0、 引言
农业是任何一个国家都非常重视的产业,作为人口大国的中国,农业关乎民生,影响着经济发展。传统农业的发展模式导致资源短缺、环境恶化,因而推动农业的信息化发展、实现精准农业已经迫在眉睫。近年来,物联网成为新一代的信息技术,它通过智能感知、识别技术与广泛应用的互联网相结合,形成物与物的相连,实现信息化、远程管理控制和智能化的网络。
由于许多农田分布在高原、山地这种地形偏远陡峭的地区,传统的有线监测系统布线困难,成本太高,不适用;而目前使用广泛的 ZigBee 技术由于传输距离短且需建立基站也不适用于这种大面积的地形陡峭的农田。文献[4]运用了 GPRS 无线通信技术远程监控茶园,但是没有考虑到虫害对茶叶生长的影响;而有害昆虫对农作物的产量、质量会带来严重的影响。文献[5]设计了病虫害实时监测预警系统,但采用的是人工观察和计数昆虫量,不仅费时费力,且准确度不高。文献[6]通过图像识别实现了虫害的防控,但是没有结合 GPS 模块定位,不适合农田面积很大的情况,无法实现精准控制。
为此,设计了一种基于 GPRS 的农业虫害防治物联网监测系统。目前,GPRS 网络已经基本实现城乡和偏远山区的全面覆盖,且按流量计费,通信资费低,信号强,数据传输速率快,但有网络延时,非常适合于实时性要求不高、传输数据量不大的高原山区的农田监测系统。系统采集影响稻田生长的温湿度、光照强度、昆虫数量以及监测站点的地理位置等数据、通过建立 TCP 连接、GPRS 连接到 Internet,将数据传输到具有固定 IP 地址的 Web 服务器。用户可以用电脑、手机、Ipad 等上网设备随时随地查看监测数据以及远程控制,并可以通过短信获取监测数据和远程控制。这种方式保障了用户在没有网络的情况下也能及时获取数据和进行操作。
1、 系统总体设计方案
本系统由 STM32 处理器、太阳能锂电池交替供电模块、温湿度传感器、光照传感器、昆虫计数传感器、GPS 模块、GPRS / GSM 无线通信模块和远程浏览器终端组成。微控制器将采集到的数据进行 AD 转换后通过GPRS 传输到服务器;服务器再对数据进行分析处理,也可将数据直接以短信方式发送给用户。系统搭载GPS 模块,可实现精准定位监控,使用户真正做到足不出户远程监控农田。系统体系结构如图 1 所示。
2、 系统硬件设计
2. 1 系统硬件总体设计
系统终端 MCU 采用基于 ARM Cortex - M3 核心的 32 位微控制器, LQFP - 144 封 装 了STM32F103ZET6 芯片。它配置了 512K 片内 FLASH以及 64K 片内 RAM;高达 72M 的频率;数据、指令分别走不同的流水线,确保了 CPU 运行速度达到最大化。其外设资源丰富,能很好地满足系统所需,成本较低。系统硬件总体设计框图如图 2 所示。
2. 2 传感器模块
2. 2. 1 温湿度传感器
考虑到系统终端用于在山区农田监测,需防水、防潮、稳定性好,本文选择 AM2305 温湿度传感器。它采用单总线数据格式,一次通讯时间 5ms 左右,一次传输数据 40bit,高位先出。其测湿范围 0 ~100% RH,测温范围 -40. 0 ~125. 0℃。
2. 2. 2 光照度传感器
BH1750FVI是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。其分辨率高,可以探测较大范围的光强度,范围为 1 ~65 535lx。
2. 2. 3 昆虫计数传感器
美国 DATA - LYNX 型昆虫自动计数站是一种可以自动记录农田、温室、林地等环境中昆虫数量的一种小型监测站。其采用昆虫性激素吸引相应昆虫,虫子撞击传感器,形成脉冲信号来计数。农田间害虫以稻螟虫为主,可利用该系统分析害虫对农作物生长的影响以及通过虫情监测防止虫害发生。
2. 3 供电模块
监测系统置于无人看守的农田,应尽量减少用户去更换电池和人工充电的次数,增加供电时长,因此整个系统电源供电设计至关重要。本文采取太阳能和锂电池交替供电。在有阳光的时候,太阳能板向锂电池充电并给系统供电,夜间和阴雨天气时锂电池储蓄的电量可以给系统供电。为确保连续阴雨天储能电池的使用,太阳能电池功率要尽量选用大容量,可选择 10W18V 太阳能板,储能电池选择 10AH3. 7V 的锂电池。太阳能充电电路采取太阳能充电芯片CN3722;锂电池采用低噪声的稳压芯片 MIC5207 给单片机长期提供稳定的 3. 3V 电压。
2. 4 GPRS / GSM 无线通信模块
