現(xiàn)代電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步使得物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用獲得了極大的發(fā)展，它被稱為繼計(jì)算機(jī)、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(gè)是重要特征是全面感知。利用射頻識(shí)別RFID、傳感器、二維碼等隨時(shí)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(shù)構(gòu)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(shù)，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和現(xiàn)代信息化技術(shù)的結(jié)合，節(jié)省了人力，提高了農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域，可極大地提高農(nóng)業(yè)的機(jī)械化和產(chǎn)品管理的信息化水平。基于一套現(xiàn)實(shí)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)工程開(kāi)發(fā)過(guò)程，詳細(xì)闡述了采用AVR單片機(jī)設(shè)計(jì)昆蟲(chóng)吊飛裝置的基本過(guò)程。同時(shí)，介紹了該方面的研究現(xiàn)狀，給出了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、原理及系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。

1 研究現(xiàn)狀

昆蟲(chóng)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(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)管理的科學(xué)化與合理化過(guò)程，需要設(shè)計(jì)昆蟲(chóng)吊飛裝置來(lái)進(jìn)行實(shí)際農(nóng)田昆蟲(chóng)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(xiàn)［1］中設(shè)計(jì)了利用計(jì)算機(jī)記錄昆蟲(chóng)飛行狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置由兩部分組成，一部分是飛行磨供昆蟲(chóng)飛行;另一部分是光電傳感器和微機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，記錄信號(hào)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別、分析、歸類(lèi)，最后送往計(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)時(shí)需要對(duì)每一個(gè)通道進(jìn)行布線，增加了復(fù)雜性。

參考文獻(xiàn)［2］設(shè)計(jì)了基于普通計(jì)算機(jī)的飛行磨軟件，應(yīng)用圖表控件和表格控件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)昆蟲(chóng)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、顯示、對(duì)比分析等操作。其缺點(diǎn)是不能夠按照每種昆蟲(chóng)的習(xí)性對(duì)其飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行有針對(duì)性的對(duì)比分析。

參考文獻(xiàn)［3］介紹了一種基于STC12C5A60S2單片機(jī)的多通道飛行磨，能同時(shí)進(jìn)行20路昆蟲(chóng)數(shù)據(jù)的采集。還可對(duì)吊飛環(huán)境的溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。但這對(duì)于需要較多通道的實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，效率很低。前面分別介紹了幾個(gè)具有各自特點(diǎn)的吊飛裝置。雖然能夠測(cè)量得到一部分昆蟲(chóng)飛行數(shù)據(jù)，但也存在著實(shí)驗(yàn)通道少、時(shí)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(duì)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)等缺點(diǎn)。

本文以Atmel公司的AVR單片機(jī)為控制芯片設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的昆蟲(chóng)吊飛裝置，能對(duì)30路的中小型昆蟲(chóng)的飛行距離和飛行速度進(jìn)行精確的測(cè)試和檢測(cè)，并能把相關(guān)參數(shù)通過(guò)USB數(shù)據(jù)線傳輸給控制臺(tái)，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(bào)警控制的功能，能夠近似模擬自然條件下昆蟲(chóng)個(gè)體的飛行與營(yíng)養(yǎng)、溫度、濕度、光照等相關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)測(cè)試，整套系統(tǒng)具有容易操作、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及原理

系統(tǒng)由MCU控制單元、溫濕度檢測(cè)、光照檢測(cè)、采集通道、光電傳感器、USB串口轉(zhuǎn)換電路及控制臺(tái)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(jī)，它是一款采用先進(jìn)RISC精簡(jiǎn)指令、低功耗和快速的內(nèi)置A/D的8位單片機(jī)，內(nèi)部具有豐富的資源。其包含32個(gè)通用可編程的I/O引腳，通過(guò)控制程序可以對(duì)每個(gè)端口單獨(dú)設(shè)置參數(shù)。單片機(jī)內(nèi)有1 KB的片內(nèi)SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(hào)放大電路，用來(lái)放大由光敏三極管輸出的電信號(hào)。電阻R5在這里作為限流電阻使用，防止因電流過(guò)大而燒毀發(fā)光二極管。其工作原理：昆蟲(chóng)在飛行時(shí)帶動(dòng)一個(gè)擋板，每飛行一圈就會(huì)遮擋光電傳感器一次，遮擋時(shí)，光敏三極管工作在截至區(qū)，這時(shí)由于R3和R4的分壓，使三極管Q1導(dǎo)通，Out端輸出低電平信號(hào);未遮擋時(shí)，光敏三極管工作在飽和區(qū)，這時(shí)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(hào)。所以根據(jù)Out端的電平信號(hào)就可以判斷昆蟲(chóng)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(zhuǎn)換器芯片，可提供一個(gè)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(gè)USB接口模擬為一個(gè)串口，可以方便地實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC之間的數(shù)據(jù)通信。圖3為所用的PL2303串口轉(zhuǎn)換電路，圖中的USB接PC的USB口，Rx、Tx分別接單片機(jī)的Rxd、Txd引腳。

