文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)07-0027-03
現代電子技術和網絡技術的進步使得物聯(lián)網的應用獲得了極大的發(fā)展，它被稱為繼計算機、互聯(lián)網之后世界信息產業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。物聯(lián)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(yè)物聯(lián)網系統(tǒng)是基于傳感器技術構建的智能化作物管理系統(tǒng)，其依賴物聯(lián)網和傳感器與信息技術，實現了傳統(tǒng)農業(yè)和現代信息化技術的結合，節(jié)省了人力，提高了農業(yè)的現代化進程。農業(yè)物聯(lián)網是物聯(lián)網的重點應用領域，可極大地提高農業(yè)的機械化和產品管理的信息化水平。基于一套現實的農業(yè)物聯(lián)網系統(tǒng)工程開發(fā)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(tǒng)總體結構、原理及系統(tǒng)的軟件設計。
1 研究現狀
昆蟲吊飛裝置是農業(yè)物聯(lián)網系統(tǒng)的重要組成部分。為實現物聯(lián)網農業(yè)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(jiān)控，以便了解其生活遷徙規(guī)律和飛行能力，并以此作為農業(yè)物聯(lián)網系統(tǒng)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(tài)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(tǒng)，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(huán)境的溫濕度進行實時監(jiān)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(tǒng)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(lián)網系統(tǒng)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(tǒng)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(yǎng)、溫度、濕度、光照等相關參數之間的關系。實驗測試，整套系統(tǒng)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(tǒng)總體結構及原理
系統(tǒng)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(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，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(tǒng)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(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(fā)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(qū)，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(qū)，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(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(lián)接的解決方案，完全兼容USB2.0協(xié)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。
2.4 環(huán)境狀態(tài)測量及報警
為了對實驗環(huán)境中的光照、溫濕度等環(huán)境狀態(tài)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(huán)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(qū)分環(huán)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(xié)議。其電路原理圖如圖5所示。
3 系統(tǒng)軟件設計
檢測控制系統(tǒng)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(fā)，開發(fā)工具采用先進的JTAG調試，其軟件集成開發(fā)環(huán)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(fā)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。
3.2 上位機軟件設計
控制臺軟件采用VB 6.0設計，并在Windows XP下編譯通過。該應用程序采用事件驅動方式調用多線程串口編程工具，實現了測量系統(tǒng)與PC之間的異步通信，其共有以下幾個窗口模塊：
（1）啟動窗口：顯示上位機操控的啟動界面。
（2）主控窗口：控制臺操控的主界面，包含30路采集通道采集數據的子窗體。PC通過串口控件、時間控件與單片機進行通信，完成數據的交換，并實時顯示采集數據的時間和當前環(huán)境的溫濕度、光照度等數值。
（3）串口設置窗口：設定COM端口號與傳輸波特率，確保傳輸的有效性和可靠性。本系統(tǒng)串口的波特率設置為38 400 b/s，無奇偶校驗位，8 bit數據位，如果是普通的串口線連接，需采用交叉串口線。
（4）報警控制設定窗體：設置環(huán)境溫濕度報警的上下限，通過與采集到的環(huán)境溫濕度、光照度值進行比較來決定是否啟動報警控制系統(tǒng)。
（5）采樣時間間隔窗口：通過對采集數據時間間隔的設置與控制，使溫濕度、光照度等數據按照規(guī)定的間隔存儲到歷史數據窗體中，方便對數據的選取和分析。
（6）歷史數據窗口：實現對所采集的數據與對應的時間進行存儲和處理，以備進行數據分析、研究，并根據實驗的需要進行數據曲線或數據列表的打印。
本文設計了一套基于微控制器的中小型昆蟲吊飛行為，具有30路昆蟲飛行數據采集通道的測試控制系統(tǒng)，具有溫濕度、光照監(jiān)測及報警控制電路，使實驗人員可以根據昆蟲的特點在設定的實驗環(huán)境下對昆蟲進行測試。整套系統(tǒng)具有操作容易、結構簡單、精度高、抗干擾能力強等特點。
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