太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的防盜防破壞設(shè)計(jì)及展望

黃凱 舒磊 李凱亮 楊星 朱艷 汪小旵 蘇勤

摘要： 太陽能殺蟲燈在有效控制蟲害的同時(shí)，可減少農(nóng)藥施藥量。隨著其部署數(shù)量的增加，被盜被破壞的報(bào)道也越來越多，嚴(yán)重影響了蟲害防治效果并造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失。為有效地解決太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)被盜被破壞問題，本研究以太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)為應(yīng)用場景，對(duì)太陽能殺蟲燈硬件進(jìn)行改造設(shè)計(jì)以獲取更多的傳感信息；提出了太陽能殺蟲燈輔助設(shè)備——無人機(jī)殺蟲燈，用以被盜被破壞出現(xiàn)后的部署、追蹤和巡檢等應(yīng)急應(yīng)用。通過上述硬件層面的改造設(shè)計(jì)和增加輔助設(shè)備，可以獲取更為全面的信息以判斷太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)被盜被破壞情況。但考慮到被盜被破壞發(fā)生時(shí)間短，僅改造硬件層面還不足以實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確判斷。因此，本研究進(jìn)一步從內(nèi)部硬件、軟件算法和外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三個(gè)層面，探討了設(shè)備防盜防破壞的優(yōu)化設(shè)計(jì)、設(shè)備防盜防破壞判斷規(guī)則的建立、設(shè)備被盜被破壞的快速準(zhǔn)確判斷、設(shè)備被盜被破壞的應(yīng)急措施、設(shè)備被盜被破壞的預(yù)測與防控，以及優(yōu)化計(jì)算以降低網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸負(fù)荷六個(gè)關(guān)鍵研究問題，并對(duì)設(shè)備防盜防破壞技術(shù)在太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)場景中的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞： 太陽能殺蟲燈；防盜防破壞；無人機(jī)殺蟲燈；農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；節(jié)點(diǎn)

中圖分類號(hào)： S237；S251；U492.8+3??? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A??? 文章編號(hào)： 202102-SA034

引用格式：黃凱, 舒磊, 李凱亮, 楊星, 朱艷, 汪小旵, 蘇勤. 太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的防盜防破壞設(shè)計(jì)及展望[J]. 智慧農(nóng)業(yè)(中英文), 2021, 3 (1): 129-143.

Citation:HUANG Kai, SHU Lei, LI Kailiang, YANG Xing, ZHU Yan, WANG Xiaochan, SU Qin. Design and prospect for anti-theft and anti-destruction of nodes in Solar Insecticidal Lamps Internet of Things[J]. Smart Agriculture, 2021, 3 (1): 129-143. (

1? 太陽能殺蟲燈被盜被破壞現(xiàn)狀

目前，太陽能殺蟲燈在農(nóng)業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用［1］，有效減少了大田期成蟲落卵量及后期化肥農(nóng)藥施用量，并能進(jìn)行蟲情監(jiān)測，確保糧食安全。但是，越來越多的研究和報(bào)道表明，太陽能殺蟲燈被盜被破壞非常嚴(yán)重（如圖1所示）。

整理涉及到殺蟲燈盜竊破壞的文獻(xiàn)、報(bào)道如表1所示。分析太陽能殺蟲燈各零部件被盜被破壞的情況主要原因如下。

（1）太陽能殺蟲燈價(jià)值較高。目前網(wǎng)上檢索到的255個(gè)太陽能殺蟲燈產(chǎn)品，均價(jià)為2039.5元人民幣（220.0~20,000.0元）［23］。

（2）監(jiān)視設(shè)備投入高。太陽能殺蟲燈往往部署在人流量較少的地方，通過增加攝像頭等監(jiān)視設(shè)備來保障設(shè)備安全會(huì)大幅增加硬件投入，提升成本，不利于設(shè)備推廣應(yīng)用，同時(shí)監(jiān)測設(shè)備本身也存在被盜被破壞的風(fēng)險(xiǎn)［24］。

（3）監(jiān)視設(shè)備通訊功能不完善。已有的太陽能殺蟲燈防盜功能大都是通過GPRS模塊實(shí)現(xiàn)的［1］，但這只適用于圖1（a）所示的整燈被盜，且被盜燈具功能完好［2］的情況，不適用零部件的盜竊及破壞等情況，且其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量費(fèi)用使得應(yīng)用成本持續(xù)增加。

（4）太陽能殺蟲燈管理不完善。當(dāng)太陽能殺蟲燈節(jié)點(diǎn)被盜被破壞后，缺乏應(yīng)急措施去管理維護(hù)殺蟲燈，短時(shí)間內(nèi)無法恢復(fù)，這容易引起更多的被盜被破壞問題。

綜上，太陽能殺蟲燈在應(yīng)用過程中，缺乏合適的防盜防破壞方法，造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失，也使得出現(xiàn)被盜被破壞問題后蟲害防治效果大打折扣。

參考李凱亮等［1］總結(jié)的聯(lián)網(wǎng)型殺蟲燈產(chǎn)品，對(duì)于具備防盜功能的產(chǎn)品［25-29］，當(dāng)出現(xiàn)殺蟲燈被盜被破壞時(shí)，有如下情況。

