如何利用物聯(lián)網(wǎng)技術來設計昆蟲吊飛裝置

現(xiàn)代電子技術和網(wǎng)絡技術的進步使得物聯(lián)網(wǎng)的應用獲得了極大的發(fā)展，它被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。物聯(lián)網(wǎng)的一個是重要特征是全面感知。利用射頻識別RFID、傳感器、二維碼等隨時隨地獲取物體的信息。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是基于傳感器技術構建的智能化作物管理系統(tǒng)，其依賴物聯(lián)網(wǎng)和傳感器與信息技術，實現(xiàn)了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和現(xiàn)代信息化技術的結合，節(jié)省了人力，提高了農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化進程。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的重點應用領域，可極大地提高農(nóng)業(yè)的機械化和產(chǎn)品管理的信息化水平?；谝惶赚F(xiàn)實的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)工程開發(fā)過程，詳細闡述了采用AVR單片機設計昆蟲吊飛裝置的基本過程。同時，介紹了該方面的研究現(xiàn)狀，給出了系統(tǒng)總體結構、原理及系統(tǒng)的軟件設計。

1 研究現(xiàn)狀

昆蟲吊飛裝置是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分。為實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)管理的科學化與合理化過程，需要設計昆蟲吊飛裝置來進行實際農(nóng)田昆蟲的監(jiān)控，以便了解其生活遷徙規(guī)律和飛行能力，并以此作為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)決策部署的重要依據(jù)。

參考文獻［1］中設計了利用計算機記錄昆蟲飛行狀態(tài)的實驗裝置，該裝置由兩部分組成，一部分是飛行磨供昆蟲飛行;另一部分是光電傳感器和微機檢測系統(tǒng)，記錄信號并對信號進行識別、分析、歸類，最后送往計算機顯示和打印。但是該裝置采取的微控制器速度低，一次能夠控制的通道少，并且實驗時需要對每一個通道進行布線，增加了復雜性。

參考文獻［2］設計了基于普通計算機的飛行磨軟件，應用圖表控件和表格控件來實現(xiàn)對昆蟲飛行數(shù)據(jù)進行收集、顯示、對比分析等操作。其缺點是不能夠按照每種昆蟲的習性對其飛行數(shù)據(jù)進行有針對性的對比分析。

參考文獻［3］介紹了一種基于STC12C5A60S2單片機的多通道飛行磨，能同時進行20路昆蟲數(shù)據(jù)的采集。還可對吊飛環(huán)境的溫濕度進行實時監(jiān)測。但這對于需要較多通道的實驗來說，效率很低。前面分別介紹了幾個具有各自特點的吊飛裝置。雖然能夠測量得到一部分昆蟲飛行數(shù)據(jù)，但也存在著實驗通道少、時間不夠精確、不能智能化地采集數(shù)據(jù)以及不能快速地對飛行數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計等缺點。

本文以Atmel公司的AVR單片機為控制芯片設計了一款基于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的昆蟲吊飛裝置，能對30路的中小型昆蟲的飛行距離和飛行速度進行精確的測試和檢測，并能把相關參數(shù)通過USB數(shù)據(jù)線傳輸給控制臺，以數(shù)據(jù)表格的形式顯示和打印。該系統(tǒng)具有溫濕度傳感器和報警控制的功能，能夠近似模擬自然條件下昆蟲個體的飛行與營養(yǎng)、溫度、濕度、光照等相關參數(shù)之間的關系。實驗測試，整套系統(tǒng)具有容易操作、結構簡單、精度高、抗干擾能力強等特點。

2 系統(tǒng)總體結構及原理

系統(tǒng)由MCU控制單元、溫濕度檢測、光照檢測、采集通道、光電傳感器、USB串口轉換電路及控制臺組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.1 MCU控制單元

MCU控制單元采用Atmel公司的ATMega16單片機，它是一款采用先進RISC精簡指令、低功耗和快速的內(nèi)置A/D的8位單片機，內(nèi)部具有豐富的資源。其包含32個通用可編程的I/O引腳，通過控制程序可以對每個端口單獨設置參數(shù)。單片機內(nèi)有1 KB的片內(nèi)SRAM數(shù)據(jù)存儲器、16 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash以及512 B E2PROM，重要數(shù)據(jù)可以存放在E2PROM中。

2.2 光電傳感器單元

該系統(tǒng)由光電傳感器單元和三極管放大電路組成，其中光電傳感器單元采用槽型光耦，電路如圖2所示［4，7］。電路中虛線部分為光電傳感器單元，由發(fā)光二極管和光敏三極管共同組成。NPN三極管Q1和R1、R2、R3、R4等組成信號放大電路，用來放大由光敏三極管輸出的電信號。電阻R5在這里作為限流電阻使用，防止因電流過大而燒毀發(fā)光二極管。其工作原理：昆蟲在飛行時帶動一個擋板，每飛行一圈就會遮擋光電傳感器一次，遮擋時，光敏三極管工作在截至區(qū)，這時由于R3和R4的分壓，使三極管Q1導通，Out端輸出低電平信號;未遮擋時，光敏三極管工作在飽和區(qū)，這時由于三極管Q1的基極電壓近似為零，使三極管Q1截至，Out端輸出高電平信號。所以根據(jù)Out端的電平信號就可以判斷昆蟲的狀態(tài)是飛行還是停止。

