基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)大棚燈光控制與害蟲誘殺系統(tǒng)

蔡紹博 張軍 徐歡 蔡紹碩

摘? ? 要：基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)大棚燈光控制與害蟲誘殺系統(tǒng)，利用傳感器檢測(cè)溫室大棚的光照強(qiáng)度及溫濕度數(shù)值等環(huán)境參數(shù)，連接傳感器與單片機(jī)，通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)環(huán)境終端控制。當(dāng)光照度數(shù)值低于設(shè)定的閾值時(shí)，單片機(jī)通過繼電器開啟照明燈光與誘蟲燈光，為誘蟲燈光外圍的高壓電網(wǎng)供電，達(dá)到滅殺害蟲的目的。文章介紹了大棚燈光控制與害蟲誘殺技術(shù)及其設(shè)計(jì)，以供參考。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);農(nóng)業(yè)大棚;燈光控制;害蟲誘殺

文章編號(hào)：1005-2690（2022）07-0104-04? ? ? ?中國(guó)圖書分類號(hào)：S477? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

近年來，隨著國(guó)內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、5G通信技術(shù)以及IPV6的興起，利用傳感器及傳感網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的智能檢測(cè)已經(jīng)成為主流。在大規(guī)模溫室大棚農(nóng)業(yè)中，使用光控等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效集約化種植已較為普遍。應(yīng)用現(xiàn)代智能化農(nóng)業(yè)技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)加速發(fā)展具有重要意義。

1 大棚燈光控制與害蟲誘殺技術(shù)說明

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚燈光控制與害蟲誘殺系統(tǒng)，主要運(yùn)用傳感器環(huán)境檢測(cè)技術(shù)、CC2530單片機(jī)技術(shù)、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、Cortex-A9嵌入式網(wǎng)關(guān)技術(shù)、燈光誘蟲技術(shù)以及害蟲滅殺技術(shù)。終端通過傳感器檢測(cè)環(huán)境參數(shù)，傳感器是能夠感受規(guī)定的被測(cè)量，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，利用物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、生物效應(yīng)，把被測(cè)的物理量、化學(xué)量、生物量等轉(zhuǎn)換成符合需要的電量。傳感器通過IO口與單片機(jī)連接，將檢測(cè)到的參數(shù)發(fā)送到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

CC2530單片機(jī)是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，能夠以非常低的總材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過RF收發(fā)器實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸。CC2530單片機(jī)通過IO口接收來自傳感器的環(huán)境參數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的打包處理，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，通過對(duì)單片機(jī)代碼的燒錄設(shè)置環(huán)境參數(shù)的閾值，實(shí)現(xiàn)終端自動(dòng)控制并設(shè)置控制指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

ZigBee技術(shù)是一組基于IEEE802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的，有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，主要用于近距離、復(fù)雜度低、功耗低的雙向無線通信。通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)器自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)，終端的CC2530單片機(jī)掃描并加入網(wǎng)絡(luò)，雙向傳輸數(shù)據(jù)。

Cortex-A9嵌入式網(wǎng)關(guān)技術(shù)是一種新型的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)技術(shù)解決方案。Cortex-A9處理器能與其他Cortex系列處理器以及廣受歡迎的ARM MPCore技術(shù)兼容，因此能夠很好地延用包括操作系統(tǒng)/實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（OS/RTOS）、中間件及應(yīng)用在內(nèi)的豐富生態(tài)系統(tǒng)，從而減少采用全新處理器所需的成本。通過首次利用關(guān)鍵微體系架構(gòu)方面的改進(jìn)，Cortex-A9處理器提供了具有高擴(kuò)展性和高功耗效率的解決方案。

燈光誘蟲技術(shù)是指通過昆蟲對(duì)不同波段光波的趨性不同這一特性，利用不同波段的光譜對(duì)昆蟲進(jìn)行分類滅殺。傳統(tǒng)的滅蟲技術(shù)主要通過化學(xué)農(nóng)藥對(duì)害蟲進(jìn)行滅殺，但農(nóng)藥很難被降解，所以對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞較大。隨著藥劑使用頻率的提高，害蟲會(huì)產(chǎn)生一定的抗藥性，影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)。在新型技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，更多相關(guān)人員通過物理手段防治害蟲，減少對(duì)環(huán)境的污染[1]。

