0、 引言
農業是任何一個國家都非常重視的產業,作為人口大國的中國,農業關乎民生,影響著經濟發展。傳統農業的發展模式導致資源短缺、環境惡化,因而推動農業的信息化發展、實現精準農業已經迫在眉睫。近年來,物聯網成為新一代的信息技術,它通過智能感知、識別技術與廣泛應用的互聯網相結合,形成物與物的相連,實現信息化、遠程管理控制和智能化的網絡。
由于許多農田分布在高原、山地這種地形偏遠陡峭的地區,傳統的有線監測系統布線困難,成本太高,不適用;而目前使用廣泛的 ZigBee 技術由于傳輸距離短且需建立基站也不適用于這種大面積的地形陡峭的農田。文獻[4]運用了 GPRS 無線通信技術遠程監控茶園,但是沒有考慮到蟲害對茶葉生長的影響;而有害昆蟲對農作物的產量、質量會帶來嚴重的影響。文獻[5]設計了病蟲害實時監測預警系統,但采用的是人工觀察和計數昆蟲量,不僅費時費力,且準確度不高。文獻[6]通過圖像識別實現了蟲害的防控,但是沒有結合 GPS 模塊定位,不適合農田面積很大的情況,無法實現精準控制。
為此,設計了一種基于 GPRS 的農業蟲害防治物聯網監測系統。目前,GPRS 網絡已經基本實現城鄉和偏遠山區的全面覆蓋,且按流量計費,通信資費低,信號強,數據傳輸速率快,但有網絡延時,非常適合于實時性要求不高、傳輸數據量不大的高原山區的農田監測系統。系統采集影響稻田生長的溫濕度、光照強度、昆蟲數量以及監測站點的地理位置等數據、通過建立 TCP 連接、GPRS 連接到 Internet,將數據傳輸到具有固定 IP 地址的 Web 服務器。用戶可以用電腦、手機、Ipad 等上網設備隨時隨地查看監測數據以及遠程控制,并可以通過短信獲取監測數據和遠程控制。這種方式保障了用戶在沒有網絡的情況下也能及時獲取數據和進行操作。
1、 系統總體設計方案
本系統由 STM32 處理器、太陽能鋰電池交替供電模塊、溫濕度傳感器、光照傳感器、昆蟲計數傳感器、GPS 模塊、GPRS / GSM 無線通信模塊和遠程瀏覽器終端組成。微控制器將采集到的數據進行 AD 轉換后通過GPRS 傳輸到服務器;服務器再對數據進行分析處理,也可將數據直接以短信方式發送給用戶。系統搭載GPS 模塊,可實現精準定位監控,使用戶真正做到足不出戶遠程監控農田。系統體系結構如圖 1 所示。
2、 系統硬件設計
2. 1 系統硬件總體設計
系統終端 MCU 采用基于 ARM Cortex - M3 核心的 32 位微控制器, LQFP - 144 封 裝 了STM32F103ZET6 芯片。它配置了 512K 片內 FLASH以及 64K 片內 RAM;高達 72M 的頻率;數據、指令分別走不同的流水線,確保了 CPU 運行速度達到最大化。其外設資源豐富,能很好地滿足系統所需,成本較低。系統硬件總體設計框圖如圖 2 所示。
2. 2 傳感器模塊
2. 2. 1 溫濕度傳感器
考慮到系統終端用于在山區農田監測,需防水、防潮、穩定性好,本文選擇 AM2305 溫濕度傳感器。它采用單總線數據格式,一次通訊時間 5ms 左右,一次傳輸數據 40bit,高位先出。其測濕范圍 0 ~100% RH,測溫范圍 -40. 0 ~125. 0℃。
2. 2. 2 光照度傳感器
BH1750FVI是一種用于兩線式串行總線接口的數字型光強度傳感器集成電路。其分辨率高,可以探測較大范圍的光強度,范圍為 1 ~65 535lx。
2. 2. 3 昆蟲計數傳感器
美國 DATA - LYNX 型昆蟲自動計數站是一種可以自動記錄農田、溫室、林地等環境中昆蟲數量的一種小型監測站。其采用昆蟲性激素吸引相應昆蟲,蟲子撞擊傳感器,形成脈沖信號來計數。農田間害蟲以稻螟蟲為主,可利用該系統分析害蟲對農作物生長的影響以及通過蟲情監測防止蟲害發生。
2. 3 供電模塊
監測系統置于無人看守的農田,應盡量減少用戶去更換電池和人工充電的次數,增加供電時長,因此整個系統電源供電設計至關重要。本文采取太陽能和鋰電池交替供電。在有陽光的時候,太陽能板向鋰電池充電并給系統供電,夜間和陰雨天氣時鋰電池儲蓄的電量可以給系統供電。為確保連續陰雨天儲能電池的使用,太陽能電池功率要盡量選用大容量,可選擇 10W18V 太陽能板,儲能電池選擇 10AH3. 7V 的鋰電池。太陽能充電電路采取太陽能充電芯片CN3722;鋰電池采用低噪聲的穩壓芯片 MIC5207 給單片機長期提供穩定的 3. 3V 電壓。
2. 4 GPRS / GSM 無線通信模塊
SIM900A 是 Simcom 推出的緊湊型產品,屬于雙頻 GPRS/GSM 模塊,采用工業標準接口,可以低功耗實現語音、SMS、數據的傳輸。該模塊內置健全的TCP / IP 協議,支持數據透傳,支持 AT 指令集,可直接與 Internet 互通,使得網絡通信非常簡單。GPRS/GSM模塊使用標準串口與微控制器進行數據通信。單片機預先將采集到的數據存儲到外部 FLASH 中,到發送的時間點后將所有的數據打包發送到服務器和用戶手機,同時單片機也可以接收來自服務器和手機的指令,進行相應的操作。
