基于STM32的煙草害蟲蟲情監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置

鄭永鋒 王亞飛 孫占偉 張明剛 李甜 畢浩洋

摘? 要：為準(zhǔn)確掌握煙草種植中的蟲情，及時(shí)防治蟲害，促進(jìn)煙農(nóng)增收，該文提出一種基于無線傳輸?shù)臒煵菹x情監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置。該裝置使用STM 32單片機(jī)作為主控制器，設(shè)計(jì)誘捕單元收集煙草害蟲，使用Wi-Fi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)過調(diào)試可知，該裝置可以根據(jù)一定時(shí)間內(nèi)收集到的煙草害蟲重量和數(shù)量，預(yù)判蟲情發(fā)生的可能性并作出相應(yīng)預(yù)警提示。該裝置還可實(shí)現(xiàn)與手機(jī)通信，在APP上顯示蟲子數(shù)量、裝置傾斜角度狀態(tài)等信息，同時(shí)可以通過手機(jī)APP界面的開關(guān)按鍵打開或關(guān)閉誘蟲裝置。綜上，該裝置可以實(shí)現(xiàn)煙草害蟲數(shù)量監(jiān)測(cè)、蟲害預(yù)警的功能。

關(guān)鍵詞：煙草害蟲；蟲情監(jiān)測(cè)；STM32芯片；軟件設(shè)計(jì)；系統(tǒng)開發(fā)

中圖分類號(hào)：TP23? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）06-0042-04

Abstract： In order to accurately grasp the insect situation in tobacco planting， control insect pests in time and increase the income of tobacco farmers， a tobacco field pest monitoring and early warning device based on wireless transmission is proposed in this paper. The device uses STM 32 single chip microcomputer as the main controller， designs a trapping unit to collect tobacco pests， and uses Wi-Fi module for data transmission. After debugging， the device can predict the possibility of pest occurrence and make corresponding early warning according to the weight and quantity of tobacco pests collected in a certain period of time. The device can also communicate with the mobile phone， display information such as the number of bugs and angle status on the APP， and turn on or off the insect trap through the switch button of the APP interface of the mobile phone. In summary， the device can realize the functions of tobacco pest quantity monitoring and pest early warning.

Keywords： tobacco pest; pest monitoring; STM32 chip; software design; system development

中國(guó)是一個(gè)煙草種植大國(guó)，對(duì)煙草害蟲的防治一直是重中之重，及時(shí)監(jiān)測(cè)蟲情蟲害，做好預(yù)防工作，能夠增產(chǎn)創(chuàng)收，避免經(jīng)濟(jì)損失。煙田中的害蟲種類有很多，大部分為小地老虎、煙青蟲及斜紋夜蛾等鱗翅目害蟲[1]。這種鱗翅目害蟲一般遷移能力比較強(qiáng)、揚(yáng)飛期也較長(zhǎng)，所以，其防治工作非常困難。一般防治工作采用的方法大多是傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法[2]，在害蟲的揚(yáng)飛期，采用人工手段對(duì)誘捕器中的害蟲進(jìn)行識(shí)別和計(jì)數(shù)。這種方法具有一定的局限性：一是有些蟲子的外觀比較相近，這樣害蟲的識(shí)別會(huì)有一定的難度，煙田的工作人員很難精確識(shí)別，需要邀請(qǐng)煙田專家查看誘捕器進(jìn)行識(shí)別；二是通常誘捕器需要放置在煙田的較深區(qū)域，不能及時(shí)反饋實(shí)時(shí)信息。如何突破傳統(tǒng)病蟲害監(jiān)測(cè)手段，提高監(jiān)測(cè)效率成為了關(guān)鍵。所以，通過調(diào)查當(dāng)前煙田病蟲害監(jiān)測(cè)手段現(xiàn)狀，結(jié)合傳統(tǒng)方法，設(shè)計(jì)一款無線煙草蟲情監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置，為煙田工作者提供一個(gè)智能化的監(jiān)測(cè)手段，能夠更加及時(shí)地對(duì)煙草蟲害進(jìn)行防治。

1? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框圖如圖1所示。

將STM32F103C8T6芯片作為系統(tǒng)的主控制器[3]，使用WiFi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳輸，并將相關(guān)信息在手機(jī)APP上進(jìn)行顯示。設(shè)計(jì)煙草害蟲誘捕裝置，裝置內(nèi)設(shè)置有稱重部分，放置一定量的對(duì)應(yīng)害蟲的性誘劑，引誘害蟲進(jìn)入誘蟲裝置，記錄一定時(shí)間內(nèi)重力傳感器檢測(cè)的蟲子重量，從而得出誘捕裝置中害蟲的數(shù)量。根據(jù)前期統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，得出蟲情預(yù)警閾值，如果一定時(shí)間內(nèi)蟲子的數(shù)量達(dá)到相應(yīng)的閾值，說明可能會(huì)有蟲情發(fā)生，蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警提示。該裝置還具有自身傾倒檢測(cè)功能，由角度傳感器實(shí)現(xiàn)。誘捕害蟲重量、數(shù)量、誘捕裝置的開閉，以及裝置是否傾倒等信息均可通過WiFi發(fā)送到手機(jī)APP進(jìn)行顯示，方便使用者遠(yuǎn)程查看。同時(shí)，使用者也可以通過手機(jī)APP控制誘捕裝置的開閉。

1.1? 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

STM32單片機(jī)的最小系統(tǒng)主要由電源電路、復(fù)位電路、去耦電容、調(diào)試下載電路及其他外圍電路組成[4]。

1.2? 重量檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

如圖2所示，重量檢測(cè)部分由壓力傳感器和HX711A/D模塊組成[4]，HX711A/D模塊將壓力傳感器輸出引腳發(fā)送的模擬量通過A/D模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算，通過公式計(jì)算出重量。壓力傳感器的檢測(cè)范圍是0～1 kg，檢測(cè)精度高，適用于本設(shè)計(jì)。將裝有性誘劑的誘捕裝置放置在壓力傳感器上面，進(jìn)行煙草害蟲的誘捕收集。隨著害蟲誘捕數(shù)量的增加，壓力傳感器壓強(qiáng)增大，檢測(cè)輸出電流和壓力的線性比進(jìn)行公式計(jì)算，可以得到一定時(shí)間內(nèi)誘捕裝置內(nèi)的害蟲重量，發(fā)送到手機(jī)APP上進(jìn)行顯示。單片機(jī)將此重量與預(yù)警閾值進(jìn)行比較，當(dāng)超出預(yù)警閾值時(shí)，蜂鳴器報(bào)警提示。

1.3? 裝置傾斜檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

圖3為裝置傾斜檢測(cè)電路圖。本次設(shè)計(jì)的裝置要放置于煙田中，為方便工作者遠(yuǎn)程查看裝置狀態(tài)，保證裝置的工作效果，設(shè)計(jì)裝置傾斜檢測(cè)功能，由GY-25 角度傳感器模塊實(shí)現(xiàn)此功能。設(shè)置角度閾值為50°，當(dāng)裝置角度傾斜達(dá)到閾值時(shí)為裝置傾倒?fàn)顟B(tài)，手機(jī)APP顯示為角度狀態(tài)：傾斜；裝置傾斜角度小于閾值角度時(shí)，手機(jī)APP顯示為角度狀態(tài)：正常。

1.4? 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

為方便進(jìn)行硬件調(diào)試，將系統(tǒng)害蟲預(yù)警閾值設(shè)置為500只，即一定時(shí)間內(nèi)，誘捕裝置中誘捕收集的煙草害蟲數(shù)量達(dá)到500只，視為有蟲害的可能，蜂鳴器報(bào)警提示，同時(shí)在手機(jī)APP進(jìn)行數(shù)量和重量顯示，提醒檢測(cè)者注意處理。報(bào)警電路如圖4所示。

由于單片機(jī)輸出信號(hào)較弱，采用三極管進(jìn)行信號(hào)放大驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。系統(tǒng)采用NPN型三極管。當(dāng)害蟲數(shù)量達(dá)到閾值500只時(shí)，單片機(jī)C14引腳輸出高電平，NPN導(dǎo)通，蜂鳴器電路形成回路，蜂鳴器響起，手機(jī)APP界面顯示“收集箱已滿”，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能。工作人員處理后，害蟲數(shù)量低于閾值，C14引腳輸出低電平，NPN截止，蜂鳴器電路斷開，停止報(bào)警，完成一次預(yù)警。

1.5? WiFi模塊設(shè)計(jì)

圖5為WiFi模塊電路圖。單片機(jī)和硬件電路通信、單片機(jī)與手機(jī)APP的通信，以及單片機(jī)和服務(wù)器信息交互，需要一個(gè)信息傳輸模塊來完成這些任務(wù)。本裝置采用ESP8266-01SWi-Fi模塊[5]作為通信部分的樞紐。ESP8266芯片的RXD與STM32單片機(jī)A9引腳相連接用于接收數(shù)據(jù)，ESP8266芯片的TXD與單片機(jī)的A10引腳連接用于發(fā)送數(shù)據(jù)和接收返回值。

2? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

無線煙草蟲情監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主要功能的實(shí)現(xiàn)通過STM32F103RCT6單片機(jī)作為主控芯片，配合手機(jī)APP來完成的。使用C語言進(jìn)行單片機(jī)程序的編寫，使用Keil μVision5開發(fā)平臺(tái)。使用Java語言完成手機(jī)APP的編程，使用虛擬機(jī)中具有開發(fā)環(huán)境的Eclipse軟件。

2.1? 系統(tǒng)主程序流程圖設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖6所示。

單片機(jī)上電后，首先進(jìn)行初始化。然后進(jìn)行傳感器的信號(hào)采集，包括害蟲的重量以及裝置的角度，并發(fā)送控制指令到手機(jī)，將結(jié)果顯示到手機(jī)APP上。接下來判斷傳感器檢測(cè)的數(shù)值是否達(dá)到閾值：若害蟲數(shù)量在一定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到了預(yù)警閾值，則蜂鳴器報(bào)警提示；未達(dá)到，則繼續(xù)判斷角度是否發(fā)生傾斜，若發(fā)生傾倒，向手機(jī)發(fā)送收集箱傾倒信息，若未傾倒，向手機(jī)發(fā)送正常狀態(tài)，再讀取傳感器數(shù)值進(jìn)入循環(huán)。

2.2? 手機(jī)APP程序設(shè)計(jì)

采用虛擬機(jī)打開一個(gè)windows7系統(tǒng)，在系統(tǒng)中使用Eclipse軟件建立APP工程，根據(jù)設(shè)計(jì)需要來實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。在Eclipse軟件中采取模塊化進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，按照所設(shè)計(jì)的功能，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接、裝置蓋子開閉、收集的害蟲的重量數(shù)量、裝置傾斜角度狀態(tài)等模塊功能。

3? 系統(tǒng)調(diào)試

為驗(yàn)證系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)的可行性，焊接硬件，并分模塊進(jìn)行系統(tǒng)功能調(diào)試。

3.1? 重量檢測(cè)模塊調(diào)試

啟動(dòng)模擬器，用手輕輕按壓傳感器， APP重量顯示數(shù)值有變化，說明此模塊正常。一枚一元硬幣的重量約為9.32 g，11枚的硬幣的重量約為103 g。將11枚硬幣放置于壓力傳感器上，APP的顯示內(nèi)容如圖7所示。由APP顯示內(nèi)容可知，重量檢測(cè)模塊功能正常，精度較高。

3.2? 裝置傾倒檢測(cè)模塊調(diào)試

啟動(dòng)模擬器，手持裝置向左或者向右傾斜，當(dāng)傾斜角度達(dá)50°時(shí)，角度狀態(tài)由正常改變?yōu)槭占鋬A倒，如圖8所示。當(dāng)回到50°以內(nèi)，角度狀態(tài)恢復(fù)為正常，此功能正常。同時(shí)也可以通過手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制誘捕裝置蓋子的開和關(guān)。

3.3? 報(bào)警電路模塊調(diào)試

設(shè)定報(bào)警閾值為500 g，用手持續(xù)按壓壓力傳感器模擬害蟲重量，使重量緩慢上升，蜂鳴器沒有發(fā)生動(dòng)作，在達(dá)到閾值時(shí)，蜂鳴器發(fā)生動(dòng)作進(jìn)行報(bào)警，報(bào)警電路正常。

3.4? 調(diào)試小結(jié)

經(jīng)過調(diào)試，結(jié)果表明，本次無線煙草蟲情監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)各個(gè)模塊的功能都可以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)檢測(cè)精度較高。

4? 結(jié)束語

本次設(shè)計(jì)的無線煙草蟲情檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，以STM32單片機(jī)為核心，通過一定時(shí)間內(nèi)誘捕裝置中誘捕收集的害蟲重量得出數(shù)量，與預(yù)警閾值相比較，從而為蟲情發(fā)生的可能提供依據(jù)。若有蟲情發(fā)生可能，蜂鳴器會(huì)進(jìn)行報(bào)警及手機(jī)APP進(jìn)行提示，讓相關(guān)工作人員進(jìn)行預(yù)防。該裝置可以實(shí)現(xiàn)無線傳輸、監(jiān)測(cè)預(yù)警的功能，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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