2 大棚燈光控制與害蟲誘殺系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)以單片機(jī)為核心，通過連接光照度傳感器檢測(cè)光照度參數(shù)，連接溫濕度傳感器檢測(cè)溫濕度;單片機(jī)通過代碼進(jìn)行控制，設(shè)置環(huán)境參數(shù)的閾值，當(dāng)傳感器檢測(cè)到的參數(shù)達(dá)到閾值時(shí)自動(dòng)觸發(fā)控制系統(tǒng)。終端單片機(jī)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)利用Z-stack協(xié)議棧傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器通過SPI接口與嵌入式網(wǎng)關(guān)連接，將數(shù)據(jù)發(fā)送到嵌入式網(wǎng)關(guān)。嵌入式網(wǎng)關(guān)以Cortex-A9結(jié)構(gòu)的處理器為網(wǎng)關(guān)核心，通過搭載控制觸摸屏實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)對(duì)終端設(shè)備的控制。同時(shí)，利用網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)通信模塊遠(yuǎn)程發(fā)送數(shù)據(jù)，使用戶終端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

硬件設(shè)計(jì)分為終端燈光控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、害蟲滅殺節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)為L(zhǎng)inux嵌入式軟件編程，如圖1所示，該系統(tǒng)具備以下功能。

1） 環(huán)境光感監(jiān)測(cè)。利用OPT3001傳感器檢測(cè)溫室大棚的光照度參數(shù)，利用DHT11傳感器檢測(cè)溫室大棚的溫濕度參數(shù)。傳感器通過IO口與單片機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)溫室大棚光照度參數(shù)的采集與傳輸。

2） 燈光自動(dòng)控制。燈光的控制根據(jù)控制方式分為終端自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程智能控制;根據(jù)燈光的用途分為作物光合燈光控制和誘蟲燈光控制。終端自動(dòng)控制功能通過對(duì)終端單片機(jī)進(jìn)行代碼燒錄，設(shè)置光照度參數(shù)閾值，當(dāng)傳感器檢測(cè)到的光照度參數(shù)與設(shè)置的閾值不匹配時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)單片機(jī)對(duì)燈光繼電器的控制，實(shí)現(xiàn)燈光自動(dòng)控制功能。遠(yuǎn)程智能控制接收來自用戶端的控制命令，終端對(duì)協(xié)調(diào)器接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，通過不同的控制指令實(shí)現(xiàn)不同的燈光控制功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

3） 作物光合燈光控制。當(dāng)光照度低于一定參數(shù)時(shí)，單片機(jī)自動(dòng)開啟照明系統(tǒng)，也可以通過開發(fā)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的嵌入式軟件進(jìn)行智能控制。光強(qiáng)度和濕度主要影響光合作用的光反應(yīng)，溫度影響酶活性主要影響暗反應(yīng)。通過檢測(cè)到的溫濕度開啟最適合植物生長(zhǎng)的照明燈光，提高植物的光合作用，以此促進(jìn)植物生長(zhǎng)。誘蟲燈光控制通過單片機(jī)控制，當(dāng)光照傳感器檢測(cè)到光照過低時(shí)，開啟作物光合作用燈光和誘蟲燈誘殺害蟲。

4） 害蟲滅殺功能。通過誘蟲燈引誘害蟲，然后使用電網(wǎng)將其滅殺。據(jù)研究，不同夜行性昆蟲對(duì)不同波段光波的趨性不同，根據(jù)昆蟲的這一特性，利用單片機(jī)在不同季節(jié)及天氣開啟不同波段燈光引誘害蟲。通過高壓電網(wǎng)滅殺害蟲，在誘蟲燈外圍加裝高壓電網(wǎng)，當(dāng)害蟲向誘蟲燈趨向性飛行時(shí)，觸碰到高壓電網(wǎng)即可完成對(duì)害蟲的滅殺。

5） 無線傳輸功能。由ZigBee終端距離無線傳輸和Wlan遠(yuǎn)距離無線通信兩部分組成。智能終端節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)之間通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線傳輸，使用Z-Stack協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸;網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與云服務(wù)器之間通過WiFi網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，利用SimpleLink CC3200 MCU的WiFi網(wǎng)絡(luò)處理模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。