（1）整燈被盜。在整燈完整、功能正常的條件下，可通過定位判斷是否被盜。若整燈被盜且功能正常，則被盜后可追回。

（2）零部件被盜。零部件被盜的情況下，系統(tǒng)僅顯示相應(yīng)模塊故障，不能判別被盜情況。若蓄電池被盜，且無備用電源，則被盜時(shí)無法得知具體狀況。

（3）整燈被破壞。所有零部件（包括蓄電池）被破壞，若無備用電源，則整燈被破壞時(shí)，無法得知具體狀況。

（4）零部件被破壞。零部件被破壞的情況下，系統(tǒng)僅顯示相應(yīng)模塊故障，不能判別被破壞情況。若蓄電池被破壞，且無備用電源，則被破壞時(shí)無法得知具體狀況。

其中，太陽能殺蟲燈被盜、被破壞和產(chǎn)生故障在系統(tǒng)中都只顯示“故障”狀態(tài)，這顯然不利于管理維護(hù)人員判斷殺蟲燈的真實(shí)工作狀態(tài)。

如果可準(zhǔn)確識(shí)別殺蟲燈被盜被破壞的狀況，管理維護(hù)人員則可以快速行動(dòng)，降低可能產(chǎn)生的損失。而且，目前的產(chǎn)品防盜功能的實(shí)現(xiàn)有一個(gè)前提：燈具完整且功能正常。這意味著太陽能殺蟲燈的防盜功能還有待提升。

此外，作者對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備安全研究的現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理，如表2所示。太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)和表2前三類場景特點(diǎn)都有共同之處，但是也存在不同；設(shè)備安全問題的應(yīng)對(duì)對(duì)策也有不足之處，可結(jié)合前三類場景的應(yīng)對(duì)對(duì)策完善現(xiàn)有太陽能殺蟲燈的被盜被破壞的應(yīng)對(duì)對(duì)策。

因此，可以對(duì)目前太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)加以改造設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)更為完善的防盜防破壞功能。

本研究分析了太陽能殺蟲燈設(shè)備在應(yīng)用過程中被盜被破壞的情況，通過對(duì)太陽能殺蟲燈內(nèi)部硬件加以改造設(shè)計(jì)，并從太陽能殺蟲燈外部考慮，增加輔助設(shè)備以開展應(yīng)急措施。最后，結(jié)合硬件層面上的防盜防破壞設(shè)計(jì)，在軟件層面上分析開展防盜防破壞研究過程中需要考慮的關(guān)鍵研究問題，并對(duì)未來太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的防盜防破壞研究進(jìn)行了展望。

本研究基于團(tuán)隊(duì)提出的太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)［1］，從兩方面考慮太陽能殺蟲燈的防盜防破壞的改造設(shè)計(jì)。

（1）從太陽能殺蟲燈內(nèi)部考慮。綜合考慮成本、耗電量等因素，增加防盜防破壞的傳感器，為具體零部件的被盜被破壞的評(píng)估提供數(shù)據(jù)支持，并在盜竊破壞狀態(tài)出現(xiàn)后，警鳴器現(xiàn)場報(bào)警，盡可能降低損失。

（2）從太陽能殺蟲燈外部考慮。設(shè)計(jì)一款機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的輔助設(shè)備——無人機(jī)殺蟲燈，以便開展應(yīng)急措施，保障物聯(lián)網(wǎng)正常組網(wǎng)通信等基本功能，甚至為被盜被破壞案件的告破提供有效線索。

2? 物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)防盜防破壞改造設(shè)計(jì)

2.1改造設(shè)計(jì)需求

對(duì)于太陽能殺蟲燈而言，任何時(shí)候都存在被盜被破壞的風(fēng)險(xiǎn)，需要滿足不同時(shí)段對(duì)于被盜被破壞狀況的監(jiān)測需求來設(shè)計(jì)。

太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的主要零部件包括：太陽能電池板、蓄電池、殺蟲燈、通信模塊（通信天線和無線設(shè)備）、控制電路、傳感器模塊以及安裝支架等。如圖2所示，增加太陽能電池板電壓、電流傳感器，監(jiān)測太陽能電池板的電壓、電流；蓄電池柜配鎖，增加門控開關(guān)傳感器，監(jiān)測蓄電池柜是否異常開啟；在支架內(nèi)部布線以防電線從外部破壞；支架內(nèi)置防盜防破壞系統(tǒng)硬件（通信用的備用供電模塊、加速度傳感器），通過金屬支架保護(hù)硬件?？紤]到不同零部件在不同時(shí)段的工作狀態(tài)不同，防盜防破壞設(shè)計(jì)需要考慮各零部件的特點(diǎn)。

（1）太陽能電池板。只有在有光照的條件下，太陽能板才有電流輸出，所以在白天可以通過電流來判斷太陽能電池板是否正常。但在夜間，無法通過電流來判斷太陽能電池板是否正常。而在太陽能電池板被盜被破壞的時(shí)候，固定太陽能電池板的支架通常會(huì)發(fā)生劇烈的晃動(dòng)、倒地或者出現(xiàn)位置移動(dòng)，因此可增加加速度傳感器對(duì)破壞和盜取太陽能電池板的行為進(jìn)行監(jiān)測和判斷。

