物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)智能捕鼠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙文旻

（上海農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海 201600）

鼠害是影響中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的生物災(zāi)害之一，同時(shí)給人們的生活、畜舍、倉儲(chǔ)等帶來不良的影響，目前害鼠防治主要依賴化學(xué)藥物和機(jī)械捕鼠，雖然可以減少害鼠造成的損失，但同時(shí)也會(huì)帶來抗性產(chǎn)生、次要害鼠暴發(fā)、耐藥種群形成、生態(tài)污染等問題。

針對(duì)上述問題，利用害鼠棲息空間分布為聚集分布的特點(diǎn)，在害鼠主要棲息地布放捕鼠器，捕鼠器上安裝可檢測(cè)害鼠的傳感器，工作人員可以通過PC 端云平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)捕鼠器狀態(tài)。如果捕捉到老鼠，工作人員可及時(shí)對(duì)捕鼠器進(jìn)行清除和復(fù)位，方便捕鼠器再次使用；對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間未捕捉到老鼠的捕鼠器進(jìn)行位置更換，尋找新的捕捉地點(diǎn)，提升其使用效率，解決鼠害調(diào)查工具不統(tǒng)一、時(shí)間不統(tǒng)一，傳統(tǒng)調(diào)查方法勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，同時(shí)將布放在不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的捕鼠器收集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至中央服務(wù)器進(jìn)行記錄和分析，建立捕鼠決策，為從根本上杜絕害鼠奠定基礎(chǔ)。

1 設(shè)計(jì)原則

1.1 安全性和可靠性

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要為操作系統(tǒng)、軟件等設(shè)置權(quán)限，確保系統(tǒng)能夠經(jīng)受有效性和安全性方面的考驗(yàn)。另外要充分考慮前端設(shè)備的工作環(huán)境，智能捕鼠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可能布設(shè)在樓宇里，也可能布設(shè)在園區(qū)或野外，需要硬件設(shè)備具備較高可靠性來對(duì)抗不可預(yù)測(cè)的惡劣戶外環(huán)境，同時(shí)要滿足24 h 不間斷的工作要求。

除了軟硬件設(shè)備的安全性和可靠性外，還要重點(diǎn)考慮監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的安全性及可靠性，主要體現(xiàn)在傳感器監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度和遠(yuǎn)程通訊水平方面。

1.2 開放性和可擴(kuò)展性

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循模塊化思想，使各功能模塊能夠最大限度保持相對(duì)的獨(dú)立性和靈活性，軟件、硬件要都能夠滿足系統(tǒng)升級(jí)或功能模塊增減的需求。

2 系統(tǒng)功能

2.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)對(duì)象為捕鼠夾，因此可以按照一定的時(shí)間周期上傳捕鼠器的狀態(tài)信息，同時(shí)可以結(jié)合直觀的地理信息系統(tǒng)圖，對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)的前端設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理維護(hù)。

2.2 自動(dòng)預(yù)警

系統(tǒng)可以預(yù)先設(shè)定報(bào)警規(guī)則，或預(yù)先設(shè)計(jì)自檢元件，如遇到供電電池電量低于設(shè)定閾值、無線通訊斷開等情況，將報(bào)警信息發(fā)送到監(jiān)測(cè)中心或相關(guān)人員的移動(dòng)客戶端上，便于管理人員及時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)。

2.3 統(tǒng)計(jì)分析

通過對(duì)系統(tǒng)積累的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可查找到害鼠出沒頻繁地域，分析出害鼠窩穴，從根本上滅鼠，提升機(jī)械捕鼠的效率。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在捕鼠場(chǎng)景中，通過傳感器的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和可靠的無線通訊方式傳輸，將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信息通過云平臺(tái)獲得有關(guān)害鼠活動(dòng)及捕鼠器狀態(tài)的實(shí)時(shí)信息，可以控制捕鼠器，并追蹤老鼠的具體方位，進(jìn)行高效率滅鼠，降低人工成本，提升工作效率。

