如何利用物聯網技術來設計昆蟲吊飛裝置

現代電子技術和網絡技術的進步使得物聯網的應用獲得了極大的發展，它被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業發展的第三次浪潮。物聯網的一個是重要特征是全面感知。利用射頻識別RFID、傳感器、二維碼等隨時隨地獲取物體的信息。

農業物聯網系統是基于傳感器技術構建的智能化作物管理系統，其依賴物聯網和傳感器與信息技術，實現了傳統農業和現代信息化技術的結合，節省了人力，提高了農業的現代化進程。農業物聯網是物聯網的重點應用領域，可極大地提高農業的機械化和產品管理的信息化水平。基于一套現實的農業物聯網系統工程開發過程，詳細闡述了采用AVR單片機設計昆蟲吊飛裝置的基本過程。同時，介紹了該方面的研究現狀，給出了系統總體結構、原理及系統的軟件設計。

1 研究現狀

昆蟲吊飛裝置是農業物聯網系統的重要組成部分。為實現物聯網農業管理的科學化與合理化過程，需要設計昆蟲吊飛裝置來進行實際農田昆蟲的監控，以便了解其生活遷徙規律和飛行能力，并以此作為農業物聯網系統決策部署的重要依據。

參考文獻［1］中設計了利用計算機記錄昆蟲飛行狀態的實驗裝置，該裝置由兩部分組成，一部分是飛行磨供昆蟲飛行;另一部分是光電傳感器和微機檢測系統，記錄信號并對信號進行識別、分析、歸類，最后送往計算機顯示和打印。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，并且實驗時需要對每一個通道進行布線，增加了復雜性。

參考文獻［2］設計了基于普通計算機的飛行磨軟件，應用圖表控件和表格控件來實現對昆蟲飛行數據進行收集、顯示、對比分析等操作。其缺點是不能夠按照每種昆蟲的習性對其飛行數據進行有針對性的對比分析。

參考文獻［3］介紹了一種基于STC12C5A60S2單片機的多通道飛行磨，能同時進行20路昆蟲數據的采集。還可對吊飛環境的溫濕度進行實時監測。但這對于需要較多通道的實驗來說，效率很低。前面分別介紹了幾個具有各自特點的吊飛裝置。雖然能夠測量得到一部分昆蟲飛行數據，但也存在著實驗通道少、時間不夠精確、不能智能化地采集數據以及不能快速地對飛行數據進行統計等缺點。

本文以Atmel公司的AVR單片機為控制芯片設計了一款基于物聯網系統的昆蟲吊飛裝置，能對30路的中小型昆蟲的飛行距離和飛行速度進行精確的測試和檢測，并能把相關參數通過USB數據線傳輸給控制臺，以數據表格的形式顯示和打印。該系統具有溫濕度傳感器和報警控制的功能，能夠近似模擬自然條件下昆蟲個體的飛行與營養、溫度、濕度、光照等相關參數之間的關系。實驗測試，整套系統具有容易操作、結構簡單、精度高、抗干擾能力強等特點。

2 系統總體結構及原理

系統由MCU控制單元、溫濕度檢測、光照檢測、采集通道、光電傳感器、USB串口轉換電路及控制臺組成。系統框圖如圖1所示。

如何利用物聯網技術來設計昆蟲吊飛裝置

2.1 MCU控制單元

MCU控制單元采用Atmel公司的ATMega16單片機，它是一款采用先進RISC精簡指令、低功耗和快速的內置A/D的8位單片機，內部具有豐富的資源。其包含32個通用可編程的I/O引腳，通過控制程序可以對每個端口單獨設置參數。單片機內有1 KB的片內SRAM數據存儲器、16 KB的系統內可編程Flash以及512 B E2PROM，重要數據可以存放在E2PROM中。

2.2 光電傳感器單元

該系統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等組成信號放大電路，用來放大由光敏三極管輸出的電信號。電阻R5在這里作為限流電阻使用，防止因電流過大而燒毀發光二極管。其工作原理：昆蟲在飛行時帶動一個擋板，每飛行一圈就會遮擋光電傳感器一次，遮擋時，光敏三極管工作在截至區，這時由于R3和R4的分壓，使三極管Q1導通，Out端輸出低電平信號;未遮擋時，光敏三極管工作在飽和區，這時由于三極管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。所以根據Out端的電平信號就可以判斷昆蟲的狀態是飛行還是停止。

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2.3 串口通信單元

本系統采用的PL2303是一種高度集成的RS232-USB接口轉換器芯片，可提供一個RS232全雙工異步串行通信裝置與USB接口聯接的解決方案，完全兼容USB2.0協議。能把PC的一個USB接口模擬為一個串口，可以方便地實現單片機與PC之間的數據通信。圖3為所用的PL2303串口轉換電路，圖中的USB接PC的USB口，Rx、Tx分別接單片機的Rxd、Txd引腳。

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2.4 環境狀態測量及報警

為了對實驗環境中的光照、溫濕度等環境狀態進行測量和控制，這里采用溫濕度一體化的數字傳感器SHT11。該傳感器是集溫度、濕度檢測于一體的數字式傳感器，由一個NTC測溫元件和一個電阻式測濕元件組成，溫度測量范圍為-40～+123.8 ℃，濕度測量范圍為0～100%RH，分別用來測量實驗環境的溫度和濕度。其與單片機之間僅需要2個I/O口就能夠實現對濕度和溫度的采集，連接控制非常方便。其傳輸可靠性高，抗干擾能力強;另外其功耗也非常低，非常適合采用電池供電的移動式的野外工作。其電路原理圖如圖4所示。

光照信號的測量采用BH1750FVI數字光照傳感器，該傳感器供電電源為3～5 V，光照度范圍為0～65 535 LX;傳感器內置16 bit A/D轉換器直接數字輸出，省略復雜的計算，省略標定，不區分環境光源，接近于視覺靈敏度的分光特性，可對廣泛的亮度進行1 LX的高精度測定。而且其與單片機的連接非常方便，使用標準的I2C通信協議。其電路原理圖如圖5所示。

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3 系統軟件設計

檢測控制系統的軟件設計分為下位機程序和上位機軟件兩部分。

3.1 下位機軟件設計

ATMega16微處理器支持C語言開發，開發工具采用先進的JTAG調試，其軟件集成開發環境KEIL由ARM公司提供。整個下位機程序采用C語言編寫，主要包括主程序、初始化程序、定時采樣中斷處理程序、串行接收中斷處理程序、UART串口發送程序、Flash讀寫程序、SPI驅動程序、單總線驅動程序等。其主程序流程圖如圖6所示。

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