平，实现i2c时序读取温湿度值；在完全读取完后，停止通讯。所得到的值通过提取，便可得到空气温湿度的值。该模块电路设计见图2。

图2 空气温湿度采集模块接口电路Fig.2 Air temperature and humidity acquisition module interface circuit

2.2 土壤综合采集模块电路设计

土壤综合采集模块由土壤传感器和rs485 转TTL 电路组成。土壤传感器使用RS485 的A、B 差分传输数据，分别连接到RS485--＞TTL 电路上的A、B 接口，TTL 端连接单片机串口，即TTL_TX 接DEBUG_RX（PA10），TTL_RX 接DEBUG_TX（PA9）。如下图3 所示，DEBUG_RX 和DEBUG_TX 的引脚对应为STM32 片上外设串口1，可通过串口协议与土壤综合采集模块通讯。STM32 使用串口1 DEBUG_TX 脚将数据送给土壤综合采集模块，模块接收到确认命令后返回湿度数据，并通过DEBUG_RX 传给STM32，STM32解码后就可以获取到当前的土壤湿度数据。

图3 土壤综合采集模块接口电路Fig.3 Soil comprehensive collection module interface circuit

2.3 光诱捕模块电路设计

光诱捕模块硬件由2 部分组成：诱捕电路和控制电路。诱捕电路见图4，电路由stc8G1k08a芯片及其外围电路构成，其中WS2812_IO（P3.2）连接ws2812诱虫灯的DI，用电平模拟ws2812 时序输入灯的颜色数据；而IN_IO（P5.4）接STM32 的WS2812_DAT（PB8），当IN_IO 口读到高电平时，WS2812_IO驱动灯亮，当INO_IO 口读到低电平时，WS2812_IO 驱动灯灭。诱捕灯电路通过xh2.54接插件与STM32连接。

图4 诱虫灯电路原理图Fig.4 Schematic diagram of worm lamp circuit

2.4 虫害监测模块电路设计

虫害监测模块通过SCCB方式控制ov摄像头对区域内环境进行监控，拍摄的图像帧经过k210 的处理，识别并统计害虫的数据，并通过串口发送到STM32单片机上。

Ov5640 的DVP_D0-DVPD7 引脚是图像帧数据引脚，分别与k210芯片的M12、M11、M10、M9、M8、M7、M6、M5引脚相连接。DVP_SCL 为SCCB 通信协议提供时钟信号，DVP_SDA为SCCB通信协议提供数据信号。

监测模块与STM32 单片机通过串口进行数据的交换。K210 芯片的引脚IO_23、IO_22 复用为串口发送、接收功能，与STM32 片上外设的串口6 K210_RX（PA12）、K210_TX（PA11）连接，STM32 使用K210_TX 发送数据到监控模块，而监控模块使用IO_23 口发送数据到STM32。监测模块与STM32连接原理图见图5。

图5 虫害监测模块通讯连接原理图Fig.5 Schematic diagram of communication connection of pest monitoring module

2.5 云平台模块电路设计

云平台模块使用GM190，STM32 通过串口2和普通IO口对该模块进行通讯和控制。GM190模块与STM32通讯需要4根连接线，GM190的使用接口为RESET、POWER、RXD、TXD，分别对应到STM32 上的（GM190_RESE）PB5、（GM190_POWER）PB4、（GM190_RX）PA3、（GM190_TX）PA2 口。GM190 和STM32连接原理图见图6。