6） 網(wǎng)關(guān)控制功能。以Cortex-A9結(jié)構(gòu)的處理器為嵌入式網(wǎng)關(guān)的核心，搭載控制觸摸屏，通過Linux嵌入式開發(fā)進(jìn)行界面開發(fā)和控制操作。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)器向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令，終端節(jié)點(diǎn)對(duì)指令進(jìn)行判斷，并作出相應(yīng)的控制操作。

2.2 系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)以單片機(jī)為核心，通過傳感器采集環(huán)境參數(shù)，通過連接繼電器控制溫室大棚的燈光以及害蟲滅殺設(shè)備的開關(guān)，使用ZigBee通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，如圖2所示。單片機(jī)采用CC2530單片機(jī)，主要由CPU和內(nèi)存、時(shí)鐘和電源模塊、外設(shè)以及無線設(shè)備組成。CC2530單片機(jī)的工作電壓在2～3.6 V，電源模塊通過電池對(duì)整個(gè)終端節(jié)點(diǎn)供電，摒棄傳統(tǒng)的電源布線，整個(gè)系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔。通過傳感器模組檢測(cè)環(huán)境參數(shù)，光照度傳感器檢測(cè)溫室大棚光照度，溫濕度傳感器檢測(cè)溫室大棚溫濕度。

作物照明設(shè)備和害蟲滅殺設(shè)備通過繼電器與單片機(jī)相連。作物照明設(shè)備包括450 nm的藍(lán)光LED和660 nm的紅光LED，可控制植物從發(fā)芽到營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)再到開花的整個(gè)過程。害蟲滅殺設(shè)備包括誘蟲燈和高壓電網(wǎng)，高壓電網(wǎng)包裹在誘蟲燈的外圍。通過對(duì)單片機(jī)進(jìn)行代碼燒錄實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，單片機(jī)根據(jù)檢測(cè)到的光照度判斷是否打開照明設(shè)備，根據(jù)檢測(cè)到的溫濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)作物照明設(shè)備。誘蟲燈通過單片機(jī)獲取到的光照度參數(shù)自動(dòng)開啟，根據(jù)不同害蟲出沒的時(shí)間段及季節(jié)性對(duì)單片機(jī)進(jìn)行代碼燒錄。在對(duì)應(yīng)的時(shí)間段開啟相應(yīng)的誘蟲燈光，同時(shí)開啟高壓電網(wǎng)，電網(wǎng)由不銹鋼方形豎網(wǎng)連接，豎絲直徑2 mm，電網(wǎng)電壓6 KV±500 V，設(shè)有電網(wǎng)過流短路保護(hù)裝置。當(dāng)溫濕度傳感器檢測(cè)到的空氣濕度大于95%時(shí)，高壓電網(wǎng)自動(dòng)斷電，避免因?yàn)榭諝鈸舸?，造成電路短路以及人體觸電。代碼通過時(shí)鐘模塊計(jì)時(shí)，每5 s觸發(fā)1次環(huán)境參數(shù)的發(fā)送函數(shù)，通過ZigBee通信模塊無線傳輸數(shù)據(jù)，使用Z-Stack協(xié)議棧通信，實(shí)現(xiàn)多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，并且利用RF收發(fā)器擴(kuò)大ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通信范圍[2]。

2.3 系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)由ZigBee協(xié)調(diào)器和Cortex-A9結(jié)構(gòu)的嵌入式網(wǎng)關(guān)兩部分組成。以CC2530單片機(jī)作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，通過BSB接口與Cortex-A9網(wǎng)關(guān)連接，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的供電，供電電壓為2～3.6 V。通過ZigBee通信模塊接收來自終端節(jié)點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到8051MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到Cortex-A9網(wǎng)關(guān)。Cortex-A9網(wǎng)關(guān)主要由核心處理器、電源模塊、時(shí)鐘模塊、復(fù)位模塊、接口模塊、GPRS模塊、Wlan模塊以及控制觸摸屏組成，使用固定電源供電。