系統(tǒng)整體由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層3 部分構(gòu)成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。圖中給出了3 種無線通訊技術(shù)，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)智能捕鼠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 前端設(shè)備設(shè)計(jì)

系統(tǒng)前端設(shè)備（捕鼠盒）如圖2 所示，內(nèi)置終端捕鼠器（鼠夾）、微控制單元（MCU）、傳感器、通訊模組、電源等模塊，捕鼠盒的設(shè)計(jì)要符合老鼠的生理特點(diǎn)，如設(shè)計(jì)洞型通道引導(dǎo)鼠類進(jìn)入，并在通道中放置誘餌捕鼠器，其他電子模塊要與鼠類活動(dòng)空間隔離，避免損壞器件。

圖2 系統(tǒng)捕鼠盒

系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)對(duì)象為捕鼠夾，除了正常情況下捕捉到老鼠是閉合的狀態(tài)外，鼠夾有可能由于其他原因而閉合，一旦鼠夾閉合，捕鼠系統(tǒng)必須及時(shí)發(fā)送警報(bào)，進(jìn)行人工復(fù)位，以提升捕鼠效率。監(jiān)測(cè)鼠夾閉合的過程，實(shí)際上就是鼠夾開閉角度變化的過程，所以傳感器的選擇尤為重要。

3.1.1 傾角傳感器

傾角傳感器用來測(cè)量相對(duì)于水平面的傾角變化量，一般可分為單軸和雙軸2 類，單軸傾角傳感器只能測(cè)量繞一個(gè)軸產(chǎn)生的角度變化，雙軸可以測(cè)量相對(duì)于2 個(gè)軸的角度變化。因此，傾角傳感器可以水平安裝也可以垂直安裝，根據(jù)安裝方式不同，單軸和雙軸傾角傳感器測(cè)量的角度也不同。雙軸可以測(cè)量翻轉(zhuǎn)和俯仰角；而單軸在選擇水平安裝時(shí)只能測(cè)翻轉(zhuǎn)角或俯仰角，如果單軸選擇垂直安裝就只能測(cè)翻轉(zhuǎn)角，無法測(cè)量俯仰角。目前市場(chǎng)上單軸傾角傳感器居多，并且測(cè)量精度高，其工作原理如圖3 所示。

在初速度已知的情況下，可以通過積分的方法得出線速度，進(jìn)而求得其直線位移，因此傾角傳感器實(shí)際上是一種利用慣性原理的加速度傳感器，當(dāng)傾角傳感器靜止時(shí)，側(cè)面和垂直方向沒有加速度作用，只有重力加速度，重力垂直軸與加速度靈敏軸之間的夾角就是傾斜角。如圖3 所示，當(dāng)傾角傳感器發(fā)生角度傾斜時(shí)，重力加速度沿斜面的分量為Ax，在X方向產(chǎn)生θ的角度，重力加速度為1g，根據(jù)三角函數(shù)的關(guān)系得出θ=arcsin(Ax/1g)，由此可推算出傾斜的角度。

圖3 單軸傾角傳感器原理圖

當(dāng)然對(duì)于本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)鼠夾是否閉合不必精確到具體的角度值，市面上也有許多傾斜傳感器輸出是開關(guān)量，其閾值也可以人為確定，滿足鼠夾狀態(tài)監(jiān)測(cè)要求。

話又說回來，如果你沒有一顆大心臟，沒有足夠的知識(shí)儲(chǔ)備和超乎眾人的智商，沒有強(qiáng)健的體魄，就不要盲目地拓寬、經(jīng)營自己的人生斜杠。與其花費(fèi)大量的時(shí)間與精力去挖許多淺井，何如花同樣的時(shí)間、精力，去挖一口深井？

3.1.2 傾斜滾珠開關(guān)

傾斜滾珠開關(guān)是一種機(jī)械式感應(yīng)開關(guān)，精度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及傾角傳感器，但是其優(yōu)點(diǎn)為微型、低功耗、性價(jià)比高、功能單一穩(wěn)定，在生活中應(yīng)用十分普遍，型號(hào)種類也十分豐富。以常開型YT-JM-ODX200TP 傾斜滾珠開關(guān)（如圖4 所示）為例，其原理如圖5 所示。

