基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)害蟲識別監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)＊

西安思源學(xué)院電子信息工程學(xué)院 楊林哲 高歡 任孟然 劉環(huán)瑞 張娓娓 趙金龍

我國每年農(nóng)業(yè)病蟲害頻發(fā)，給農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)造成了不可估量損失。因此，迫切需要采取有效的措施手段。為了進(jìn)行有效控制，必須對農(nóng)業(yè)害蟲進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警。然而，傳統(tǒng)的病蟲害防治方法不能有效地保護(hù)作物的正常生長，因此需要研究更有效、更智能的防治方法來應(yīng)對[1]。為了推動我國農(nóng)業(yè)發(fā)展走上智慧農(nóng)業(yè)的新路線，基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)害蟲監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與單片機(jī)技術(shù)相結(jié)合。在底層硬件中，物聯(lián)網(wǎng)傳感器將被用來取代人體的視覺感官，以實(shí)現(xiàn)更高效的監(jiān)控，更早的發(fā)現(xiàn)害蟲，及時(shí)的預(yù)警，科學(xué)的防治害蟲，減少農(nóng)藥的使用，保障糧食安全。同時(shí)提高害蟲檢測的準(zhǔn)確性，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，減少人力消耗，提高作物產(chǎn)量。

本文突破傳統(tǒng)人工農(nóng)業(yè)害蟲監(jiān)測治理的方法，以常見農(nóng)作物害蟲為研究對象，實(shí)現(xiàn)了害蟲圖像采集、害蟲圖像精準(zhǔn)識別、害蟲監(jiān)測以及害蟲預(yù)警等功能。作物害蟲的圖像采集和識別有助于遠(yuǎn)程獲取每個(gè)采集點(diǎn)害蟲誘捕器的害蟲狀況[1]，從而精確的監(jiān)控預(yù)警，能夠使農(nóng)業(yè)工作者實(shí)現(xiàn)對農(nóng)田各個(gè)采集點(diǎn)的蟲情情況進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)掌握蟲情動態(tài)。能夠高效的、及時(shí)的感知蟲情變化并做出應(yīng)對措施，減少各類資源的消耗，使農(nóng)業(yè)工作者實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)、更科學(xué)化的決策和管理，對我國農(nóng)業(yè)走向更智能化方向具有十分重要的意義。

1 研究背景

回顧黨的十九屆五中全會審議通過的《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》。《建議》第七方面對我國“三農(nóng)”發(fā)展提出了長遠(yuǎn)謀略，并提供了更優(yōu)的行動指南。優(yōu)先發(fā)展農(nóng)業(yè)和農(nóng)村，全面促進(jìn)農(nóng)村振興，提升農(nóng)業(yè)質(zhì)量、效益和競爭力，強(qiáng)調(diào)適應(yīng)保障國計(jì)民生的需求，以保障我國糧食安全為底線，完善農(nóng)產(chǎn)品支持保障機(jī)制，深化農(nóng)業(yè)革新，鞏固和擴(kuò)張扶貧成果。建設(shè)智慧農(nóng)業(yè)需要增強(qiáng)農(nóng)業(yè)科技裝備支持，提高農(nóng)作物品種改良水平，完善動物防疫以及農(nóng)作物病蟲害防治體系。

我國作為一個(gè)擁有5000多年悠久歷史的農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略占據(jù)重要的地位，在農(nóng)業(yè)發(fā)展中，農(nóng)作物病蟲害是我國主要農(nóng)業(yè)災(zāi)害之一，危害嚴(yán)重且防治難度大，嚴(yán)重制約了我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。由于傳統(tǒng)的捕蟲計(jì)數(shù)工作量大、效率低，難以有效地檢測復(fù)雜的作物害蟲。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)在害蟲檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)成為一個(gè)重要的研究方向。

通過調(diào)查農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測措施的現(xiàn)狀，比較分析傳統(tǒng)監(jiān)測措施和先進(jìn)信息技術(shù)措施相結(jié)合的監(jiān)測方法[3]，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，引入深度學(xué)習(xí)算法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)害蟲監(jiān)測系統(tǒng)[4]。為了給農(nóng)作物種植者提供一種智能化的監(jiān)測手段，提高監(jiān)測效率，更及時(shí)地預(yù)防作物害蟲，本研究對實(shí)現(xiàn)更加高效的害蟲監(jiān)測具有重要意義和價(jià)值。

2 研究意義

健全農(nóng)作物病蟲害防治體系，建設(shè)智慧農(nóng)業(yè)，響應(yīng)國家十四五規(guī)劃。智慧農(nóng)業(yè)也是對國家大力發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)政策的回應(yīng)，智慧農(nóng)業(yè)的建設(shè)與發(fā)展受到國家的高度重視。與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，它具有高質(zhì)量、高品質(zhì)、高效的優(yōu)勢。智慧農(nóng)業(yè)采用無人化、信息化、科學(xué)化的生產(chǎn)方式進(jìn)行。為此，設(shè)計(jì)一套全天候無人值守的農(nóng)田病蟲害遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，是農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展的必由之路。