（2）蓄電池。蓄電池白天通過太陽能電池板充電，同時(shí)給通信模塊供電；夜間給太陽能殺蟲燈供電，也給通信模塊供電。不論白天、黑夜，這個(gè)過程都存在電流的變化。但是，如果該設(shè)備被盜被破壞，整個(gè)節(jié)點(diǎn)將無法正常工作，因此需要有應(yīng)急備用電源以保障太陽能殺蟲燈的通信功能。此外，目前的蓄電池通常放在上鎖的蓄電池柜中，因此還需要有監(jiān)測蓄電池柜打開的門控開關(guān)監(jiān)測模塊。

（3）太陽能殺蟲燈。殺蟲燈通過蓄電池供能，夜間開燈誘蟲放電殺蟲，這個(gè)過程存在電流的變化。但是白天不工作，無法通過電流來判斷太陽能殺蟲燈是否正常。而在太陽能殺蟲燈被盜被破壞的時(shí)候，與太陽能殺蟲燈相連接的支架通常會(huì)發(fā)生劇烈晃動(dòng)、倒地或者出現(xiàn)位置移動(dòng)，因此可增加加速度傳感器對(duì)破壞和盜取太陽能殺蟲燈的行為進(jìn)行監(jiān)測和判斷。

目前通過GPRS模塊進(jìn)行太陽能殺蟲燈防盜，只適用于整燈被盜，無法實(shí)現(xiàn)全天候地對(duì)所有零部件被盜被破壞狀況進(jìn)行監(jiān)測。因此，在對(duì)太陽能殺蟲燈進(jìn)行改造設(shè)計(jì)過程中，需要增加上述提及的不同類型的傳感器，以完善信息的采集，從而為準(zhǔn)確判斷被盜被破壞狀況提供數(shù)據(jù)支持。

2.2改造方案可行性分析

為獲取更豐富的信息，除了增加不同類型的傳感器之外，也可增加視頻采集設(shè)備。表3對(duì)GPRS模塊、視頻采集模塊，以及不同類型的傳感器，從多個(gè)角度進(jìn)行了對(duì)比，探索更適合太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景。

其中，成本包括了單次投入和后續(xù)持續(xù)產(chǎn)生費(fèi)用。GPRS模塊和視頻采集模塊購買成本較其他傳感器貴，且后續(xù)還存在持續(xù)增加的數(shù)據(jù)流量費(fèi)用，這將大幅提高應(yīng)用成本；同時(shí)這兩個(gè)模塊持續(xù)工作能耗很大，增加了蓄電池能量輸出的負(fù)擔(dān)。除了視頻采集模塊需要添加額外的支架以保證太陽能殺蟲燈處在被監(jiān)測范圍內(nèi)，其他模塊和傳感器都可以集成在電路板上，這也意味著視頻采集模塊相比于其他集成的傳感器暴露在外，容易被盜被破壞。

綜上所述，采用GPRS模塊和視頻采集模塊會(huì)遇到成本持續(xù)增加的情況，視頻采集模塊也容易被盜被破壞。而選擇集成其他傳感器模塊（電壓、電流傳感器、加速度傳感器和門控開關(guān)傳感器），總體價(jià)格更低，且不會(huì)增加額外費(fèi)用，安全性也有保障，具有可行性。因此，本研究中選擇電壓、電流傳感器、加速度傳感器和門控開關(guān)傳感器。

2.3防盜防破壞系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

對(duì)太陽能殺蟲燈硬件進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，完善防盜防破壞系統(tǒng)，如圖3和圖4所示。

其中，防盜防破壞系統(tǒng)通過型號(hào)為ARMEGA328P的Arduino模塊，接收來自電壓電流模塊、加速度傳感器模塊、門控開關(guān)模塊、電源模塊、備用電源模塊的信號(hào)，并與樹莓派Zero和CC2538通信模塊交互，具體如下。

（1）四個(gè)電壓電流模塊用于監(jiān)測蓄電池、太陽能電池板、殺蟲燈燈管和殺蟲燈金屬網(wǎng)的電壓電流情況，并以數(shù)字信號(hào)的方式傳回Arduino模塊。

（2）電源模塊接入后，其能量可用于太陽能殺蟲燈所有耗電模塊的工作需求；備用電源模塊在電源模塊被切斷后，給Arduino模塊、通信模塊應(yīng)急供電。

（3）加速度傳感器模塊接入后，采集的信息以數(shù)字信號(hào)的方式傳回Arduino模塊。

（4）門控開關(guān)監(jiān)測模塊接入后，則以0/1信號(hào)的方式傳回Arduino模塊。

（5）CC2538通信模塊接收來自Arduino模塊的信號(hào)，并發(fā)出相應(yīng)的指令以實(shí)現(xiàn)對(duì)Arduino模塊的控制。

（6）樹莓派Zero接收來自Arduino模塊的數(shù)據(jù)信息，并發(fā)出相應(yīng)的指令以實(shí)現(xiàn)對(duì)Arduino模塊的控制。

2.4功能可行性驗(yàn)證

殺蟲燈防盜防破壞系統(tǒng)對(duì)相應(yīng)的傳感器功能的可行性進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證通過才能在太陽能殺蟲燈上進(jìn)行安裝。通過一系列的測試，下面四種傳感器均可正常運(yùn)行，滿足改造設(shè)計(jì)的需求。

（1）門控開關(guān)。門控開關(guān)開啟或關(guān)閉，系統(tǒng)能夠收到對(duì)應(yīng)的高低電平信號(hào)。

（2）電壓電流傳感器。對(duì)于太陽能殺蟲燈不同零部件，各自的電壓電流傳感器都可以輸出實(shí)時(shí)電壓電流變化，如“12.01 V，3.9 mA”。

