張平川，白巧靈，曲培新,白林峰,趙明富,張利偉,許 睿

(河南科技學(xué)院a.信息工程學(xué)院；b.外國語學(xué)院， 河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引言

目前，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域已經(jīng)非常普及，特別是溫室物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用最為廣泛，可以采集環(huán)境參數(shù)，如溫濕度、光照度、氮磷鉀NPK、二氧化碳濃度等，實現(xiàn)了自動化的養(yǎng)殖[1,2]、種植[3-5]，提高了生產(chǎn)效率和自動化水平.但是對溫室內(nèi)作物的害蟲防控問題，還沒有基于物聯(lián)網(wǎng)的物理防控解決方案，長期以來一直采用噴灑化學(xué)農(nóng)藥防治，隨著害蟲抗藥性增強(qiáng)，農(nóng)藥用量越來越大，由此造成了嚴(yán)重農(nóng)藥殘留、環(huán)境污染，已經(jīng)成為一個社會問題.因此，本文擬構(gòu)建一個典型溫室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，嘗試物理熱學(xué)方法防控溫室蔬菜害蟲的方案，以溫室蔬菜常見的蚜蟲為實驗對象，采用STM32F401高性能ARM嵌入式系統(tǒng)控制溫室內(nèi)的溫濕度參數(shù)，形成一個高溫高濕度環(huán)境并保持一定時間，代替化學(xué)農(nóng)藥達(dá)到防控蔬菜害蟲的效果，避免農(nóng)藥引起的環(huán)境污染和蔬菜的農(nóng)藥殘留，實現(xiàn)溫室蔬菜的生態(tài)種植，具有巨大的社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益.

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的功能，設(shè)計的溫室害蟲物理防控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)方框圖如圖1所示.系統(tǒng)是一個典型的多傳感器集成系統(tǒng).

圖1 具有物理防控害蟲功能的溫室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)方框圖Fig. 1 Diagram of the greenhouse IoT withphysical control pest

圖1中，ARM STM32F401嵌入式系統(tǒng)為系統(tǒng)控制核心，是基于 STM32F401 系列 ARM?CortexTM-M4 的 MCU，工作頻率性能達(dá)到84 MHz、105 DMIPS/285 Core Mark 性能.帶DSP數(shù)字信號處理和FPU浮點(diǎn)單元，通信外設(shè)接口(USART、SPI、I2C、I2S)和音頻 PLL.Flash ROM閃存容量高達(dá) 256 kB，SRAM容量高達(dá) 64 kB，具有12 位 ADC和16 位/32 位計時器.芯片工作電壓范圍較寬：1.7 ～3.6 V.低功耗設(shè)計，電源效率為ART 加速器和動態(tài)電源比例高.

STM32F401RE微控制器同樣可以適用于其他不同的應(yīng)用領(lǐng)域，如管理醫(yī)療和移動應(yīng)用或現(xiàn)場總線驅(qū)動的工業(yè)傳感器模塊等領(lǐng)域.

主要傳感器或模塊的功能及選用如下：

(1)光照度傳感器

采用GZD光照度傳感器(硅藍(lán)光伏探測器)，對微弱光線具有較高感知性能；能適用于多類應(yīng)用環(huán)境，且可以設(shè)置不同的量程，具有線形度好、測量范圍寬、傳輸距離遠(yuǎn)、防水性能好、安裝簡單等特點(diǎn).

GZD傳感器的主要性能參數(shù)如下：

1)感光體： 帶濾光片的硅藍(lán)光伏探測器.

2)測量范圍： 0～200 000 lx.

3)準(zhǔn) 確 度： ±7%.

4)溫度特性： ±0.5%(℃).

5)重復(fù)測試： ±5%.

6)波長測量范圍： 380～730 nm.

7)輸出形式： 二線制4～20 mA電流輸出.

8)三線制0～5 V電壓輸出.

(2)二氧化碳傳感器

用于檢測溫室內(nèi)的CO2濃度，采用MQ-2傳感器.

(3)濕度傳感器

采用RHD40濕度傳感器，該傳感器為電容式濕敏元件，具有線性度好、長期使用溫漂小、響應(yīng)速度快、一致性、重復(fù)性好、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，且具備40 ℃以上溫度下工作的性能，具有長期穩(wěn)定性及抗腐蝕能力.

