基于物联网的农田虫情及环境信息监测系统设计

2022-06-15 04:58张天鹏侯凡博
安阳工学院学报 2022年4期
关键词:微控制器电路设计计数

张天鹏,侯凡博,李 根

(1.安阳工学院 电子信息与电气工程学院,河南 安阳 455000;2.安阳市山猫自动控制技术研究服务有限公司,河南 安阳 455000)

0 引言

近年来,农业农村部持续推进“互联网+”现代农业建设,推动农业生产数字化转型。农业物联网技术是实现农业生产过程信息化与数字化的重要技术手段,成为农业数字化研究的重要领域[1-2]。美国、以色列、英国、日本等农业水平较为发达的国家,农业物联网已经得到了广泛的发展,很多农业生产过程都已经达到了数字化和自动化的程度。我国学者对农业物联网应用做了大量研究,许多科技成果得到应用。山东省淄博市临淄区、吉林省长春市农安县等地先后建设了生态无人农场,利用物联网、云计算、人工智能、大数据等技术,实现了农场内作物生长环境、土壤状态以及所有机具作业状态的智能实时调控,推动了我国农业生产数字化进程[3-4]。本文设计了一种基于物联网的农田虫情及环境信息监测系统,可以对农田农作物病虫害信息以及环境信息进行监测,为病虫害自动监测预警、精准喷洒农药等提供数据支持。

1 监测系统整体框架

监测系统主要由农业害虫捕捉器、物联网控制单元和云平台应用中心构成,系统整体框架如图1所示[5-6]。农业害虫捕捉器主要由太阳能电池板、锂电池、控制仓、诱捕仓、存储仓、高压包、金属电网、红外计数装置等构成,通过性诱剂捕捉特定种类的农业害虫,利用金属电网对捕获的农业害虫进行击杀。物联网控制单元位于农业害虫捕获器的控制仓,主要由微控制器模块、传感器模块、NB-IoT通信模块等构成,其中传感器模块主要包括风向传感器、风速传感器、光照温湿度传感器、空气质量传感器等,用以监测农田环境中的风速、风向、温湿度、光照、PM2.5、PM10等信息,并对击杀害虫的数量进行计数,微控制器模块将获取的监测数据通过NB-IoT通信网络传输至云平台应用中心。云平台应用中心用于系统监测数据的存储和统计,可以实时显示农业害虫捕杀数量、捕杀时间以及农田自然环境条件信息,并具有报表管理功能,方便用户进行数据统计和分析。

图1 系统整体框架

2 监测系统终端设计

2.1 监测系统终端整体设计

监测系统终端在设计时将害虫捕捉器和物联网控制单元进行有效整合,其中害虫捕捉器主要负责诱捕农业害虫,物联网控制单元负责对捕杀的农业害虫计数和农田环境信息采集,并通过NB-IoT网络将监测数据上传至云平台应用中心,其总体结构设计如图2所示。

图2 监测系统终端总体结构图

诱捕仓包括侧诱捕仓和饵料仓。侧诱捕仓呈竖直设置的圆柱形腔体,位于诱捕仓两侧。饵料仓位于诱捕仓中间,可以同时安装2个诱剂棒,2个诱饵棒中间采用隔板隔开,并采用迷宫式通道与存储仓连通,防止2个诱饵棒的气味相互影响。农业害虫受到诱剂棒的吸引,通过害虫入口进入侧诱捕仓,在通道内接触到金属电网,被高压包释放的高压击杀。被击杀的农业害虫从诱捕仓跌落至存储仓,在此过程中利用红外计数装置对害虫捕杀数量进行计数统计。当害虫捕杀数量达到设定值时,物联网控制单元中的控制器将通过电机驱动倾倒装置,将存储仓中被捕杀的农业害虫进行倾倒。太阳能电池板为锂电池充电,并为监测系统终端中各部分提供合适的工作电压。为了能够及时了解农田环境信息,监测系统终端还配备了风向、风速、光照、温湿度、空气质量等传感器,通过控制器采集农田环境信息,并通过NB-IoT进行信息上传。

2.2 物联网控制单元设计

物联网控制单元是整个监测系统的控制核心,主要用于实现农田环境参数采集、捕杀农业害虫数量计数、倾倒装置驱动、数据处理与存储、数据通信等功能。在设计电路时,微控制器的选择从高性能、低功耗、高性价比等角度出发,选用STM32F103ZET6处理器作为开发平台。STM32F103ZET6是意法半导体(ST)公司生产的一款基于ARM Cortex-M3内核的32位嵌入式微控制器,内部集成了5路USART/UART、8路16位定时器、112个通用I/O等丰富的接口资源[7-8]。本设计主要使用了STM32F103ZET6的USART/UART接口和I/O接口,并通过定时器、中断控制器等实现传感器数据的读取和控制信号的输出。