（3）備用電源。切斷蓄電池供電時(shí)，無線通信模塊還可以正常工作，工作時(shí)長取決于電池容量，也不會(huì)因?yàn)榍袛嘈铍姵毓╇姵霈F(xiàn)通信模塊重啟的情況。

（4）加速度傳感器。當(dāng)太陽能殺蟲燈晃動(dòng)時(shí)，加速度傳感器能采集相應(yīng)信號(hào)并上傳系統(tǒng)。通過相應(yīng)的模塊獲得數(shù)據(jù)信息，為太陽能殺蟲燈狀態(tài)的判斷提供數(shù)據(jù)支撐。

3? 基于無人機(jī)的防盜防破壞輔助設(shè)備設(shè)計(jì)

在增加了上面?zhèn)鞲衅髦?，可獲取更豐富的數(shù)據(jù)信息用于判斷太陽能殺蟲燈被盜被破壞的情況，但是面對(duì)“防盜防破壞”的需求仍存在不足。（1）在出現(xiàn)被盜被破壞情況后，不能提供更多的盜竊、破壞細(xì)節(jié)信息，破案難度較高，大概率不能追回被盜的太陽能殺蟲燈零部件或者整燈，不能降低用戶的損失；（2）在出現(xiàn)被盜被破壞情況后，沒有可以快速補(bǔ)充節(jié)點(diǎn)的措施，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)可能被盜被破壞而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信癱瘓。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)被破壞可能導(dǎo)致無法殺蟲。因此，需要增加輔助設(shè)備以彌補(bǔ)上述不足。

3.1目標(biāo)需求

根據(jù)前文分析，對(duì)太陽能殺蟲燈進(jìn)行改造設(shè)計(jì)后，防盜防破壞系統(tǒng)可以采集更豐富的信息，可以更為準(zhǔn)確地判斷被盜被破壞狀況。在出現(xiàn)被盜被破壞之前，用戶希望能夠降低被盜被破壞風(fēng)險(xiǎn)。在出現(xiàn)被盜被破壞情況后，用戶希望能夠追回被盜的零部件或者整燈，或者可以獲取與破案相關(guān)的有價(jià)值的線索。同時(shí)，由于重新安裝部署太陽能殺蟲燈費(fèi)時(shí)費(fèi)力費(fèi)錢，所以還需要可快速響應(yīng)的輔助設(shè)備，進(jìn)行應(yīng)急殺蟲。無人機(jī)作為機(jī)動(dòng)性很強(qiáng)的設(shè)備，能夠有效滿足應(yīng)急需求。

目前，無人機(jī)在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用廣泛，主要包括土壤監(jiān)測［55,56］、測繪［57,58］、人工授粉［58,59］、作物表型［60,61］、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)［62-64］、灌溉［65,66］，農(nóng)藥噴灑、病蟲害監(jiān)測防治［67-69］，作物監(jiān)測，以及植物識(shí)別［70,71］。其中，關(guān)于無人機(jī)進(jìn)行農(nóng)藥噴灑、病蟲害監(jiān)測防治的研究較多，在安全方面也有了一定的應(yīng)用。例如警用無人機(jī)［72］和電力行業(yè)的巡檢無人機(jī)［73］等。但截止目前，尚未有基于無人機(jī)開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的防盜防破壞研究，以保障設(shè)備安全。

綜上，可以結(jié)合太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)場景的特點(diǎn)對(duì)無人機(jī)加以改造設(shè)計(jì)，以便在該場景中發(fā)揮更大的效果。因此，從殺蟲以及防盜防破壞的角度出發(fā)，提出無人機(jī)殺蟲燈。

3.2無人機(jī)殺蟲燈原型設(shè)計(jì)及可行性驗(yàn)證

3.2.1結(jié)構(gòu)組成

無人機(jī)殺蟲燈主要由無人機(jī)及其電源、殺蟲燈及其電源組成。無人機(jī)殺蟲燈如圖5所示。

（1）無人機(jī)。本研究使用定制無人機(jī)（品牌：datonhooya）［74］，具有5.0 kg的載重能力，裝備了全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）、圖傳系統(tǒng)，可在2.4 GHz頻段下無線通信。無人機(jī)底部支架根據(jù)殺蟲燈尺寸加以定制，使得能夠安裝殺蟲燈。同時(shí)依據(jù)關(guān)于殺蟲燈殺蟲放電會(huì)對(duì)旁邊無線通信設(shè)備造成干擾的結(jié)果［75］，支架保持了無人機(jī)和殺蟲燈的間距，避免無人機(jī)的通信模塊以及殺蟲燈的通信模塊受到殺蟲放電的干擾，引發(fā)設(shè)備通信問題。

（2）殺蟲燈。設(shè)計(jì)采用神捕太陽能殺蟲燈［76,77］，重量為3.5 kg?？紤]到無人機(jī)的載重能力，采用小型鋰電池給殺蟲燈供電，因此，無人機(jī)殺蟲燈中殺蟲燈工作時(shí)長也和太陽能殺蟲燈的工作時(shí)長不同。