本論文“基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)害蟲監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)”將計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與單片機(jī)技術(shù)相結(jié)合，在底層硬件中物聯(lián)網(wǎng)傳感器將被用來取代人類的視覺感官，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工監(jiān)管，更早的發(fā)現(xiàn)害蟲及時(shí)預(yù)警，科學(xué)的防治害蟲，減少農(nóng)藥的使用，保障糧食安全，提高害蟲檢測準(zhǔn)確率的同時(shí)減少人力，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)率。

本系統(tǒng)采用單片機(jī)傳感器視頻監(jiān)控技術(shù)，以手機(jī)微信小程序的形式運(yùn)營，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境之中，與智慧農(nóng)業(yè)的浪潮接軌，為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供便利，具有深刻的實(shí)用性和社會價(jià)值意義。

3 項(xiàng)目研究與開發(fā)的技術(shù)路線

本項(xiàng)目的系統(tǒng)開發(fā)內(nèi)容與開發(fā)技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)開發(fā)內(nèi)容和技術(shù)路線Fig.1 System development content and technical route

（1）查閱和分析國內(nèi)外有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的文獻(xiàn)。

（2）進(jìn)行本系統(tǒng)的相關(guān)需求分析并總結(jié)系統(tǒng)開發(fā)的核心技術(shù)。

（3）對本系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)流分析，進(jìn)行功能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)，致力于系統(tǒng)整體架構(gòu)的構(gòu)建。

（4）搭建本系統(tǒng)開發(fā)的軟硬件環(huán)境，并進(jìn)行數(shù)據(jù)初始化操作，確保環(huán)境的正常工作。

（5）完成系統(tǒng)原型功能的測試和開發(fā)，評估和糾正運(yùn)行結(jié)果。如果測試合格，則完成整個(gè)系統(tǒng)；如果測試失敗，將返回系統(tǒng)進(jìn)行重新的開發(fā)。

4 系統(tǒng)研究內(nèi)容

本系統(tǒng)在高科技農(nóng)業(yè)背景的基礎(chǔ)上，用單片機(jī)和攝像頭配合使用技術(shù)，與云平臺和手機(jī)微信小程序的形式運(yùn)營，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境之中[5]。具體研究內(nèi)容如下。（1）如何實(shí)時(shí)監(jiān)測農(nóng)田害蟲數(shù)據(jù)信息；（2）以單片機(jī)技術(shù)為核心，如何設(shè)計(jì)單片機(jī)與傳感器的接口電路和軟件；（3）以WiFi技術(shù)為核心，如何設(shè)計(jì)發(fā)送和接收電路，將檢測的數(shù)據(jù)發(fā)送給微信小程序；（4）如何在微信小程序和云平臺獲取到害蟲監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)；（5）如何利用微信小程序和云平臺遠(yuǎn)程監(jiān)控預(yù)警。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以單片機(jī)為主控制下的核心，結(jié)合單片機(jī)（MCU）/微信小程序（Wechat Applet）/云平臺（Cloud Platform）模式的應(yīng)用開發(fā)，主要包括微信小程序、遠(yuǎn)端服務(wù)器和深度學(xué)習(xí)算法。采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式（基于Caffe框架）對深度學(xué)習(xí)識別模型進(jìn)行模型訓(xùn)練，并在遠(yuǎn)端服務(wù)器中加入相應(yīng)的動態(tài)鏈接庫依賴項(xiàng)，然后通過本地接口實(shí)現(xiàn)模型的使用。通過單片機(jī)與攝像頭模塊對環(huán)境中的害蟲進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控以及圖像抓取，然后通過單片機(jī)處理后通過WiFi模塊傳輸?shù)皆破脚_進(jìn)行實(shí)時(shí)高效的識別檢測，最后展示在微信小程序或者云平臺上對害蟲信息進(jìn)行展示以及害蟲預(yù)警，便于用戶數(shù)據(jù)觀察，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，達(dá)到早發(fā)現(xiàn)早預(yù)警早防治的目的。本系統(tǒng)的研究路線如圖2所示。

圖2 技術(shù)研究路線Fig.2 Technology research route

5 項(xiàng)目硬件基礎(chǔ)與數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)主控模塊采用STM32F103C8T6芯片。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，需要使用模塊的串口1、串口2、LED、JTAG、3.3v、5v引線等基本外設(shè)。串口1主要負(fù)責(zé)程序調(diào)試并與外部模塊進(jìn)行通信，直到各個(gè)模塊能夠完成項(xiàng)目的基本功能。將程序下載到STM32開發(fā)板，并主要通過Jlink仿真器連接JTAG提供的第7和第9引腳。連接過程中，應(yīng)要認(rèn)真對照著芯片原理圖來進(jìn)行，以防止接錯(cuò)線造成短路損壞模塊。STM32電路圖如圖3所示。