(4)高光譜傳感器

采用Micro-Hyperspec 微型成像光譜儀用于識別害蟲監(jiān)控蟲情.該傳感器采用全反射同心光學(xué)設(shè)計，原始全息光柵.小巧輕便，堅固耐用，最小可做到0.7 kg.配備相應(yīng)的配件可在野外或室內(nèi)實驗使用.可選的波段范圍寬：UV-VIS(250～500 nm)，VNIR(400～1000 nm), NIR(900～1700 nm), Ext.VNIR (600～1700 nm),SWIR(900～2500 nm),可滿足不同應(yīng)用需求使用.

(5)WiFi模塊

WiFi模塊采用EMW3080.EMW3080是單3.3 V供電的、集成Wi-Fi和Cortex-M4F MCU的嵌入式Wi-Fi模塊，最高支持133 MHz主頻和256 kB RAM，強(qiáng)大的浮點(diǎn)運(yùn)算.

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)是一個典型的多傳感器物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng).系統(tǒng)的主程序流程圖如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)主程序流程圖Fig. 2 Flow chart of system main program

由于本系統(tǒng)是多傳感器系統(tǒng)，因此，必須采用多傳感器的信息融合技術(shù)，才可有效地進(jìn)行分類識別決策.數(shù)據(jù)處理采用加權(quán)平均法[6].

已知一階慣性濾波器的差分方程為：

(1)

式(1)中：w(1),w(2), …,w(N)為加權(quán)系數(shù)；x(k)為第k個采樣時刻帶干擾的原始信號；y(k)為第k個采樣時刻濾波器的輸出，且滿足式(2)：

(2)

加權(quán)平均法算法流程圖如圖3所示.

3 系統(tǒng)試驗及結(jié)果分析

系統(tǒng)實現(xiàn)后，在物聯(lián)網(wǎng)溫室模型中進(jìn)行了害蟲防控試驗，試驗對象為豆角和黃瓜較為常見的蚜蟲.試驗中，STM32F401控制溫濕度傳感器實時測控溫濕度數(shù)據(jù)按照設(shè)定值運(yùn)行，試驗遵循的原則是，滅殺蚜蟲效果好且保證蔬菜不受損害，能正常生長，如果蔬菜不能正常生長，說明試驗參數(shù)不合適.試驗在6個大棚進(jìn)行,每個大棚設(shè)置的參數(shù)和6組試驗的數(shù)據(jù)見表1.

圖3 加權(quán)平均法數(shù)據(jù)處理算法流程圖Fig. 3 Flow chart of weighted averagemethod data processing

表1 溫室物理防控蔬菜害蟲試驗數(shù)據(jù)Tab. 1 Experimental data of vegetable pests in greenhouse

從表1看出：同樣的溫度濕度條件下，保持時間越長，有利于提高蚜蟲的滅殺率；同樣的溫度和保持時間的情況下，適度提高濕度，有利于提高蚜蟲滅殺率；同樣的濕度和保持時間下，溫度升高，有利于提高蚜蟲滅殺率；其中，溫度41 ℃時，在設(shè)定的濕度和保持時間下，均能100%滅殺蚜蟲，但是，經(jīng)觀察，此時的蔬菜受到了不可恢復(fù)的傷害.從實驗數(shù)據(jù)中不難看出，在不影響蔬菜植株安全生長的前提下，滅殺蚜蟲最佳的參數(shù)組合是溫度40 ℃、濕度85%～90%、保持時間4 h.

4 結(jié)論

設(shè)計的具有物理防控農(nóng)作物害蟲功能的溫室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，與文獻(xiàn)[7-10]的物聯(lián)網(wǎng)相比，除了基本的參數(shù)采集等基本功能外，系統(tǒng)還實現(xiàn)了采集的溫室環(huán)境相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)通過Wi-Fi模塊EMW3080將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理，并對數(shù)據(jù)分析，可作為深入研究溫室蔬菜生長環(huán)境參數(shù)的調(diào)控的數(shù)據(jù)基礎(chǔ).發(fā)生蟲害時，通過STM32F401控制相關(guān)的設(shè)備，將溫度和濕度調(diào)到設(shè)定值，并保持4 h，有效達(dá)到了防控溫室害蟲的目的.

針對蚜蟲的試驗表明，能有效防控溫室日常蔬菜的蚜蟲，代替了農(nóng)藥防控，具有潛在的生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)與社會效益.下一步需要研究溫室其他害蟲的物理熱學(xué)防控所需要的合適的溫濕度與時間參數(shù)，促進(jìn)生態(tài)種植等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展.