（3）無人機(jī)和殺蟲燈的通信。二者有各自的通信系統(tǒng)，彼此之間通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信。二者也有各自獨(dú)立的電源：無人機(jī)采用的是高密度的鋰電池（格氏ACE原廠鋰聚合物動(dòng)力鋰電池16,000 mAh），而殺蟲燈采用的是普通的鋰電池（耐杰12 V鋰電池8400 mAh）。對(duì)于無人機(jī)殺蟲燈的兩套通信系統(tǒng)，可以根據(jù)應(yīng)用需求，設(shè)置其與太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)通信方式。

3.2.2載燈飛行測試及模擬殺蟲測試

為驗(yàn)證無人機(jī)殺蟲燈原型的可行性，從載燈飛行以及開燈殺蟲時(shí)長兩方面進(jìn)行可行性測試。

（1）載燈飛行可行性測試。

測試目的：測試無人機(jī)能否載燈飛行。由于飛行時(shí)長、飛行距離與電池容量相關(guān)，而無人機(jī)殺蟲燈飛行范圍需要覆蓋多少太陽能殺蟲燈節(jié)點(diǎn)尚未確定，因此飛行時(shí)長暫不考慮。

測試方法：設(shè)計(jì)無人機(jī)支架，并將殺蟲燈固定在無人機(jī)支架上，控制無人機(jī)殺蟲燈飛行。

測試結(jié)果：如圖6所示，無人機(jī)可以滿足載燈飛行要求。但是支架底座的設(shè)計(jì)仍需要進(jìn)一步優(yōu)化，以提升起降穩(wěn)定性。

（2）開燈殺蟲時(shí)長測試。目前所采用的神捕殺蟲燈產(chǎn)品，在電量供應(yīng)充足的條件下，每天夜間連續(xù)開燈殺蟲時(shí)間設(shè)置為5 h。首先需要測試配備的鋰電池是否能夠堅(jiān)持5 h的持續(xù)放電，保障能夠支持一晚5 h的殺蟲時(shí)間，從而保證無人機(jī)殺蟲燈和太陽能殺蟲燈在夜間開燈時(shí)長上的一致。

測試目的：測試無人機(jī)殺蟲燈能否滿足節(jié)點(diǎn)部署在野外，一晚持續(xù)5 h的開燈殺蟲需求。

測試方法：為定量分析開燈殺蟲時(shí)長，這里沒有采用實(shí)地開燈放電殺蟲的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。而是依據(jù)模擬放電模塊［78］，設(shè)置4次/s的放電頻率，模擬放電殺蟲；而每次殺蟲是否有效，以在模擬放電模塊旁邊能否監(jiān)測到電平跳變?yōu)闇?zhǔn)。因?yàn)樵诜烹姎⑾x過程中，高壓放電脈沖會(huì)引起一些元器件的電平跳變，可以認(rèn)為真實(shí)的放電殺蟲與電平跳變存在關(guān)聯(lián)；更進(jìn)一步，如果模擬放電模塊工作過程中能夠監(jiān)測到電平跳變，可以認(rèn)為模擬放電模塊可以在一定程度上表征真實(shí)的放電殺蟲過程。因此，通過模擬放電模塊模擬放電殺蟲具有一定的可行性，將模擬放電殺蟲過程進(jìn)行量化，便于定量分析。

測試結(jié)果：連續(xù)開燈放電工作5 h，還能夠監(jiān)測電平跳變，說明該鋰電池可以滿足無人機(jī)殺蟲燈一晚上5 h的工作時(shí)長要求。

3.3無人機(jī)殺蟲燈與太陽能殺蟲燈的對(duì)比

由于無人機(jī)殺蟲燈是面向太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)的輔助設(shè)備，通過無人機(jī)殺蟲燈與太陽能殺蟲燈的對(duì)比分析（如表4所示），可以更加充分地了解無人機(jī)殺蟲燈的應(yīng)用特征，包括機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，可以短暫替代太陽能殺蟲燈殺蟲，并監(jiān)測蟲情信息，可以采集更豐富的圖像視頻信息。因此，無人機(jī)殺蟲燈在太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用潛力巨大。

3.4無人機(jī)殺蟲燈的潛在應(yīng)用

無人機(jī)殺蟲燈作為太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的輔助設(shè)備，還具有以下六方面應(yīng)用。

（1）綠色防治。無人機(jī)殺蟲燈作為一種新型農(nóng)業(yè)設(shè)備，和太陽能殺蟲燈一樣，屬于太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，在田間部署的時(shí)候，可以開燈誘殺遷飛性害蟲，因此，部署無人機(jī)殺蟲燈也可以減少農(nóng)藥的施用。

（2）部署測試。通過無人機(jī)殺蟲燈的預(yù)部署，短時(shí)間內(nèi)在太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)中可以實(shí)現(xiàn)多種部署方案的實(shí)驗(yàn)測試，并根據(jù)測試結(jié)果選擇最適合當(dāng)?shù)氐牟渴鸱桨?。相比于固定部署太陽能殺蟲燈進(jìn)行實(shí)測而言，可以極大地降低部署工作量，并提升最終通信以及殺蟲效果。

（3）應(yīng)急使用。如果遇到突發(fā)蟲害，超出太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的處理能力，或者環(huán)境條件不利于無人機(jī)施藥或者其他方式施藥（例如，風(fēng)力條件不允許噴灑農(nóng)藥）。那么使用無人機(jī)殺蟲燈協(xié)同太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在蟲害重點(diǎn)區(qū)域應(yīng)急殺蟲，可以減少農(nóng)藥的施用。如以下兩種應(yīng)用場景。