圖4 常開型YT-JM-ODX200TP 傾斜滾珠開關(guān)

圖5 YT-JM-ODX 內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

當(dāng)傾斜滾珠開關(guān)水平放置時(shí)，呈常開狀態(tài)（電路處于斷開狀態(tài)），金屬滾珠被限位臺(tái)階限位而完全置于凹槽形容腔內(nèi)，金屬滾珠與導(dǎo)電凸點(diǎn)不接觸，傾斜滾珠開關(guān)處于斷開狀態(tài)；當(dāng)傾斜滾珠開關(guān)傾斜時(shí)，金屬滾珠根據(jù)傾斜的角度要求從凹槽形容腔中滾動(dòng)露出與導(dǎo)電凸點(diǎn)接觸，傾斜滾珠傳感開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)，起到觸發(fā)電路的功能，滿足使用需要。

上述2 種傾斜傳感器都能夠有效監(jiān)測(cè)出鼠夾的閉合狀態(tài)，但是使用時(shí)對(duì)鼠夾的放置狀態(tài)有一定的要求，適用于方便水平或垂直放置系統(tǒng)前端設(shè)備的場(chǎng)景，比如農(nóng)田、樓宇、倉庫等。對(duì)于相對(duì)復(fù)雜惡劣的監(jiān)測(cè)環(huán)境，如垂直或彎曲布設(shè)的管道等場(chǎng)景的監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)前端設(shè)備的布設(shè)初始狀態(tài)可能本身就帶有一定角度，且不同終端的放置傾斜角度也會(huì)有差異，因此可以考慮能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)鼠夾閉合動(dòng)作的傳感器，如陀螺儀、姿態(tài)傳感器等。

3.2 傳輸層設(shè)計(jì)

無線通信技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要組成部分，一般可分為局域通信技術(shù)和低功耗廣域通信技術(shù)。根據(jù)捕鼠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)范圍不同，可選用不同的無線傳輸方式。當(dāng)系統(tǒng)前端設(shè)備部署范圍為小型園區(qū)、倉儲(chǔ)、樓宇等場(chǎng)景時(shí)，可選擇無線局域通信技術(shù)，如Wi-Fi，可采用高集成度Wi-Fi 模塊ESP8266 作為通訊模組，ESP8266 是32 位的微控制單元（MCU），可以獨(dú)立運(yùn)行或從屬于從機(jī)搭載于其他主機(jī)MCU 上，既可以獨(dú)立訪問網(wǎng)絡(luò)也可以搭配其他主控制器接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)無線傳輸[1]。

當(dāng)系統(tǒng)前端設(shè)備部署范圍為大規(guī)模農(nóng)田、大型園區(qū)或區(qū)域時(shí)，要采用低功耗廣域通信技術(shù)（LPWAN），LoRa 和NB-ⅠoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）是目前應(yīng)用最為廣泛的2 種技術(shù)，它們都具備低功耗、廣覆蓋、海量連接的特點(diǎn)。LoRa 技術(shù)工作與非授權(quán)頻段下，不能直接接入公共網(wǎng)絡(luò)，更適用于專用的網(wǎng)絡(luò)。

3.3 應(yīng)用層設(shè)計(jì)

應(yīng)用層設(shè)計(jì)主要進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的展示及報(bào)警信息的推送。云平臺(tái)在云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施上為用戶提供軟件開發(fā)、運(yùn)行、運(yùn)營環(huán)境的服務(wù)，降低了對(duì)開發(fā)者知識(shí)體系的要求和開發(fā)成本及難度，極大提高了產(chǎn)品開發(fā)的敏捷性，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的快速開發(fā)和部署，同時(shí)云平臺(tái)為應(yīng)用的完整運(yùn)行壞境和管理機(jī)制提供保障，提高系統(tǒng)或產(chǎn)品的可靠性及可用性。

