物联网杀虫灯远程状态监测与控制系统的设计与实现

张志得 冷自洋 朱 城 朱泽德 苏亚辉

1(安徽大学电气工程与自动化学院 安徽 合肥 230601) 2(中科院合肥技术创新工程院 安徽 合肥 230088) 3(安徽大学电子信息工程学院 安徽 合肥 230601)

0 引 言

随着现代化农业规模的不断发展壮大，为了减少病虫害对农作物产量的影响，出现了许多农业病虫害的防治方法，如物理防治、化学防治和生物防治等[1-2]。灯光诱杀是市场上主要的物理防治的方法之一[3]。目前杀虫灯大多在无人看管的野外工作，地理位置较偏僻，从部分地区的推广情况来看，这种推广使用的方式存在着后期维护困难的问题[4-5]。同时也没有建立统一共享的后台中央数据管理中心，用户无法及时了解杀虫灯的最新工作状态；另一方面，由于杀虫灯内部结构的复杂性，无法准确地定位到故障发生的位置和恶劣天气下断电自我保护的功能，增加了设备维护的困难性，无法对杀虫灯进行智能化管理，限制了杀虫灯使用效果和使用效率的提升。没有使杀虫灯在植保方面的作用得到充分发挥，不能够完全适应我国农业与物联网相结合的发展趋势。闫真月等[6]和马仟等[7]分别进行了温室LED杀虫监测系统和基于WSN的分布式太阳能杀虫灯远程控制系统的研究与设计，该系统主要实现对杀虫灯的杀虫数量进行监测和杀虫灯的工作环境数据以及捕捉现场的杀虫照片的监测，缺乏对杀虫灯工作状态的实时监控以及对杀虫灯的远程控制。

在现有相关理论研究的基础之上，本文通过硬软件相结合的方式，实现了杀虫灯电池装置的自我保护和远程状态的监测和控制，从而提高了杀虫灯装置工作的稳定性、便捷性，节省了大量的劳动力，进一步提高了灭虫的效率。

1 系统整体架构

整个系统分为两大部分，设备终端系统和监测与控制系统。设备终端系统负责采集杀虫灯工作状态的各种数据，通过4G无线通信[8]模块将数据发送到监测与控制系统中。监测与控制系统接收到数据后，借助应用服务器、数据库服务器将数据存储进数据库中，用户便可以通过PC端或移动端查看杀虫灯的各项工作状态以及进行开关机等操作。图1为系统整体架构。

图1 系统整体架构

2 硬件设计

采用环保节能的太阳能电池板对太阳能LED杀虫灯进行供电，系统硬件的整体结构如图2所示，总体电路分为以下三大部分：(1) 系统的供电电源由蓄电池和太阳能电池板共同组成；(2) 控制器包括4G无线通信模块、DHT11[9]温湿度检测模块、摄像头模块等；(3) 杀虫灯电路部分，分别包含了高压电击网和LED灯柱，如果采用碰撞式杀虫灯则没有利用高压电进行杀虫。太阳能电池和蓄电池共同组成了太阳能LED杀虫灯的电源供电系统，两者容量的大小直接关系到杀虫灯工作时间的长短与使用效果。其容量大小主要依据杀虫灯所处地理位置的天气、日照强度等因素来进行设计[10]。

图2 杀虫灯终端设备系统硬件结构

2.1 设备终端系统核心功能实现流程

终端系统核心功能主要包括两个方面，数据发送功能和指令接收与终端设备控制功能，实现流程如图3所示。

图3 终端系统核心功能实现流程

服务端指的是监测与控制系统，终端指的是设备终端系统。设备终端发送数据的流程主要是首先服务端和终端分别进行初始化，然后终端和服务端建立TCP连接，终端向服务端发送数据，如果服务端没有成功接收，则重复发送数据，当重发次数超过3次时，判断连接是否断开，如果是则重新建立TCP连接[11]，否则尽快检查问题所在。 指令接收与设备控制功能的实现流程首先也是系统初始化和TCP连接，连接成功后由服务端向终端发送控制指令，如果终端成功接收到指令后，便进行相应操作实现对设备的控制，如果未成功接收，则进行数据重发，重发超过3次则需要尽快检查问题所在。

2.2 传感器选型

微控制器搭载的传感器较多，因此传感器选型的好坏不仅关系到整个系统的稳定性和可靠性，同时也会影响系统的成本。经过生产成本的考虑和性能对比，最终选用的传感器如下:

(1) 摄像头模块OV2640是选用某公司生产的CMOS UXGA图像传感器，该传感器具有单片UXGA摄像头和影像处理器的全部功能，由SCCB总线控制。用户能够对照片质量、传输方式和数据格式进行自由控制。其电路原理如图4所示。

图4 OV2640外围电路图

(2) DHT11温湿度模块选用的是一款已校准数字信号输出的温度复合传感器，它应用专用的数字模块技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与长期稳定性。该产品具有成本低、长期温度、超快响应、抗干扰能力强等特点。其电路原理如图5所示。

图5 DHT11电路原理图

2.3 4G无线通信模块

该系统使用4G模块主要负责同监测与控制系统中的TCP服务器进行通信，向TCP服务器发送数据和接收TCP服务器发送过来的数据。本文选用EC20 R2.1 Mini PCIe-C(Audio版本)模块。该模块的工作电压范围在3.3～3.6 V，支持LTE-FDD/LTE-TDD等多种网络制式。该模块支持一路UART接口,支持一路(U)SIM接口,支持一路USB2.0接口,支持3个射频天线接口,支持GPS定位功能。其功能框如图6所示。