Cortex-A9網(wǎng)關(guān)采用Samsung Exynos 4412處理器，是一款四核A9架構(gòu)的設(shè)計(jì)，4個(gè)核心中每個(gè)核心的運(yùn)行頻率都有1.4 GHz，最高可達(dá)1.6 GHz，運(yùn)算能力達(dá)到2 000 DMIPS。通過接口模塊USB接口與協(xié)調(diào)器進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，獲取協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)。時(shí)鐘模塊具有內(nèi)部振蕩器的40.0 MHz晶振，通過計(jì)數(shù)器定時(shí)觸發(fā)函數(shù)，通過控制觸摸屏顯示數(shù)據(jù)，通過Android應(yīng)用開發(fā)顯示終端節(jié)點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)及向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令，使用存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)環(huán)境參數(shù)。GPRS模塊以及Wlan模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程發(fā)送，用戶可以通過遠(yuǎn)程設(shè)備查看及控制，如圖3所示。

2.4 遠(yuǎn)程控制節(jié)點(diǎn)

采用B/S架構(gòu)，用戶端通過網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通信，如圖4所示。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)小型本地服務(wù)器，用戶端通過訪問瀏覽器，實(shí)時(shí)獲取網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，控制終端作物照明設(shè)備和害蟲滅殺設(shè)備的開啟。

3 大棚燈光控制與害蟲誘殺系統(tǒng)測(cè)試

測(cè)試過程主要有自動(dòng)控制功能測(cè)試、ZigBee通信測(cè)試，害蟲滅殺測(cè)試以及網(wǎng)關(guān)控制測(cè)試。

自動(dòng)控制功能測(cè)試使用模擬法測(cè)試，通過人工改變環(huán)境參數(shù)測(cè)試終端節(jié)點(diǎn)是否會(huì)做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)。對(duì)光照度傳感進(jìn)行物理遮蓋，當(dāng)光照度數(shù)值降低到設(shè)定參數(shù)的2 000 Lx時(shí)，溫室燈光自動(dòng)開啟;對(duì)溫濕度傳感器進(jìn)行霧溉測(cè)試，當(dāng)空氣濕度達(dá)到90%時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉電網(wǎng)供電，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

ZigBee通信誤碼率測(cè)試是指對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端與協(xié)調(diào)器之間通信數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性測(cè)試，分別進(jìn)行有障礙和無障礙通信測(cè)試。在空曠環(huán)境下有效通信距離為120 m，在有障礙物的環(huán)境下通信距離為100 m，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

通過使用不同燈光進(jìn)行害蟲誘殺測(cè)試，分別為黑光燈、紅光燈、綠光燈、黃光燈，在燈光外圍布置高壓電網(wǎng)，工作電網(wǎng)電壓為6 KV±500 V。測(cè)試可得出半翅目昆蟲和直翅目昆蟲對(duì)黑光燈的趨性最強(qiáng)，雙翅目昆蟲對(duì)紅光燈趨性最強(qiáng)，同翅目昆蟲對(duì)黃光燈的趨性最強(qiáng)，鱗翅目昆蟲對(duì)綠光燈的趨性最強(qiáng)，并且滅殺效果均達(dá)到80%以上，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

4 結(jié)束語

通過研究傳感器技術(shù)、CC2530單片機(jī)、Cortex-A9嵌入式技術(shù)以及害蟲的趨光性，完成基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)大棚燈光控制與害蟲誘殺系統(tǒng)。本系統(tǒng)能夠根據(jù)作物的生長(zhǎng)特點(diǎn)自動(dòng)調(diào)節(jié)溫室大棚的光照強(qiáng)度，可以根據(jù)害蟲出沒的季節(jié)及時(shí)間段開啟對(duì)應(yīng)的誘蟲燈光，針對(duì)性誘殺害蟲。終端實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制后，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可以遠(yuǎn)程控制，通過觸摸屏觀測(cè)數(shù)據(jù)及發(fā)送控制指令，并且使用B/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端控制。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)大棚燈光控制與害蟲誘殺系統(tǒng)能通過改變終端節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)傳感器，分級(jí)分層管理獲取的空間參數(shù)，實(shí)現(xiàn)更多的智能控制功能。這足以證明該系統(tǒng)涵蓋性高，采用的新方法、新思路不僅可以實(shí)現(xiàn)溫室大棚環(huán)境參數(shù)的智能調(diào)節(jié)和遠(yuǎn)程操作，還可以廣泛運(yùn)用于其他環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯：王雨荷）