①如果遇到太陽能殺蟲燈整燈被盜，無人機(jī)殺蟲燈可以應(yīng)急部署，暫時(shí)替代被盜節(jié)點(diǎn)，保障太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的殺蟲和通信功能，以便蟲情信息和設(shè)備被盜信息的傳輸。同時(shí)派遣其他無人機(jī)殺蟲燈對(duì)被盜太陽能殺蟲燈進(jìn)行追蹤。

②如果遇到太陽能殺蟲燈零部件被盜，無論無人機(jī)殺蟲燈部署與否，無人機(jī)殺蟲燈需根據(jù)零部件實(shí)際情況做出選擇。例如，太陽能電池板在夜間被盜，則無需部署。

（4）誘蟲深入。在太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)中，如果某一節(jié)點(diǎn)附近蟲害密度較大，該節(jié)點(diǎn)的蟲害防治壓力較大，而其臨近節(jié)點(diǎn)附近的蟲害密度不大，則可以通過無人機(jī)殺蟲燈夜間開燈飛行而不殺蟲，逐步就近吸引害蟲到蟲害密度低的區(qū)域，由對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)部署的節(jié)點(diǎn)殺滅相應(yīng)的害蟲，從而減少整個(gè)區(qū)域的農(nóng)藥施藥量，并避免蟲害防治壓力較大區(qū)域節(jié)點(diǎn)能量的過度消耗。如果某地區(qū)尚未部署太陽能殺蟲燈，但是監(jiān)測到有大量遷飛性害蟲，也可以通過無人機(jī)殺蟲燈引誘的方式逐步吸引到部署了太陽能殺蟲燈的區(qū)域進(jìn)行殺蟲，同時(shí)監(jiān)測蟲情信息。

（5）安全預(yù)警。如果太陽能殺蟲燈或者無人機(jī)殺蟲燈被盜被破壞，可通過無人機(jī)殺蟲燈、太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)以及二者的協(xié)同，做出智能化決策，進(jìn)行預(yù)警、追蹤。也可以通過無人機(jī)殺蟲燈不定期的、有針對(duì)性的巡檢方式進(jìn)行威懾，從而保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品、設(shè)備不被盜或者被盜可追溯。

（6）組網(wǎng)監(jiān)測。在蟲情監(jiān)測領(lǐng)域，雷達(dá)網(wǎng)的大尺度監(jiān)測和高空燈、地面燈、性誘捕器的小尺度監(jiān)測網(wǎng)的一體化運(yùn)行，可以精準(zhǔn)定位定量蟲害的成蟲遷移動(dòng)態(tài)，并通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)布［79］。而無人機(jī)殺蟲燈具備移動(dòng)性強(qiáng)、監(jiān)測防治于一體等特點(diǎn)，可以在監(jiān)測網(wǎng)中有效減少人力物力的投入、協(xié)同地面燈（例如，智能化的太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、高空燈、蟲情測報(bào)燈等）采集蟲情信息，為生產(chǎn)、科研工作提供有力支撐。

4? 防盜防破壞的關(guān)鍵研究問題及展望

4.1關(guān)鍵研究問題

在太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)場景中，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)以及增加輔助設(shè)備無人機(jī)殺蟲燈，為太陽能殺蟲燈及無人機(jī)殺蟲燈這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的防盜防破壞提供了重要的硬件支持。但單純地采集相關(guān)傳感器的信息并不足以快速準(zhǔn)確地判斷被盜被破壞的情況。例如，傳感器顯示門控開關(guān)開啟，加速度傳感器響應(yīng)，電壓電流傳感器正常。在這種情況下，僅僅從一個(gè)節(jié)點(diǎn)所采集的信息去考慮，不足以判斷出該節(jié)點(diǎn)被盜，這可能是一種故障，并沒有出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)被盜被破壞的狀況。因此，還需要協(xié)同其周圍節(jié)點(diǎn)與該節(jié)點(diǎn)的通信狀態(tài)，一起做出判斷，以降低誤報(bào)率。

因此，為更好地發(fā)揮設(shè)備的防盜防破壞功能，還需要從軟件、硬件和外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面考慮以下六個(gè)關(guān)鍵研究問題。

（1）優(yōu)化設(shè)備防盜防破壞設(shè)計(jì)。從控制節(jié)點(diǎn)成本考慮，現(xiàn)有太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)僅配備了簡易傳感器用于防盜防破壞設(shè)計(jì)（例如，門控開關(guān)、加速度傳感器和備用電源）。但就更好地保障太陽能殺蟲燈安全而言，在硬件設(shè)計(jì)上可進(jìn)一步增加GPS傳感器（追蹤定位）、多重安全冗余設(shè)計(jì)，以及在更多關(guān)鍵位置安裝電壓電流傳感器監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。在外觀設(shè)計(jì)上可采用安全系數(shù)更高的電力柜、在太陽能電池板支撐梁上增加防盜固定孔［80］等方式來完善太陽能殺蟲燈的防盜結(jié)構(gòu)。