图6 EC20 R2.1 Mini PCle-C功能框

3 软件设计

3.1 数据库设计

数据库的设计是软件设计的一个重要环节，可靠高效的数据结构设计是系统安全和温度性的前提，同时规范合理的数据库设计不仅能提高数据的查询效率也是后期大数据分析应用的重要保障。本文系统采用的是MySQL数据库，主要包括ilamp_device_info、ilamp_data、ilamp_region、ilamp_location、ilamp_heart_beat和user表等。

3.2 技术路线

通过功能的划分，本文系统采用了基于B/S模型的3层结构开发[12]，采用MVC框架[13]的设计模式和面向对象的Java语言进行业务逻辑代码的编写，数据库使用的是MySQL，基于JeeSite开发框架来实现整个系统。将系统划分为表现层、业务逻辑层和数据访问层。其中：表现层负责与用户交互;业务逻辑层负责实现系统的业务逻辑;数据访问层则根据业务逻辑层包含的相关指令对数据库进行相应的操作。数据访问层包括MySQL和阿里云对象存储OSS两个部分，MySQL主要用来存储数值型数据，OSS用来存储图片数据。业务逻辑层包括管理后台业务逻辑、后台业务逻辑和数据收集与控制命令发送服务。管理后台业务逻辑主要负责系统管理相关模块数据的增删改查(CRUD);后台业务逻辑主要负责设备相关数据的增删改查操作;数据收集与控制命令发送服务主要负责接收设备终端发送过来的数据和向设备终端发送控制指令。具体的系统技术架构如图7所示。

图7 系统整体技术架构

3.3 功能模块设计与实现

根据业务需求分析和杀虫灯管理的流程，将系统划分为5大功能模块。其中5大功能模块又包含了多个子模块，具体功能模块如图8所示。

图8 系统模块划分

3.3.1基本管理功能

基本管理功能主要包括用户管理、区域管理和权限管理等。用户管理由管理员录入负责管理杀虫灯的个人信息。权限管理则用来通过给角色赋予不同的菜单链接，通过由管理员给用户分配不同的角色，同时一个用户可以拥有不同的角色，不同的角色又拥有不同权限，因此具有较好的灵活性。用户登录系统后所看到的界面是基于该用户所赋予的角色来进行访问的。最后在区域管理中通过配置好的用户与该用户所管理的区域进行相应的关联，从而使得用户能够管理该区域的所有杀虫灯设备。

3.3.2设备管理功能

设备管理功能主要由管理员负责录入和管理所有的杀虫灯设备，其中每个杀虫灯拥有相应的设备编号、设备型号、物联网卡卡号等信息，可以实现对杀虫灯设备的增删改查功能。

3.3.3行政区划功能

行政区划功能负责将所有的杀虫灯进行区块化管理，使得用户能够查看自己管辖类的所有杀虫灯设备，将行政区划分为省级、市级、区县、城镇、乡村等5级，实现对杀虫灯设备的精细化管理。用户通过在地图上切换不同的区域就能够查看到该区域所关联的所有设备。

3.3.4参数设备功能

参数设置功能主要包括最新数据管理和设备设置管理等功能。最新状态管理能够看到当前杀虫灯的最新工作状态，包括启用状态、电池电压状态、灯管电流状态、信号强度信息。用户通过杀虫灯颜色状态的不同可以判断当前该杀虫灯工作状态是否正常。设备设置管理则对杀虫灯的开关状态和数据采集上传的时间频率进行控制，实现用户对杀虫灯设备的远程控制。

3.3.5在线数据接收处理功能

在线数据接收处理功能主要接收由硬件设备将采集到的数据通过4G无线通信模块传送到远端服务器和用户通过Web端对杀虫灯进行相应的远程控制的双向操作数据。网络传输功能的实现主要是通过Netty框架，编写TCP服务器，实现数据的接收和控制指令的发送。Netty是基于异步事件驱动的NIO框架[14-15]。

4 功能实现

通过监测与控制系统查询功能的实现，可以对杀虫灯的最新工作状态进行及时监测。设备最新状态监测界面如图9所示，主要展示了不同设备编号的杀虫灯所对应的启用状态、电池电压状态、灯管电流状态等信息，用户通过状态颜色的不同可以直接判断该杀虫灯当前工作状态是否正常。例如当颜色为绿色时表示正常，为红色时表示异常。同时对于工作有异常的杀虫灯，通过GPS快速定位功能可以准确清楚地知道当前设备所处的地理位置，从而快速地通知相关技术人员前往现场进行维修。GPS定位界面如图10所示。杀虫灯开关状态及数据上传频率如图11所示。

图9 杀虫灯最新状态监测界面

图10 GPS定位界面

图11 杀虫灯状态设置界面

5 结 语

本文设计一种物联网杀虫灯远程状态监测与控制系统。通过利用各类传感器对杀虫灯各项工作参数进行定时的采集和利用4G无线通信模块进行远程实时传输，有效地解决了现有需要人工到现场去查看并检测设备是否正常工作以及人工维护效率低下等问题。同时将Internet网络和4G无线通信技术二者相结合，为分布在偏僻地理位置的杀虫灯终端设备的数据采集与监测控制提供了有效的技术解决途径，具有一定的应用前景和实用价值。此外，用户可以通过在后台监测中心查看远程传输的现场杀虫图片和杀虫数量，通过观察杀虫效果从而灵活地远程调整杀虫灯的开关机时间，使得杀虫效率达到最优化，促进农作物增产增收。