農(nóng)田環(huán)境及入侵監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研究

杜寶強(qiáng)，張金堯

（1.中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100000；2.安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001）

0 引 言

中國是農(nóng)業(yè)大國，自古以來便有“民以食為天”的說法，現(xiàn)如今糧食安全更是社會穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的保障。然而隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，出現(xiàn)了耕地減少、農(nóng)業(yè)人口下降等諸多問題；且傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)效率低，產(chǎn)出量少，無法滿足當(dāng)前需要。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)量的目的。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分。在國內(nèi)，對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的研究與應(yīng)用一直與國際上的先進(jìn)水平齊頭并進(jìn)。在1996年，國家相關(guān)部門進(jìn)行聯(lián)合工作，組織并實(shí)施了“工廠化高效農(nóng)業(yè)示范工程”，提倡將傳感器和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)廣泛應(yīng)用到我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中；同時，將它制定為國家級的重點(diǎn)開發(fā)項(xiàng)目。北京市科委啟動了“蔬菜生產(chǎn)智能網(wǎng)絡(luò)傳感器體系研究與應(yīng)用”的相關(guān)項(xiàng)目，在對蔬菜進(jìn)行溫室生產(chǎn)種植時，將傳感器部署到溫室內(nèi)，用以監(jiān)測相關(guān)數(shù)據(jù)。上海交大與中科院南京土壤研究所合作，提出了農(nóng)田熵情監(jiān)測系統(tǒng)框架[1]。數(shù)十年來，我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)展迅速，提交了多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)提案，已被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織采納，成為了標(biāo)準(zhǔn)制定的主導(dǎo)國家之一。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)作為一種現(xiàn)代高新技術(shù)，能夠解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)面臨的問題，極大推動我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域科技水平的發(fā)展，使我國農(nóng)業(yè)由傳統(tǒng)粗放型轉(zhuǎn)變?yōu)榫?xì)化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已是大勢所趨。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。利用JY901S加速度傳感器、DHT11溫濕度傳感器、GPS定位模塊和OV2640攝像頭等模塊，對農(nóng)田狀態(tài)進(jìn)行24 h實(shí)時監(jiān)測，在一定程度上實(shí)現(xiàn)農(nóng)田信息的自動采集。但是，由于農(nóng)田的范圍較大且環(huán)境復(fù)雜，需要多個傳感器共同作用，從而擴(kuò)大系統(tǒng)的監(jiān)測范圍，提高系統(tǒng)的實(shí)用性[2]。4G模塊收集到傳感器采集的數(shù)據(jù)后，將其以MQTT協(xié)議的方式無線遠(yuǎn)程傳輸?shù)皆品?wù)平臺[3]，由服務(wù)器的客戶端軟件顯示數(shù)據(jù)變化曲線，并設(shè)定固定時間周期進(jìn)行一次數(shù)據(jù)上報，從而保證傳輸信息的可靠性?？蛻舳塑浖?shù)據(jù)進(jìn)行分析存儲，將采集到的信號數(shù)據(jù)存儲到建立的文件夾，便于用戶查看實(shí)時數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)。同時用戶可以通過客戶端軟件下發(fā)命令來控制攝像頭模塊，查看農(nóng)田內(nèi)的環(huán)境信息。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由電源模塊、JY901S加速度傳感器模塊、單片機(jī)模塊、4G無線傳輸模塊、OV2640攝像頭模塊、GPS定位模塊和DHT11溫濕度傳感器模塊等模塊組成。

2.1 電源模塊

外部的輸入電壓在5～36 V之間，轉(zhuǎn)換成需要的12 V，然后經(jīng)由LM2596S降壓芯片降到5 V。電路如圖2所示。

圖2 12 V電壓轉(zhuǎn)換成5 V的內(nèi)部電壓電路

電源模塊分別為STM32模塊和4G傳輸模塊供電。將5 V的電壓經(jīng)MIC29302WU降壓芯片變換到3.6 V為4G模塊供電；輸出端的電壓可以根據(jù)實(shí)際需要，調(diào)整R4或者R5的電阻大小，進(jìn)而調(diào)整輸出電壓的大小，如圖3所示。

圖3 4G模塊供電電路

通過AMS1117降壓芯片將5 V的輸入電壓降到3.3 V，為STM32模塊供電，如圖4所示。

圖4 STM32模塊供電電路

2.2 JY901S加速度傳感器模塊

通過單片機(jī)處理模塊發(fā)出的相關(guān)信號，控制加速度傳感器，然后加速度傳感器依據(jù)其內(nèi)部控制寄存器相對應(yīng)的值，完成對周圍環(huán)境的震動信號的采集。其中，信號的帶寬、采集的速度、通信的方式、數(shù)據(jù)輸出的格式等都由內(nèi)部控制寄存器來決定。

2.3 單片機(jī)模塊

系統(tǒng)采用STM32F407ZGT6單片機(jī)為主控芯片。單片機(jī)模塊是整個系統(tǒng)的核心模塊，用來整合、傳輸和控制相關(guān)數(shù)據(jù)；同時，它也控制4G模塊，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_或服務(wù)器。