2.3 串口通信單元

本系統(tǒng)采用的PL2303是一種高度集成的RS232-USB接口轉換器芯片，可提供一個RS232全雙工異步串行通信裝置與USB接口聯(lián)接的解決方案，完全兼容USB2.0協(xié)議。能把PC的一個USB接口模擬為一個串口，可以方便地實現(xiàn)單片機與PC之間的數(shù)據(jù)通信。圖3為所用的PL2303串口轉換電路，圖中的USB接PC的USB口，Rx、Tx分別接單片機的Rxd、Txd引腳。

2.4 環(huán)境狀態(tài)測量及報警

為了對實驗環(huán)境中的光照、溫濕度等環(huán)境狀態(tài)進行測量和控制，這里采用溫濕度一體化的數(shù)字傳感器SHT11。該傳感器是集溫度、濕度檢測于一體的數(shù)字式傳感器，由一個NTC測溫元件和一個電阻式測濕元件組成，溫度測量范圍為-40～+123.8 ℃，濕度測量范圍為0～100%RH，分別用來測量實驗環(huán)境的溫度和濕度。其與單片機之間僅需要2個I/O口就能夠?qū)崿F(xiàn)對濕度和溫度的采集，連接控制非常方便。其傳輸可靠性高，抗干擾能力強;另外其功耗也非常低，非常適合采用電池供電的移動式的野外工作。其電路原理圖如圖4所示。

光照信號的測量采用BH1750FVI數(shù)字光照傳感器，該傳感器供電電源為3～5 V，光照度范圍為0～65 535 LX;傳感器內(nèi)置16 bit A/D轉換器直接數(shù)字輸出，省略復雜的計算，省略標定，不區(qū)分環(huán)境光源，接近于視覺靈敏度的分光特性，可對廣泛的亮度進行1 LX的高精度測定。而且其與單片機的連接非常方便，使用標準的I2C通信協(xié)議。其電路原理圖如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

檢測控制系統(tǒng)的軟件設計分為下位機程序和上位機軟件兩部分。

3.1 下位機軟件設計

ATMega16微處理器支持C語言開發(fā)，開發(fā)工具采用先進的JTAG調(diào)試，其軟件集成開發(fā)環(huán)境KEIL由ARM公司提供。整個下位機程序采用C語言編寫，主要包括主程序、初始化程序、定時采樣中斷處理程序、串行接收中斷處理程序、UART串口發(fā)送程序、Flash讀寫程序、SPI驅(qū)動程序、單總線驅(qū)動程序等。其主程序流程圖如圖6所示。

3.2 上位機軟件設計

控制臺軟件采用VB 6.0設計，并在Windows XP下編譯通過。該應用程序采用事件驅(qū)動方式調(diào)用多線程串口編程工具，實現(xiàn)了測量系統(tǒng)與PC之間的異步通信，其共有以下幾個窗口模塊：

（1）啟動窗口：顯示上位機操控的啟動界面。

（2）主控窗口：控制臺操控的主界面，包含30路采集通道采集數(shù)據(jù)的子窗體。PC通過串口控件、時間控件與單片機進行通信，完成數(shù)據(jù)的交換，并實時顯示采集數(shù)據(jù)的時間和當前環(huán)境的溫濕度、光照度等數(shù)值。

（3）串口設置窗口：設定COM端口號與傳輸波特率，確保傳輸?shù)挠行院涂煽啃浴１鞠到y(tǒng)串口的波特率設置為38 400 b/s，無奇偶校驗位，8 bit數(shù)據(jù)位，如果是普通的串口線連接，需采用交叉串口線。

（4）報警控制設定窗體：設置環(huán)境溫濕度報警的上下限，通過與采集到的環(huán)境溫濕度、光照度值進行比較來決定是否啟動報警控制系統(tǒng)。

（5）采樣時間間隔窗口：通過對采集數(shù)據(jù)時間間隔的設置與控制，使溫濕度、光照度等數(shù)據(jù)按照規(guī)定的間隔存儲到歷史數(shù)據(jù)窗體中，方便對數(shù)據(jù)的選取和分析。

（6）歷史數(shù)據(jù)窗口：實現(xiàn)對所采集的數(shù)據(jù)與對應的時間進行存儲和處理，以備進行數(shù)據(jù)分析、研究，并根據(jù)實驗的需要進行數(shù)據(jù)曲線或數(shù)據(jù)列表的打印。

本文設計了一套基于微控制器的中小型昆蟲吊飛行為，具有30路昆蟲飛行數(shù)據(jù)采集通道的測試控制系統(tǒng)，具有溫濕度、光照監(jiān)測及報警控制電路，使實驗人員可以根據(jù)昆蟲的特點在設定的實驗環(huán)境下對昆蟲進行測試。整套系統(tǒng)具有操作容易、結構簡單、精度高、抗干擾能力強等特點。