（2）建立設(shè)備防盜防破壞判斷規(guī)則。目前殺蟲燈產(chǎn)品被盜大多基于設(shè)備定位信息，當(dāng)設(shè)備定位信息發(fā)生變化則發(fā)出防盜警示。而對(duì)于采用多傳感器，以多元信息融合為基礎(chǔ)的太陽能殺蟲燈防盜防破壞主題，目前尚未有相應(yīng)的解決方案與策略。不同于工業(yè)設(shè)備防盜防破壞，太陽能殺蟲燈具有部署范圍廣、部署密度低（2~4 hm2/盞）、實(shí)時(shí)維護(hù)難的特點(diǎn)。此外，太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的工作機(jī)制也是需要考慮的一個(gè)方面。因此，針對(duì)以上特點(diǎn)及工作機(jī)制，選擇恰當(dāng)?shù)膫鞲衅?，建立基于多源信息融合的盜竊與破壞判斷規(guī)則庫是亟需解決的關(guān)鍵研究問題。此外，研究盜竊、破壞與不同故障之間的因果關(guān)系也十分重要。

（3）快速準(zhǔn)確判斷設(shè)備是否被盜被破壞。依托現(xiàn)有太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信息，設(shè)備被盜被破壞問題的快速準(zhǔn)確判斷還存在較大難度。而基于目前的故障診斷技術(shù)［75］，一些情況下，短時(shí)間內(nèi)只能分析得出若干可能情況，還不能得出一個(gè)準(zhǔn)確結(jié)論。如果等待人工前去識(shí)別或者花費(fèi)較長時(shí)間進(jìn)一步監(jiān)測，可以準(zhǔn)確判斷，但也可能會(huì)造成較大的損失（例如設(shè)備被盜無法追回，設(shè)備被損壞無法追溯嫌疑人員）。因此，對(duì)于涉及到設(shè)備被盜被破壞這類問題，要求能夠快速準(zhǔn)確地做出判斷，這是首要考慮的重要研究工作。

（4）制定設(shè)備被盜被破壞應(yīng)急措施。如果關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)被盜被破壞，備用電源不足以支持完整功能（殺蟲放電，蟲情采集），整個(gè)太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)將無法正常工作。一方面，節(jié)點(diǎn)無法開燈殺蟲，無法監(jiān)測蟲情，不利于后臺(tái)對(duì)于實(shí)際蟲情的實(shí)時(shí)把握。另一方面，備用電源不能監(jiān)測部分零部件是否處在正常工作狀態(tài)，也就是說，這部分零部件被盜被破壞后是無法及時(shí)被監(jiān)測到的，這就導(dǎo)致設(shè)備面臨更大的被盜被破壞風(fēng)險(xiǎn)。因此在判斷被盜被破壞之后，需要快速開展應(yīng)急措施。

應(yīng)急措施首先要考慮快速部署，而太陽能殺蟲燈的安裝部署工作量決定了快速補(bǔ)充正常節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)存在較大的難度，因而需要采用無人機(jī)殺蟲燈進(jìn)行應(yīng)急部署，但是無人機(jī)殺蟲燈的數(shù)量是有限的。因此，如何在更多太陽能殺蟲燈節(jié)點(diǎn)失效的場景中完成應(yīng)急部署，保障基本的蟲情測報(bào)、通信功能也是非常重要的研究工作。

（5）進(jìn)行設(shè)備被盜被破壞的預(yù)測與防控。對(duì)于太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)而言，由于部署位置偏僻等原因，節(jié)點(diǎn)被盜被破壞風(fēng)險(xiǎn)較高。根據(jù)太陽能殺蟲燈被盜被破壞的歷史數(shù)據(jù)，對(duì)于一個(gè)節(jié)點(diǎn)具體被盜被破壞問題進(jìn)行分析，基于節(jié)點(diǎn)零部件被盜被破壞情況、節(jié)點(diǎn)位置、節(jié)點(diǎn)被盜后移動(dòng)方向、節(jié)點(diǎn)最終追溯地點(diǎn)等信息，建立預(yù)測模型，結(jié)合無人機(jī)殺蟲燈全天候、自動(dòng)化、智能化的操作優(yōu)勢，進(jìn)行傾向性巡檢，加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高節(jié)點(diǎn)的日常巡檢；以及出現(xiàn)被盜被破壞后能夠快速派遣追蹤無人機(jī)開展相關(guān)線索的采集工作，最終提升安全風(fēng)險(xiǎn)顯示較高的設(shè)備的防控水平。因此，對(duì)于設(shè)備被盜被破壞的預(yù)測與防控，降低設(shè)備被盜被破壞風(fēng)險(xiǎn)，也是極其重要的工作。

（6）優(yōu)化計(jì)算以降低網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸負(fù)荷。首先，在遠(yuǎn)程防盜防破壞監(jiān)控過程中，盜竊破壞并非經(jīng)常出現(xiàn)，日常監(jiān)控結(jié)果趨于一致，實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)控結(jié)果會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)荷；其次，太陽能殺蟲燈部署地點(diǎn)較為特殊，容易受自然惡劣環(huán)境等因素影響而干擾加速度傳感器信息采集結(jié)果，引起誤判。針對(duì)這些問題，需開展相應(yīng)的測試試驗(yàn)，一方面確定合適的通信頻次，另一方面提高盜竊破壞狀態(tài)判斷的精確度。