2.4 4G無線傳輸模塊

由于農(nóng)田范圍較大，采用4G無線傳輸方式，有利于數(shù)據(jù)的傳輸，且功耗較低、工作時間更長。4G模塊使用移遠(yuǎn)公司生產(chǎn)的EC20芯片，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗、高速率運(yùn)行。同時，采用的4G模塊可以與中國移動的OneNET云平臺進(jìn)行連接，方便用戶查看實(shí)時數(shù)據(jù)[4]。

2.5 OV2640攝像頭模塊

OV2640攝像頭模塊可以與單片機(jī)通過串口相連接。用戶可通過客戶端軟件下達(dá)抓拍指令，激活攝像頭模塊，對發(fā)生入侵的區(qū)域及時進(jìn)行抓拍，同時將拍攝的照片存儲到文件夾，供用戶查看。

2.6 GPS定位模塊

當(dāng)檢測到震動信號時，系統(tǒng)中的GPS模塊能夠及時定位到具體位置，用戶可以趕往相應(yīng)的區(qū)域驅(qū)趕入侵動物。

2.7 DHT11溫濕度傳感器模塊

通過DHT11溫濕度傳感器模塊采集農(nóng)田的溫濕度信息，同時將采集到的數(shù)據(jù)通過4G模塊傳輸?shù)皆破脚_[5]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是為了對加速度傳感器采集到的農(nóng)田環(huán)境震動數(shù)據(jù)和DHT11溫濕度傳感器采集到的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過數(shù)據(jù)變化，及時判斷周圍環(huán)境的變化，進(jìn)而對農(nóng)田區(qū)域是否有動物闖入做出準(zhǔn)確判別。

3.1 JY901S測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

由于農(nóng)田為室外環(huán)境，在采集加速度信號的過程中，會受到周圍環(huán)境的影響或傳感器本身固有頻率等因素不可避免地會造成一定的噪聲。為了降低多種干擾噪聲對系統(tǒng)的影響，本設(shè)計(jì)采用卡爾曼濾波方法對震動信號進(jìn)行降噪。經(jīng)過濾波信號，可得到較為準(zhǔn)確的加速度和角度變化信號，即系統(tǒng)模塊測量數(shù)據(jù)處理的最終結(jié)果[6]。

震動測量數(shù)據(jù)處理軟件總共分為3個模塊：數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、加速度計(jì)算模塊和角度計(jì)算模塊。震動測量數(shù)據(jù)處理軟件讀取傳感器檢測到的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值加工和處理，得出傳感器測量到的加速度和角度變化信息。其框架如圖5所示。

圖5 震動測量數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)框架

在震動測量數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行初始化之后，隨即開始讀取JY901S傳感器采集到的原始數(shù)據(jù)，并對相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行備份，防止被后續(xù)采集到的數(shù)據(jù)覆蓋；然后軟件對所讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波等預(yù)處理；再通過加速度計(jì)算部分利用原始數(shù)據(jù)計(jì)算出模塊的三個軸方向的加速度；最后通過角度計(jì)算部分計(jì)算出模塊三個軸方向的角度變化。本文數(shù)據(jù)處理軟件的流程如圖6所示。

圖6 震動測量數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)流程

3.2 云平臺搭建

云平臺在該監(jiān)測系統(tǒng)中完成用戶終端與網(wǎng)關(guān)設(shè)備交互數(shù)據(jù)信息的任務(wù)，能夠接收無線傳輸模塊收集到的農(nóng)田環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，并將這些目標(biāo)溫濕度數(shù)據(jù)保存在云服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫里，同時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿佑脩舳薣7]；提供了基于HTTP協(xié)議的通信接口，用戶可以通過該接口向云服務(wù)器發(fā)送相應(yīng)的控制指令，或查詢云服務(wù)器上數(shù)據(jù)庫中所存儲的溫濕度數(shù)據(jù)，并將Web端發(fā)送的指令反饋給設(shè)備，最終達(dá)到控制系統(tǒng)的目的[8]。

4 系統(tǒng)調(diào)試

將系統(tǒng)布置在正常的室內(nèi)環(huán)境下，人為制造一定的干擾噪聲信號和一定幅度的震動，對相關(guān)加速度以及角度變化信號進(jìn)行采集，然后對一定強(qiáng)度范圍的震動信號進(jìn)行提取。實(shí)驗(yàn)中，需要采集多組數(shù)據(jù)，從而提取出相關(guān)的特征值；然后完成對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，并模擬不同幅度的震動，測試系統(tǒng)的有效性以及系統(tǒng)識別大幅度震動的可靠性[9-10]。

5 結(jié) 語

本文以傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種基于4G的云平臺農(nóng)田環(huán)境及入侵監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田環(huán)境的實(shí)時監(jiān)測。該系統(tǒng)可以很好地對農(nóng)田環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測、識別及處理，具有一定的實(shí)用性與發(fā)展前景。