2.4 環(huán)境狀態(tài)測(cè)量及報(bào)警

為了對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的光照、溫濕度等環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行測(cè)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(cè)于一體的數(shù)字式傳感器，由一個(gè)NTC測(cè)溫元件和一個(gè)電阻式測(cè)濕元件組成，溫度測(cè)量范圍為-40～+123.8 ℃，濕度測(cè)量范圍為0～100%RH，分別用來(lái)測(cè)量實(shí)驗(yàn)環(huán)境的溫度和濕度。其與單片機(jī)之間僅需要2個(gè)I/O口就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)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(qiáng);另外其功耗也非常低，非常適合采用電池供電的移動(dòng)式的野外工作。其電路原理圖如圖4所示。

光照信號(hào)的測(cè)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(zhuǎn)換器直接數(shù)字輸出，省略復(fù)雜的計(jì)算，省略標(biāo)定，不區(qū)分環(huán)境光源，接近于視覺(jué)靈敏度的分光特性，可對(duì)廣泛的亮度進(jìn)行1 LX的高精度測(cè)定。而且其與單片機(jī)的連接非常方便，使用標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)

檢測(cè)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為下位機(jī)程序和上位機(jī)軟件兩部分。

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

ATMega16微處理器支持C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)工具采用先進(jìn)的JTAG調(diào)試，其軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境KEIL由ARM公司提供。整個(gè)下位機(jī)程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，主要包括主程序、初始化程序、定時(shí)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(xiě)程序、SPI驅(qū)動(dòng)程序、單總線驅(qū)動(dòng)程序等。其主程序流程圖如圖6所示。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

控制臺(tái)軟件采用VB 6.0設(shè)計(jì)，并在Windows XP下編譯通過(guò)。該應(yīng)用程序采用事件驅(qū)動(dòng)方式調(diào)用多線程串口編程工具，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量系統(tǒng)與PC之間的異步通信，其共有以下幾個(gè)窗口模塊：

（1）啟動(dòng)窗口：顯示上位機(jī)操控的啟動(dòng)界面。

（2）主控窗口：控制臺(tái)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(guò)串口控件、時(shí)間控件與單片機(jī)進(jìn)行通信，完成數(shù)據(jù)的交換，并實(shí)時(shí)顯示采集數(shù)據(jù)的時(shí)間和當(dāng)前環(huán)境的溫濕度、光照度等數(shù)值。

（3）串口設(shè)置窗口：設(shè)定COM端口號(hào)與傳輸波特率，確保傳輸?shù)挠行院涂煽啃?。本系統(tǒng)串口的波特率設(shè)置為38 400 b/s，無(wú)奇偶校驗(yàn)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(bào)警控制設(shè)定窗體：設(shè)置環(huán)境溫濕度報(bào)警的上下限，通過(guò)與采集到的環(huán)境溫濕度、光照度值進(jìn)行比較來(lái)決定是否啟動(dòng)報(bào)警控制系統(tǒng)。

（5）采樣時(shí)間間隔窗口：通過(guò)對(duì)采集數(shù)據(jù)時(shí)間間隔的設(shè)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(chǔ)到歷史數(shù)據(jù)窗體中，方便對(duì)數(shù)據(jù)的選取和分析。

（6）歷史數(shù)據(jù)窗口：實(shí)現(xiàn)對(duì)所采集的數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的時(shí)間進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，以備進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、研究，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要進(jìn)行數(shù)據(jù)曲線或數(shù)據(jù)列表的打印。

本文設(shè)計(jì)了一套基于微控制器的中小型昆蟲(chóng)吊飛行為，具有30路昆蟲(chóng)飛行數(shù)據(jù)采集通道的測(cè)試控制系統(tǒng)，具有溫濕度、光照監(jiān)測(cè)及報(bào)警控制電路，使實(shí)驗(yàn)人員可以根據(jù)昆蟲(chóng)的特點(diǎn)在設(shè)定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下對(duì)昆蟲(chóng)進(jìn)行測(cè)試。整套系統(tǒng)具有操作容易、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。