4.2展望

對(duì)太陽能殺蟲燈開展防盜防破壞設(shè)計(jì)，并增加輔助設(shè)備無人機(jī)殺蟲燈，在太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)的場景中，結(jié)合上述六個(gè)關(guān)鍵研究問題，可以有效降低設(shè)備被盜被破壞的風(fēng)險(xiǎn)，保障節(jié)點(diǎn)功能的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，降低經(jīng)濟(jì)損失，推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的推廣應(yīng)用。如圖7所示，在太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)場景中，可分別從網(wǎng)絡(luò)層面和節(jié)點(diǎn)層面來分析。

（1）從網(wǎng)絡(luò)層面來看，對(duì)于太陽能殺蟲燈和無人機(jī)殺蟲燈而言，經(jīng)過硬件設(shè)計(jì)改造之后，太陽能殺蟲燈被盜被破壞致使功能失效的情況下，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)被盜被破壞和故障的快速準(zhǔn)確判斷；而無人機(jī)和殺蟲燈軟硬件的高度集成，能夠助力無人機(jī)殺蟲燈和太陽能殺蟲燈的協(xié)同工作，為組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)提供一個(gè)“安全網(wǎng)”，最終為設(shè)備的正常運(yùn)行提供安全保障。這不僅僅包括農(nóng)業(yè)信息安全［81］，還包括農(nóng)業(yè)設(shè)備安全。

（2）從節(jié)點(diǎn)層面來看，通過網(wǎng)絡(luò)層面將任務(wù)信息落實(shí)到具體節(jié)點(diǎn)當(dāng)中，無人機(jī)殺蟲燈可以作為后備節(jié)點(diǎn)應(yīng)急部署，開展放電殺蟲作業(yè)。同時(shí)，可以根據(jù)需要執(zhí)行巡檢、追蹤任務(wù)。隨著防盜防破壞技術(shù)的不斷升級(jí)完善，無人機(jī)殺蟲燈作為太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，不論地面部署還是空中飛行，都受到與之相適應(yīng)的防盜防破壞技術(shù)的保護(hù)，從而降低所有節(jié)點(diǎn)的被盜被破壞風(fēng)險(xiǎn)。

在未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，越來越多的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到運(yùn)用，無人化、智能化的智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢逐步顯現(xiàn)［82］；同時(shí)，這個(gè)過程需要部署大量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備，而本研究關(guān)于太陽能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的防盜防破壞技術(shù)也可以擴(kuò)展應(yīng)用在相應(yīng)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)場景中，從軟件、硬件和外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三方面共同保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的安全。

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Design and Prospect for Anti-theft and Anti-destruction of Nodes in Solar Insecticidal Lamps Internet of Things

HUANG Kai1,2, SHU Lei2,3*, LI Kailiang2, YANG Xing2, ZHU Yan1, WANG Xiaochan4, SU Qin2

（1.National Engineering and Technology Center for Information Agriculture, Nanjing 210095, China; 2.College of Artificial Intelligence, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210031, China; 3.School of Engineering, University of Lincoln, Lincoln, LN67TS, U.K.; 4.College of Engineering, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210031, China）

Abstract: Solar insecticidal lamps (SILs) are widely used in agriculture for the purpose of effectively controlling pests and reducing pesticide dosage. With the increasing deployment of SILs, there are more and more reports about theft and destruction of SILs, seriously affecting the pest control effect and leading to great economic losses. Unfortunately, many efforts remain unsuccessful, since people can destruct the components of SIL in part but not steal the whole SIL, which cannot be detected by GPRS module or can only be labeled as a fault of component. To realize the broader effect of anti-theft and anti-destruction in the scenario of Solar Insecticidal Lamps Internet of Things (SIL-IoTs), there were two types of designs which would enable substantial improvements. On one hand, SIL was reformed and designed to obtain more information from different kinds of sensors and increase the difficulty of theft and destruction of SILs. Four modules were equipped including gated switch, voltage and current module, emergency power module, acceleration sensor module. Gated switch was used to judge whether the gate of power was open or closed. Voltage and current module of battery, solar panel, lamp, and metal mesh were used to judge whether the components were stolen or destructed. Emergency power module was used for communication module after the battery being stolen. Acceleration sensor module was used to judge whether the SIL was shaking by stealer. On the other hand, the auxiliary equipment of SIL, i.e., unmanned aerial vehicle insecticidal lamp (UAV-IL), was put forward for emergency applications after theft and destruction of SIL, e.g., deployment, tracking, patrol inspection, and so on. Through the above-mentioned hardware design and application of UAV-IL, more information from different kinds of sensors could be obtained to make judgements about the situation of theft and destruction. However, considering the short occurrence time of theft and destruction, the design was not enough to realize fast and accurate judgments. Therefore, six key research issues in the design of internal hardware, software algorithm and appearance structure design level were discussed, including 1) optimal design of anti-theft and anti-destruction of SILs; 2) establishment of anti-theft and anti-destruction judgment rules of SILs; 3) fast and accurate judgments of theft and destruction of SILs; 4) emergency measures after theft and destruction of SILs; and 5) prediction and prevention of theft and destruction of SILs; 6) optimal calculation to reduce the load of network data transmission. The anti-theft and anti-destruction have crucial roles in equipment safety, which can be extended to various agricultural applications.

Key words: solar insecticidal lamp; anti-theft and anti-destruction; unmanned aerial vehicle insecticidal lamp; agricultural Internet of Things; node