2.2.1 风速监测电路设计

风速监测电路使用风速变送器GD-FS-RS485实现。GD-FS-RS485采用三杯式设计,使用聚碳酸酯复合材料壳体,具有机械强度大、硬度高、耐腐蚀等特点,测量量程为0~50 m/s,分辨率为0.1 m/s,动态响应时间小于0.5 s,启动风速小于0.2 m/s,采用RS485通信接口和ModBus-RTU通信协议,工作电压5~40 V DC。

GD-FS-RS485有4个引脚,分别为485-A、485-B、电源正和电源负,其接口电路设计如图3所示。图中的SP3485E是一款满足TIA/EIA-485标准要求的RS-485收发器,具备开路失效保护、过温保护、限流保护、过压保护等功能,可以实现高达10 Mbps的无差错数据传输。SP3485E的收/发使能控制信号与STM32F103ZET6的PG12连接,SP3485E的DI、RO分 别 与STM32F103ZET6的 PA9(USART1_TX)、PA10(USART1_RX)连接。PSM712是一款RS485接口静电保护芯片,用以防止总线外部电压过高,保护RS485收发器芯片。

图3 GD-FS-RS485接口电路

2.2.2 风向监测电路设计

风向监测电路使用风向变送器GD-FXRS485实现。GD-FX-RS485采用高性能轴承,转动阻力小,测量精确,动态响应速度小于0.5 s,工作电压5~40 V DC,采集值分为0~7共8档,分别对应北、东北、东、东南、南、西南、西、西北8个指示方向,输出信号采用RS485数字接口方式。GD-FX-RS485有485-A、485-B、电源正和电源负4个引脚,通过SP3485E芯片与STM32F103ZET6连接,其中SP3485E的收/发使能控制信号与PG10连接,DI、RO分别与PB10(USART3_TX)、PB11(USART3_RX) 连 接。GD-FX-RS485工作电压设置为12V DC。

2.2.3 光照温湿度监测电路设计

光照温湿度监测电路使用变送PR-3002-GZWS实现。PR-3002-GZWS内部集成了光照、温度和湿度传感器,其中光照强度测量量程为0-200000 Lux,测量精度为±7% Lux;温度测量量程为(-40 ~ +60)℃,测量精度为±0.5℃;湿度测量测量范围为0%~100%RH,测量精度为±3%RH。PR-3002-GZWS的工作电压10~30 V DC,最大功耗0.4 W,输出信号采用RS485数字接口方式,支持ModBus-RTU通信协议,具有测量范围宽、线形度好、防水性能好、传输距离远等优点。

PR-3002-GZWS有 485-A、485-B、 电 源正和电源负4个引脚,通过SP3485E芯片与STM32F103ZET6连接,其中SP3485E的收/发使能控制信号与PG13连接,DI、RO分别与PC10(UART4_TX)、PC11(UART4_RX) 连 接。PR-3002-GZWS工作电压设置为12 V。

2.2.4 空气质量监测电路设计

空气质量监测电路使用多合一气体传感器模组M701实现。M701内部采用激光颗粒物传感器、红外非分光二氧化碳传感器等,可以测量CO2、PM2.5、PM10等空气质量参数,输出信号采用RS485数字接口方式。CO2的测量范围为400 ppm~5 000 mg/m3,测量精度为±3%+50 mg/m3;PM2.5的测量范围为 0 μg/m3~999 μg/m3,测量精度为±10%;PM10的测量范围为0μg/m3~1 000 μg/m3,测量精度为±10%。

M701的工作电压为5 V DC,通过SP3485E芯片与STM32F103ZET6连接,其中SP3485E的收/发使能控制信号与PG15连接,DI、RO分别与PC12(UART5_TX)、PD2(UART5_RX)连接。

2.2.5 捕杀害虫数量计数电路设计

捕杀害虫数量计数电路采用红外计数方式,使用漫反射光电开关E3Z-D61实现,其接口电路设计如图4所示。E3Z-D61的工作电压为5V DC,工作于常开模式,当无被检测物时,E3Z-D61输出高电平(5V),三极管S8050不导通,STM32F103ZET6的PG9为高电平(3.3V);当被捕杀的害虫通过光电开关时,E3Z-D61输出低电平,三极管S8050导通,STM32F103ZET6的PG9为低电平。因此,当PG9由高电平跳变为低电平时,表示有被捕杀的害虫通过光电开关,捕杀害虫数量计数值加1。E3Z-D61的工作电压为5 V,STM32F103ZET6的工作电压为3.3 V,该电路使用S8050完成电平转化。