阿里云是針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域開發(fā)人員推出的設(shè)備管理平臺(tái)，它提供了豐富的設(shè)備管理功能、穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力及規(guī)則引擎，僅需在Web 上配置簡(jiǎn)單的規(guī)則，即可將設(shè)備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至阿里云其他產(chǎn)品，從而獲得數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、存儲(chǔ)的全棧服務(wù)，其數(shù)據(jù)分析功能既可以設(shè)置數(shù)據(jù)處理任務(wù)，也可以將設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在二位地圖或三維模型上展示出來，真正實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的靈活快速搭建。在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中，終端設(shè)備可以通過3 種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行接入，分別為MQTT協(xié)議、CoAP 協(xié)議和 HTTPS 協(xié)議[3]。

中國移動(dòng)OneNET 定位為PaaS（平臺(tái)即服務(wù)），在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和真實(shí)設(shè)備之間搭建高效、穩(wěn)定、安全的應(yīng)用平臺(tái)，面向設(shè)備時(shí)能適配多種環(huán)境和常見傳輸協(xié)議，并提供各類硬件終端的快速接入方案和設(shè)備管理服務(wù)；面向應(yīng)用時(shí)能提供豐富的APⅠ（應(yīng)用程序編程接口）和數(shù)據(jù)分發(fā)能力以滿足各種應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)要求，可使開發(fā)者更專注與自身應(yīng)用的開發(fā)，而不用過多關(guān)注設(shè)備接入層的環(huán)境搭建，從而縮短物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的形成周期，降低研發(fā)和運(yùn)維成本。OneNET 提供了非常穩(wěn)定的設(shè)備接入服務(wù)，支持包括LWM2M（CoAP）、MQTT、Modbus、HTTP 等在內(nèi)的多種協(xié)議。

在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用中，MQTT 協(xié)議使用非常廣泛，MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議）是一種基于客戶端/服務(wù)器的消息發(fā)布/訂閱模式的“輕量級(jí)”通訊協(xié)議，它構(gòu)建在TCP/ⅠP協(xié)議上，能提供無損和有序的雙向連接，其代碼簡(jiǎn)單并且僅占有很少的網(wǎng)絡(luò)帶寬，可以在有限的帶寬下連接遠(yuǎn)程設(shè)備，能夠提供穩(wěn)定、可靠、及時(shí)的在線消息發(fā)送服務(wù)，適合在低性能的遠(yuǎn)程設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)條件惡劣的環(huán)境中使用，目前在中國工業(yè)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，MQTT 已經(jīng)成為首選的云通信協(xié)議。

MQTT 協(xié)議實(shí)現(xiàn)非常靈活，使用方便，如圖6 所示。實(shí)際上MQTT 協(xié)議中共有3 種身份，即發(fā)布者、代理和訂閱者，發(fā)布者和訂閱者可統(tǒng)稱為客戶端，用于發(fā)送和接受消息，其中訂閱者為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，可以為個(gè)人服務(wù)器、傳感器、通訊模組、客戶端等終端設(shè)備，所有訂閱者都可以訂閱其中一個(gè)訂閱者發(fā)布的信息；代理介于訂閱者和發(fā)布者之間，負(fù)責(zé)信息的管理與流轉(zhuǎn)，它能夠接收訂閱者發(fā)布的信息，并能夠?qū)⑿畔⑥D(zhuǎn)發(fā)推送給訂閱相應(yīng)主題的客戶，在本系統(tǒng)中使用的公有云平臺(tái)充當(dāng)代理這一角色。

圖6 MQTT 通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用層除了具有捕鼠監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的顯示及統(tǒng)計(jì)功能，還可結(jié)合地理信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位顯示整個(gè)系統(tǒng)的功能，根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地理坐標(biāo)在地圖中實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的位置及各參數(shù)狀態(tài)。同時(shí)報(bào)警管理功能也十分重要，鼠夾閉合時(shí)需要向管理人員移動(dòng)終端或控制中心進(jìn)行報(bào)警信息的推送，當(dāng)誘餌質(zhì)量不足、誘餌長(zhǎng)時(shí)間未消耗、電源模塊電量不足時(shí)也應(yīng)及時(shí)進(jìn)行警報(bào)。

