基于物联网的农业虫害智能监控系统
张恩迪，张佳锐
（湖南大学物理与微电子科学学院，长沙
摘
410082）
要：为提高我国农业抗病虫害的整体水平，精准研究农作物生长环境对虫害数目变化趋势的影响尤为重要。
基于物联网的农业虫害智能监控系统研发了一套自动采集农田环境信息、害虫数目，并且可以进行设备参数设置的系统。采用K－means聚类算法从拍摄图片背景中提取稻飞虱和最小二乘法椭圆拟合，用椭圆率区分虫体和杂质统计稻飞虱数目。同时，详细介绍了系统的硬件组成和软件设计功能模块，实现了虫害等信息的自动采集和自动化运作，为有效防控病虫害奠定基础。关键词：物联网；GPＲS/GPS；农业病虫害；中图分类号：TP273．4
DOI:10.13427/ki.njyi.2015.05.051
+
K－means；椭圆拟合；智能监控
文章编号：1003－188X（2015）05－0229－06
文献标识码：A
0引言
物联网技术的发展给我国农业发展带来了新的机
精准定位、无线传输、网络发布、实信息的自动采集、
时监控和远程设备参数设置等功能
［1］
。本系统研究
了农作物生长环境与病虫害、昆虫诱捕量与病虫害的关系，进而为研究农作物生长环境、病虫害等与产量、质量的相关性与应对方案打下基础。
基于物联网的农业虫害智能监控系统的体系构架（见图1）由3层组成，由下往上依次是监测站点感知层、网络传输层和服务器应用管理层。
人均耕地稀少的国遇和挑战。我国是一个人口众多，
家，随着自然生态环境逐渐恶化和城市化进程日益加速，人均可用耕地面积将进一步减少。传统农业生产存在很多问题如基础设施薄弱、管理粗放、生产技术落后及抵御自然灾害能力差等。农业病虫害是农作物生长过程中遭受的重大客观存在的自然灾害，直接威胁着农作物的产量和品质。
本系统是基于“十二五”国家科技支撑计划“农村物联网综合信息服务科技工程”的项目，以湖南省20hm2生态茶叶示范基地和20hm2袁隆平水稻田示范基地为例，设计一套集远程农作物环境监控、病虫害监测、专家数据库智能分析数据和设备参数智能设置为一体的农业虫害监控系统，旨在有效提升农业生产技术的管理水平，建立智能化农业信息网。其对于指导农业生产，提高农业病虫害预测防控的准确率和减少农作物损害，指导我国的农业科学生产具有重大意义。
图1Fig．1
系统的体系构架
Architectureofthesystem
1系统总体结构设计
基于物联网的农业虫害智能监控系统利用
2监测站点感知层设计
温农作物生产环境是一个开放复杂的生态系统，
GPＲS/GPS及Internet等多种网络，实现多平台的农田
收稿日期：2014－05－19
基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目（2012BAD35B06）作者简介：张恩迪（1964－），男，湖南常德人，高级工程师，硕士生导
（E－mail）zediot@163．com。师，
（E－mail）通讯作者：张佳锐（1989－），女，湖北襄阳人，硕士研究生，
marvellouszhang@163．com。
度、湿度、光照以及地理位置等生长环境信息都与虫害数目的变化息息相关，因此准确、有效获取农作物生长环境数据与虫害数量是十分必要的。
监测站点是系统的底层终端，主要负责农作物生长环境数据的采集、处理、存储和转发，用户也可以通
过监测站点终端查询和监控传感器的工作状态。感知层信息采集终端硬件结构图，如图2所示。
于农田潮湿环境、单数据线输出的AM2305。供电电压为3．3～6V。温度测量范围为－40～125℃，测量精度为±0．3℃；相对湿度测量范围为0～100%，测量精度为±2%。温湿度传感器输出已校准数字信号。光照强度传感器采用16位高精度数字光强度传感器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，可支持较大范围的光照强度变化。昆虫计数传感器采用DATA－LYNX型昆虫自动计数站，内部由昆虫计数传感器和数据采集器组成，运用昆虫激素吸引相应昆虫撞击传感器，形成脉冲信号来计数，从而准确记录昆虫的数量。
监测站点地理位置获取选用带有时间校准功能的GPS模块BS－126GPS。GPS接收机在上电完成初始
图2
Fig．2
监测站点信息采集终端硬件结构图
化后，天线自动接收导航卫星实时播发导航电文（$GPＲMC帧数据），GPS模块将采集的导航电文通微处理器模块提取出精过串口中断发送到微处理器，
UTC时间和日期等信息。BS－126连接电路度、纬度、如图4所示。STM32F105的GPIO端口PA1与场效应晶体管AO4803构成控制电路，控制BS－126的启动和停止。
Hardwarestructurediagramofimformationcollectionterminal
由图2可以看出，感知层信息采集终端使用了模块化结构设计，由供电模块、核心处理器模块、监测传感器组模块（温湿度传感器、光照强度、昆虫计数传感器）、定位模块及通讯模块等组成。
为了适应农作物生长的露天开放环境，监测站点供电采用太阳能供电和锂电池储能。太阳能充电结构图如图3所示。太阳能电池板的输出电源VCC，经过集成电路CN3722对锂电池充电。该芯片充电管理采用PWM降压模式，具有太阳能电池最大功率点跟踪功能及恒流和恒压多种充电模式。锂电池电压在3．6～+4．2V，经过降压稳压后可以对微处理器及外围模块供电
。
图3
Fig．3
太阳能充电结构图
Solarenergychargingcircuitstructure
监测站点终端采集信息核心控制芯片采用STM32F105，它采用高性能的AＲMCOＲTEX－M332位精简指令集，拥有标准和先进的通讯接口，可以满足监测站点传感器采集信息的硬件要求。该芯片可以工作在－40～+105℃的温度范围，以2～3．6V供电，适应于野外监测环境。监测站点在能量管理上采用休眠/运行机制，拥有一套全面的节电模式允许低功耗设计应用。本系统一般处于休眠状态，如进行数据采集和发送，转入运行状态。
监测站点感知层设计中，温湿度传感器采用适用
图4Fig．4
BS－126连接电路
BS－126connectioncircuit
监测站点感知层设计中，传感器模块每日采集大量数据存储在FLASH中，采用SPI通信的25Q80模
块，存储器用于存放设备参数信息、采集的数据和作为大容量缓冲区。为了方便监测站点采集信息与用户的交互，采用图形LCDLX－12864B液晶屏显示，采用覆盖LCD显示屏的防水薄膜键盘，用户可以通过操作键盘查询FLASH中存储的历史及实时信息，设置采集间隔。