SIM900A 是 Simcom 推出的紧凑型产品,属于双频 GPRS/GSM 模块,采用工业标准接口,可以低功耗实现语音、SMS、数据的传输。该模块内置健全的TCP / IP 协议,支持数据透传,支持 AT 指令集,可直接与 Internet 互通,使得网络通信非常简单。GPRS/GSM模块使用标准串口与微控制器进行数据通信。单片机预先将采集到的数据存储到外部 FLASH 中,到发送的时间点后将所有的数据打包发送到服务器和用户手机,同时单片机也可以接收来自服务器和手机的指令,进行相应的操作。
2. 5 GPS 定位模块
BS - 126 GPS 模块采用 UBLOX G6010 - ST 芯片设计,具有高性能、低功耗的优点,是一个完整的卫星定位接收设备。它采用卫星自动校准时间和精确定位,从而获取精确的时间和地理位置。用户便可以在数据中心服务器查看某个地方或者某个时间段的数据情况,便于科学家分析研究。
3、 系统软件设计
3. 1 数据采集软件设计
农业系统数据实时性要求不高,因此所有传感器和 GPS 可每隔几小时采集一次数据,均使用定时器定时。在没有数据采集和发送时单片机进入停止模式。停止模式是在 Cortex - M3 深睡眠模式基础上结合了外设的时钟控制机制,在 1. 8V 的供电区域的所有时钟都被停止;但 SRAM 和寄存器的内容被保存下来,最大程度地降低了功耗。
单片机将采集到的数据通过 AD 转换后存入外部FLAHS 中保存,并可显示在液晶屏上,待 GPRS / GSM模块开机连接成功后把数据全部发送到服务器和用户手机。同时,为温度、湿度、光照度、昆虫数量等环境因素设定阈值,若某项指标超过阈值,系统短信以及网页可提醒用户。
3. 2 GPRS / GSM 无线通信模块软件设计
GPRS 通用无线分组业务是利用包交换概念发展的一套无线传输方式,基于现有的 GSM 网络实现。本系统选用的 SIM900A 主要用于数据的网络传输以及短信收发,采用标准的 RS232 接口与单片机进行数据和 AT 指令的串口方式传输。GPRS 模块传输数据时功耗较大,为节省系统功耗,SIM900A 每隔一定时间(由用户设定,通常间隔时间为几小时)连接一次,其余时间均将它关机,每次传输的数据不超过 1K。主要的配置 AT 指令如下:
1) AT + CMGF = 0,设置短消息为 PDU 模式。因此,发送短信和接收短信均需按照 PDU 编码格式解析。
2) AT + CSCS = ”UCS2”,支持中英文。
3) AT + CGDCONT = 1,”IP ”,”CMNET ”,设置PDP 上下文标标志为 1,采用互联网协议 IP,接入点为中国移动互联网。
4)AT + CIPSTART = ”TCP ”,”Server 的 IP 地址”,”Server 的端口号”,尝试 TCP 连接。
5)AT + CIPCSGP = 1," CMNET",设置为 GPRS 连接,接入点为"CMNET"。
无线数传软件设计流程图如图 3 所示。
3. 3 主程序设计
系统主程序设计采用基于μC/OS -Ⅱ操作系统的多任务管理,是由 Micrium 公司提供的一个可移植、可固化的、可裁剪的、占先式多任务实时内核,适用于多种微处理器。根据系统需要裁减得到最小内核,移植到单片机中进行编译,移植操作系统后能很好地实现多任务的管理和调度,从而使得软件设计效率更高。
3. 4 数据监测中心软件设计
数据监测中心主要包括监测终端以及数据库服务器两部分。数据库服务器使用关系型数据库 Mysql,它因开放源码并且免费的特点成为中小型网站开发的首选。网站前端设计采用 JSP 技术,后台业务逻辑采用 servlet,它是 Java Web 技术的核心,开发平台使用 eclipse。数据库与数据监测客户端之间通过 C3P0数据库连接池连接,将监测到的数据保存到数据库表中。监测终端通过 B/S 架构与数据服务器连通,该终端采用 MVC 三层架构设计,通过监听来自网络的TCP 请求,三次握手协议之后打开一个套接字 SOCK-ET,通过服务器的 IP 地址和端口号系统终端便可以与服务器双向通信。通过对数据库的查询操作,将采集到的数据显示到网页上来进行直观的监控。数据监测中心软件设计流程如图 4 所示。
4、 测试结果
将系统连通后对一个监测站点进行测试,使用入网计算机访问监测网站,进行一天的数据查询以及查看半个月的各项数据的峰值和谷值的曲线。光照度只在早上 8 时采集一次。测试结果如图 5 ~ 图 7 所示。
5、 结论
本文设计的基于 GPRS 的物联网农业虫害防治监测系统结构简单、安装方便,用户通过 Web 网页和短信双重监控系统,大大提高了数据传输的稳定性和可靠性。系统一天传输流量少,所需资费低。数据库将采集到的各项数据保存下来,供研究者查询以及下载,为稻田生长研究和虫害预警提供详实、精确的数据资料。其在偏远山区的农田监测应用上比其他的监测系统更有优势。
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