图4 E3Z-D61接口电路

2.2.6 通信接口电路设计

通信接口电路采用NB-IoT模组TAS-LTEE33V实现。TAS-LTE-E33V内部集成移芯通信NB-IoT单模芯片EC616,提供了符合ISO7816-3标准的SIM卡接口,自动识别3.0 V和 1.8VSIM卡,支持移动/联通/电信全网通,支持TCP/UDP/MQTT/HTTP等多种网络协议,可以通过串口与控制器通信,支持5~36 V DC宽电压输入。TAS-LTE-E33V的接口电路设计如图5所示,采用12 V DC供电,并增加100 μF/63V电解电容和10 μF/50 V陶瓷电容,同时在VCAP端增加470 μF/63 V电解电容,以减少12 V 电源在脉冲电流作用期间的电压跌落。TAS-LTE-E33V的串口接收端RXD1、串口发送端TXD1分别与STM32F103ZET6的 PA2(USART2_TX)、PA3(USART2_RX)相连[9-10]。

图5 NB-IoT接口电路

2.3 电源电路设计

监测系统的各功能模块工作电压不同,包括12 V、5 V和3.3 V等3种不同的直流工作电压。在电路设计时,采用太阳能和锂电池相结合的供电方式,太阳能电池板为12V24AH的锂电池充电,锂电池输出经过电源管理芯片AP1509-12进行稳压,将输出电压稳定在12 V,为系统提供12 V工作电压,然后使用LM1117-3.3、LM1117-5实现3.3 V和5 V稳压输出[11],其电路设计如图6所示,图中的VIN表示锂电池输出电压。

图6 电源电路设计

3 监测系统软件设计

3.1 物联网控制单元软件设计

物联网控制单元软件设计使用Keilu Vision V5.0作为集成开发环境,采用模块化设计思想,使用C语言编程,主要由主程序循环和功能模块程序构成,功能模块程序以中断程序为主,程序结构清晰,具有良好的可读性和移植性,易于调试和维护,其主程序流程图如图7所示[12-13]。

图7 主程序流程图

控制单元上电复位后,微控制器首先完成CPU初始化,将复位向量装载到程序地址寄存器,并完成系统自检。系统自检通过后,完成定时器、I/O端口、串口通信、NB-IoT模组等初始化操作。系统利用串口USART2与NB-IoT模组通信,并完成NB-IoT组网和云平台注册[14]。此后,控制系统进入主循环,通过中断服务程序完成农田环境数据采集、捕杀害虫数量计数、数据上报、数据接收等任务。当风速、风向、光照温湿度、空气质量等传感器采集完数据后,通过RS485总线按照ModBus协议向微控制器传送数据,微控制器收到数据后,保存至内部数据存储器中。害虫捕捉器诱捕到农业害虫后,捕杀害虫数量计数电路产生电平跳变,触发微控制器内部计数器工作,完成捕杀害虫数量统计,当捕杀害虫数量达到50只后,系统输出驱动信号使倾倒装置动作。系统设定每隔120 s向云平台发送一次数据,当定时器计时到120 s时,微控制器通过串口USART2与NB-IoT模组通信,以AT命令将捕杀害虫数量、风向、风速、CO2、PM2.5、PM10等数据发送给NB-IoT模组,NB-IoT模组将数据打包处理后,使用TCP/IP协议上传至云平台。云平台也可以通过NB-IoT将控制信息传送至微控制器,以便远程对微控制器进行参数设置。

3.2 云平台应用软件设计

本系统的云服务器采用阿里云的ECS云服务器,采用Java语言中开发,采用Spring、Spring MVC和MyBatis框架技术以及JSP视图技术构建Web网页服务。通过TCP/IP网络通信协议与监测系统终端进行数据通信,数据服务器对监测终端上传的数据进行加工处理,并将数据保存到MySQL数据库[15]。用户通过Web应用实现数据显示、数据查询、数据统计、控制命令转发等功能,其中监测数据显示界面如图8所示,农业害虫捕杀数量月统计图如图9所示。

图8 监测数据显示界面

图9 捕杀害虫数量月统计图

4 结论

本系统将农业害虫诱捕器和窄带物联网NBIoT相结合,以STM32F103ZET6为控制核心,通过集成NB-IoT单模芯片EC616的TAS-LTEE33V模组将监测数据传输至阿里云服务器,在云服务器中完成Web网页服务开发,实现了农业害虫捕杀及数量统计、农田环境信息监测的信息化和自动化。本系统能够满足多种常见农业害虫的捕杀和测报需要,同时可以对农田环境信息进行动态监测,为农业工作人员管理农田提供决策和参考。

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