現(xiàn)代電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進步使得物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用獲得了極大的發(fā)展，它被稱為繼計算機,、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(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)代化進程,。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的重點應(yīng)用領(lǐng)域，可極大地提高農(nóng)業(yè)的機械化和產(chǎn)品管理的信息化水平,?；谝惶赚F(xiàn)實的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)工程開發(fā)過程，詳細闡述了采用AVR單片機設(shè)計昆蟲吊飛裝置的基本過程,。同時,，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,。

1 研究現(xiàn)狀

        昆蟲吊飛裝置是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分。為實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)管理的科學(xué)化與合理化過程,，需要設(shè)計昆蟲吊飛裝置來進行實際農(nóng)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(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[1]中設(shè)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(fù)雜性,。

        參考文獻[2]設(shè)計了基于普通計算機的飛行磨軟件,，應(yīng)用圖表控件和表格控件來實現(xiàn)對昆蟲飛行數(shù)據(jù)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(xí)性對其飛行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù),，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(shù)據(jù)以及不能快速地對飛行數(shù)據(jù)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(shè)計了一款基于物聯(lián)網(wǎng)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(guān)參數(shù)通過USB數(shù)據(jù)線傳輸給控制臺,，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(guān)參數(shù)之間的關(guān)系,。實驗測試,，整套系統(tǒng)具有容易操作、結(jié)構(gòu)簡單,、精度高,、抗干擾能力強等特點。

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,、光照檢測、采集通道,、光電傳感器,、USB串口轉(zhuǎn)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(nèi)置A/D的8位單片機，內(nèi)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(shè)置參數(shù)。單片機內(nèi)有1 KB的片內(nèi)SRAM數(shù)據(jù)存儲器,、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(dǎo)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(jù)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(zhuǎn)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(xiàn)單片機與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(shù)字傳感器SHT11。該傳感器是集溫度,、濕度檢測于一體的數(shù)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?qū)崿F(xiàn)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(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(shè)計

        檢測控制系統(tǒng)的軟件設(shè)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(shè)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(diào)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(qū)動程序、單總線驅(qū)動程序等,。其主程序流程圖如圖6所示,。

3.2 上位機軟件設(shè)計

        控制臺軟件采用VB 6.0設(shè)計，并在Windows XP下編譯通過,。該應(yīng)用程序采用事件驅(qū)動方式調(diào)用多線程串口編程工具,，實現(xiàn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的交換，并實時顯示采集數(shù)據(jù)的時間和當前環(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,，無奇偶校驗位，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）報警控制設(shè)定窗體：設(shè)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(shù)據(jù)時間間隔的設(shè)置與控制,，使溫濕度,、光照度等數(shù)據(jù)按照規(guī)定的間隔存儲到歷史數(shù)據(jù)窗體中，方便對數(shù)據(jù)的選取和分析,。

      （6）歷史數(shù)據(jù)窗口：實現(xiàn)對所采集的數(shù)據(jù)與對應(yīng)的時間進行存儲和處理,，以備進行數(shù)據(jù)分析,、研究，并根據(jù)實驗的需要進行數(shù)據(jù)曲線或數(shù)據(jù)列表的打印,。

        本文設(shè)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(shù)據(jù)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(jù)昆蟲的特點在設(shè)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(jié)構(gòu)簡單、精度高,、抗干擾能力強等特點,。

參考文獻

[1] 吳迅.昆蟲飛行速度和持續(xù)時間監(jiān)測儀硬件設(shè)計[J].華東昆蟲學(xué)報，2007,，16(4)：315-320.

[2] 張思勃,，陳鐘榮.VS2005下昆蟲飛行磨數(shù)據(jù)分析軟件設(shè)計[J].信息化研究，2012,，38(1)：33-36.

[3] 趙宇,，陳鐘榮，潘帥,，等.多通道昆蟲飛行磨設(shè)計[J].科學(xué)技術(shù)與工程,，2013，13(17)：4779-4783.

[4] 夏春華,，李盛輝,，尹文慶.改進簡化的ZigBee無線協(xié)議在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用[J].中國農(nóng)機化學(xué)報，2013,，34(4)：226-230.

[5] 黃學(xué)飛,，張孝羲，翟保平.交配對稻縱卷葉螟飛行能力及再遷飛能力的影響[J].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,，2010,，33(5)：23-28.

[6] 王武禮，楊華.基于SHT11的糧倉溫濕度測控系統(tǒng)的設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器,，2010,，32(9)：50-51.

[7] 云中華，白天蕊.基于BH1750FVI的室內(nèi)光照強度測量儀[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,，2012(6)：27-29.

[8] 唐洪富,，張興波.基于STC系列單片機的智能溫度控制器設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013,，39(5)：86-88.

[9] 陳致遠,，朱葉承,，周卓泉，等.一種基于STM32的智能家居控制系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2013,，39(5)：138-140.