圖3 STM32電路圖Fig.3 STM32 circuit diagram

本系統(tǒng)中使用的攝像機(jī)主要分為數(shù)碼攝像機(jī)和OV7670攝像頭模塊。數(shù)碼攝像頭可以直接進(jìn)行圖像捕獲，然后將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并存儲在計(jì)算機(jī)中。我們這里主要涉及PC攝像頭，它的主流是帶USB接口的數(shù)碼攝像頭。攝像頭內(nèi)部需要兩個(gè)工作電壓：3.3V和2.5V。最新的技術(shù)芯片是1.8V。OV7670是OV（OmniVision）公司生產(chǎn)的CMOS VGA圖像傳感器。該傳感器具有體積小、能耗低、提供單片VGA攝像機(jī)和圖像處理器的全部功能的優(yōu)點(diǎn)。該產(chǎn)品VGA圖像最高達(dá)到30幀/秒，用戶可以完全控制圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式。

系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸功能通過ESP8266模塊進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，用戶可以在傳輸模塊的使用過程中快捷地添加聯(lián)網(wǎng)功能，使其成為一個(gè)完整的數(shù)據(jù)傳輸模塊，盡而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的信息傳輸。此外，其CPU支持低頻32位數(shù)據(jù)傳輸和處理，并能與各種相關(guān)模塊處理器很好地兼容。ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換功能在內(nèi)部集成，各種UART/GPIO/IIC/PWM/ADC/HSPI接口也支持其模塊上的格式傳輸。在長期的使用過程中我們需要不斷的對版本進(jìn)行升級，使用戶獲得更好的體驗(yàn)，為此系統(tǒng)將采用遠(yuǎn)程固態(tài)或本地升級等模式。ESP8266具體電路圖如圖4所示。

圖4 ESP8266具體電路圖Fig.4 ESP8266 specific circuit diagram

本系統(tǒng)主要是通過提供的整個(gè)模塊3.3V直流電源的正常工作。為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的通電和整個(gè)電路的完成，系統(tǒng)整體電路供電采用USB數(shù)據(jù)線供電或者采用簡單的電池組進(jìn)行供電。

在整個(gè)數(shù)據(jù)的處理過程中，首先通過STM32單片機(jī)、OV7670攝像頭模塊、無線傳輸模塊對引腳信息進(jìn)行初始化，從而促進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)的自測試工作。

當(dāng)無線傳輸模塊執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)置時(shí)，傳輸模塊可以通過發(fā)送AT對應(yīng)的指令來執(zhí)行相應(yīng)的初始化配置操作，并且通過相應(yīng)的TCP協(xié)議打開網(wǎng)絡(luò)通道。以便于手機(jī)能夠連接到WiFi模塊進(jìn)行相應(yīng)的后續(xù)數(shù)據(jù)傳輸。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行到這塊的時(shí)候功能已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了。工作具體流程如圖5所示。

圖5 工作具體流程圖Fig.5 Work specific flow chart

6 項(xiàng)目系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)分為3個(gè)子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、后臺管理系統(tǒng)。采用微信小程序的形式是因?yàn)樗且豢顭o需下載和安裝即可使用的應(yīng)用程序，快捷方便實(shí)用性更強(qiáng)。系統(tǒng)的總體框架如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖Fig.6 Overall design of the system

項(xiàng)目使用Java后端開發(fā)實(shí)現(xiàn)在服務(wù)器上執(zhí)行。采用模塊化設(shè)計(jì)，同時(shí)分別構(gòu)建數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和后臺系統(tǒng)。對系統(tǒng)進(jìn)行多次測試，保證后臺系統(tǒng)在運(yùn)行中不會發(fā)生問題[6]，實(shí)時(shí)接收云平臺發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將其儲存在數(shù)據(jù)庫中。

項(xiàng)目客戶端App設(shè)計(jì)界面以簡潔風(fēng)格為主導(dǎo)，分為個(gè)人中心和功能選擇這兩個(gè)部分。個(gè)人中心部分是用戶登錄App后，可以查看歷史操作等信息。功能部分是指軟件功能的實(shí)現(xiàn)部分，包括實(shí)時(shí)監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)、歷史圖表、報(bào)警信息、遠(yuǎn)程控制等功能。

引用

[1] 李想.基于物聯(lián)網(wǎng)的蟲情監(jiān)測系統(tǒng)[D].北京:北京林業(yè)大學(xué),2019.

[2] 王曉敏,鄧春景.基于“物聯(lián)網(wǎng)+”背景的我國智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展策略與路徑[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2017(16):312-315.

[3] 王海宏,周衛(wèi)紅,李建龍,等.我國智慧農(nóng)業(yè)研究現(xiàn)狀?問題與發(fā)展趨勢[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2016(17):279-282.

[4] 彭元堃,楊艷,楊瑋,等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2020(19):257-265.

[5] 朱丹,楊淑婷,張建華.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)云平臺[J].寧夏農(nóng)林科技,2020(5):58-59.

[6] 陸林峰,管孝峰,黃海龍,等.基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用平臺構(gòu)建[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué),2020,61(7):1455-1457.