不僅要對(duì)監(jiān)測(cè)終端上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)，還應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)包括硬件設(shè)施情況統(tǒng)計(jì)、報(bào)警情況的統(tǒng)計(jì)等，并可根據(jù)客戶需求形成可視化圖表，能進(jìn)行日數(shù)據(jù)、周數(shù)據(jù)、異常數(shù)據(jù)、原始數(shù)據(jù)的直觀展示，并且對(duì)所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向和縱向的比較，為后續(xù)的管理決策提供依據(jù)[4]。

數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計(jì)的最終目的是對(duì)鼠害趨勢(shì)進(jìn)行分析，根據(jù)前端設(shè)備的部署，可全面反映某區(qū)域面積范圍內(nèi)的鼠害數(shù)量、分布情況和變化趨勢(shì)等情況，由此可以篩選出重點(diǎn)管理的對(duì)象，為鼠害的監(jiān)測(cè)和控制提供依據(jù)。

4 總結(jié)與討論

傳統(tǒng)的捕鼠方式主要有鼠夾法、粉劑法、粘捕法等，捕鼠情況的監(jiān)測(cè)主要采用手動(dòng)監(jiān)測(cè)，是由合格技術(shù)人員定期完成的，但是這種監(jiān)測(cè)和搜捕的人工費(fèi)用很高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、不連續(xù)，并且缺乏實(shí)時(shí)識(shí)別的能力。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在捕鼠場(chǎng)景中，可實(shí)現(xiàn)害鼠活動(dòng)及捕鼠器狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)獲取，使鼠情的監(jiān)測(cè)更加便捷、實(shí)時(shí)、高效，監(jiān)測(cè)的結(jié)果也更加準(zhǔn)確直觀。同時(shí)，智能捕鼠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠區(qū)域性、長(zhǎng)期地進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)可以對(duì)鼠類的危害程度、活動(dòng)規(guī)律等進(jìn)行科學(xué)客觀的評(píng)估，為鼠害防控決策提供依據(jù)。

隨著大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的深入應(yīng)用，可在系統(tǒng)前端設(shè)備中增添體重檢測(cè)、溫濕度檢測(cè)、高清攝像頭等模塊，利用基于機(jī)器視覺的模式識(shí)別系統(tǒng)，對(duì)高清攝像頭采集的害鼠行為視頻序列圖像進(jìn)行分析、建模，再利用建模解析害鼠的行為數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)害鼠分類。同時(shí)也可以利用大數(shù)據(jù)的挖掘分析方法，將特征相近的鼠類聚為一類，利用深度學(xué)習(xí)的方法對(duì)多分類的鼠類圖像進(jìn)行建模訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)高精度鼠類識(shí)別分類。智能捕鼠檢測(cè)系統(tǒng)終端可以實(shí)時(shí)獲取害鼠影像、活動(dòng)規(guī)律、體重、環(huán)境參數(shù)、地理坐標(biāo)等信息，通過智能識(shí)別系統(tǒng)完成對(duì)害鼠種類的鑒定和分類統(tǒng)計(jì)，這樣智能捕鼠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以進(jìn)一步反映監(jiān)測(cè)區(qū)域鼠害的種類、數(shù)量分布特點(diǎn)，甚至可以從更加細(xì)致的時(shí)間維度，結(jié)合光照、溫濕度、食物條件等參數(shù)，統(tǒng)計(jì)出不同種類害鼠季節(jié)性變化動(dòng)態(tài)、區(qū)域環(huán)境變化的鼠害狀態(tài)以及害鼠晝夜活動(dòng)規(guī)律，更全面地掌握各區(qū)域害鼠的群落結(jié)構(gòu)和活動(dòng)規(guī)律，為科學(xué)精準(zhǔn)的鼠害防治奠定基礎(chǔ)[5]。