2. 5 GPS 定位模塊
BS - 126 GPS 模塊采用 UBLOX G6010 - ST 芯片設計,具有高性能、低功耗的優點,是一個完整的衛星定位接收設備。它采用衛星自動校準時間和精確定位,從而獲取精確的時間和地理位置。用戶便可以在數據中心服務器查看某個地方或者某個時間段的數據情況,便于科學家分析研究。
3、 系統軟件設計
3. 1 數據采集軟件設計
農業系統數據實時性要求不高,因此所有傳感器和 GPS 可每隔幾小時采集一次數據,均使用定時器定時。在沒有數據采集和發送時單片機進入停止模式。停止模式是在 Cortex - M3 深睡眠模式基礎上結合了外設的時鐘控制機制,在 1. 8V 的供電區域的所有時鐘都被停止;但 SRAM 和寄存器的內容被保存下來,最大程度地降低了功耗。
單片機將采集到的數據通過 AD 轉換后存入外部FLAHS 中保存,并可顯示在液晶屏上,待 GPRS / GSM模塊開機連接成功后把數據全部發送到服務器和用戶手機。同時,為溫度、濕度、光照度、昆蟲數量等環境因素設定閾值,若某項指標超過閾值,系統短信以及網頁可提醒用戶。
3. 2 GPRS / GSM 無線通信模塊軟件設計
GPRS 通用無線分組業務是利用包交換概念發展的一套無線傳輸方式,基于現有的 GSM 網絡實現。本系統選用的 SIM900A 主要用于數據的網絡傳輸以及短信收發,采用標準的 RS232 接口與單片機進行數據和 AT 指令的串口方式傳輸。GPRS 模塊傳輸數據時功耗較大,為節省系統功耗,SIM900A 每隔一定時間\\(由用戶設定,通常間隔時間為幾小時\\)連接一次,其余時間均將它關機,每次傳輸的數據不超過 1K。主要的配置 AT 指令如下:
1\\) AT + CMGF = 0,設置短消息為 PDU 模式。因此,發送短信和接收短信均需按照 PDU 編碼格式解析。
2\\) AT + CSCS = ”UCS2”,支持中英文。
3\\) AT + CGDCONT = 1,”IP ”,”CMNET ”,設置PDP 上下文標標志為 1,采用互聯網協議 IP,接入點為中國移動互聯網。
4\\)AT + CIPSTART = ”TCP ”,”Server 的 IP 地址”,”Server 的端口號”,嘗試 TCP 連接。
5\\)AT + CIPCSGP = 1," CMNET",設置為 GPRS 連接,接入點為"CMNET"。
無線數傳軟件設計流程圖如圖 3 所示。
3. 3 主程序設計
系統主程序設計采用基于μC/OS -Ⅱ操作系統的多任務管理,是由 Micrium 公司提供的一個可移植、可固化的、可裁剪的、占先式多任務實時內核,適用于多種微處理器。根據系統需要裁減得到最小內核,移植到單片機中進行編譯,移植操作系統后能很好地實現多任務的管理和調度,從而使得軟件設計效率更高。
3. 4 數據監測中心軟件設計
數據監測中心主要包括監測終端以及數據庫服務器兩部分。數據庫服務器使用關系型數據庫 Mysql,它因開放源碼并且免費的特點成為中小型網站開發的首選。網站前端設計采用 JSP 技術,后臺業務邏輯采用 servlet,它是 Java Web 技術的核心,開發平臺使用 eclipse。數據庫與數據監測客戶端之間通過 C3P0數據庫連接池連接,將監測到的數據保存到數據庫表中。監測終端通過 B/S 架構與數據服務器連通,該終端采用 MVC 三層架構設計,通過監聽來自網絡的TCP 請求,三次握手協議之后打開一個套接字 SOCK-ET,通過服務器的 IP 地址和端口號系統終端便可以與服務器雙向通信。通過對數據庫的查詢操作,將采集到的數據顯示到網頁上來進行直觀的監控。數據監測中心軟件設計流程如圖 4 所示。
4、 測試結果
將系統連通后對一個監測站點進行測試,使用入網計算機訪問監測網站,進行一天的數據查詢以及查看半個月的各項數據的峰值和谷值的曲線。光照度只在早上 8 時采集一次。測試結果如圖 5 ~ 圖 7 所示。
5、 結論
本文設計的基于 GPRS 的物聯網農業蟲害防治監測系統結構簡單、安裝方便,用戶通過 Web 網頁和短信雙重監控系統,大大提高了數據傳輸的穩定性和可靠性。系統一天傳輸流量少,所需資費低。數據庫將采集到的各項數據保存下來,供研究者查詢以及下載,為稻田生長研究和蟲害預警提供詳實、精確的數據資料。其在偏遠山區的農田監測應用上比其他的監測系統更有優勢。
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