如何利用物联网技术来设计昆虫吊飞装置

现代电子技术和网络技术的进步使得物联网的应用获得了极大的发展，它被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。物联网的一个是重要特征是全面感知。利用射频识别RFID、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息。

农业物联网系统是基于传感器技术构建的智能化作物管理系统，其依赖物联网和传感器与信息技术，实现了传统农业和现代信息化技术的结合，节省了人力，提高了农业的现代化进程。农业物联网是物联网的重点应用领域，可极大地提高农业的机械化和产品管理的信息化水平。基于一套现实的农业物联网系统工程开发过程，详细阐述了采用AVR单片机设计昆虫吊飞装置的基本过程。同时，介绍了该方面的研究现状，给出了系统总体结构、原理及系统的软件设计。

1 研究现状

昆虫吊飞装置是农业物联网系统的重要组成部分。为实现物联网农业管理的科学化与合理化过程，需要设计昆虫吊飞装置来进行实际农田昆虫的监控，以便了解其生活迁徙规律和飞行能力，并以此作为农业物联网系统决策部署的重要依据。

参考文献［1］中设计了利用计算机记录昆虫飞行状态的实验装置，该装置由两部分组成，一部分是飞行磨供昆虫飞行;另一部分是光电传感器和微机检测系统，记录信号并对信号进行识别、分析、归类，最后送往计算机显示和打印。但是该装置采取的微控制器速度低，一次能够控制的通道少，并且实验时需要对每一个通道进行布线，增加了复杂性。

参考文献［2］设计了基于普通计算机的飞行磨软件，应用图表控件和表格控件来实现对昆虫飞行数据进行收集、显示、对比分析等操作。其缺点是不能够按照每种昆虫的习性对其飞行数据进行有针对性的对比分析。

参考文献［3］介绍了一种基于STC12C5A60S2单片机的多通道飞行磨，能同时进行20路昆虫数据的采集。还可对吊飞环境的温湿度进行实时监测。但这对于需要较多通道的实验来说，效率很低。前面分别介绍了几个具有各自特点的吊飞装置。虽然能够测量得到一部分昆虫飞行数据，但也存在着实验通道少、时间不够精确、不能智能化地采集数据以及不能快速地对飞行数据进行统计等缺点。

本文以Atmel公司的AVR单片机为控制芯片设计了一款基于物联网系统的昆虫吊飞装置，能对30路的中小型昆虫的飞行距离和飞行速度进行精确的测试和检测，并能把相关参数通过USB数据线传输给控制台，以数据表格的形式显示和打印。该系统具有温湿度传感器和报警控制的功能，能够近似模拟自然条件下昆虫个体的飞行与营养、温度、湿度、光照等相关参数之间的关系。实验测试，整套系统具有容易操作、结构简单、精度高、抗干扰能力强等特点。

2 系统总体结构及原理

系统由MCU控制单元、温湿度检测、光照检测、采集通道、光电传感器、USB串口转换电路及控制台组成。系统框图如图1所示。

2.1 MCU控制单元

MCU控制单元采用Atmel公司的ATMega16单片机，它是一款采用先进RISC精简指令、低功耗和快速的内置A/D的8位单片机，内部具有丰富的资源。其包含32个通用可编程的I/O引脚，通过控制程序可以对每个端口单独设置参数。单片机内有1 KB的片内SRAM数据存储器、16 KB的系统内可编程Flash以及512 B E2PROM，重要数据可以存放在E2PROM中。

2.2 光电传感器单元

该系统由光电传感器单元和三极管放大电路组成，其中光电传感器单元采用槽型光耦，电路如图2所示［4，7］。电路中虚线部分为光电传感器单元，由发光二极管和光敏三极管共同组成。NPN三极管Q1和R1、R2、R3、R4等组成信号放大电路，用来放大由光敏三极管输出的电信号。电阻R5在这里作为限流电阻使用，防止因电流过大而烧毁发光二极管。其工作原理：昆虫在飞行时带动一个挡板，每飞行一圈就会遮挡光电传感器一次，遮挡时，光敏三极管工作在截至区，这时由于R3和R4的分压，使三极管Q1导通，Out端输出低电平信号;未遮挡时，光敏三极管工作在饱和区，这时由于三极管Q1的基极电压近似为零，使三极管Q1截至，Out端输出高电平信号。所以根据Out端的电平信号就可以判断昆虫的状态是飞行还是停止。

2.3 串口通信单元

本系统采用的PL2303是一种高度集成的RS232-USB接口转换器芯片，可提供一个RS232全双工异步串行通信装置与USB接口联接的解决方案，完全兼容USB2.0协议。能把PC的一个USB接口模拟为一个串口，可以方便地实现单片机与PC之间的数据通信。图3为所用的PL2303串口转换电路，图中的USB接PC的USB口，Rx、Tx分别接单片机的Rxd、Txd引脚。

2.4 环境状态测量及报警

为了对实验环境中的光照、温湿度等环境状态进行测量和控制，这里采用温湿度一体化的数字传感器SHT11。该传感器是集温度、湿度检测于一体的数字式传感器，由一个NTC测温元件和一个电阻式测湿元件组成，温度测量范围为-40～+123.8 ℃，湿度测量范围为0～100%RH，分别用来测量实验环境的温度和湿度。其与单片机之间仅需要2个I/O口就能够实现对湿度和温度的采集，连接控制非常方便。其传输可靠性高，抗干扰能力强;另外其功耗也非常低，非常适合采用电池供电的移动式的野外工作。其电路原理图如图4所示。

光照信号的测量采用BH1750FVI数字光照传感器，该传感器供电电源为3～5 V，光照度范围为0～65 535 LX;传感器内置16 bit A/D转换器直接数字输出，省略复杂的计算，省略标定，不区分环境光源，接近于视觉灵敏度的分光特性，可对广泛的亮度进行1 LX的高精度测定。而且其与单片机的连接非常方便，使用标准的I2C通信协议。其电路原理图如图5所示。

3 系统软件设计

检测控制系统的软件设计分为下位机程序和上位机软件两部分。

3.1 下位机软件设计

ATMega16微处理器支持C语言开发，开发工具采用先进的JTAG调试，其软件集成开发环境KEIL由ARM公司提供。整个下位机程序采用C语言编写，主要包括主程序、初始化程序、定时采样中断处理程序、串行接收中断处理程序、UART串口发送程序、Flash读写程序、SPI驱动程序、单总线驱动程序等。其主程序流程图如图6所示。

3.2 上位机软件设计

控制台软件采用VB 6.0设计，并在Windows XP下编译通过。该应用程序采用事件驱动方式调用多线程串口编程工具，实现了测量系统与PC之间的异步通信，其共有以下几个窗口模块：

（1）启动窗口：显示上位机操控的启动界面。

（2）主控窗口：控制台操控的主界面，包含30路采集通道采集数据的子窗体。PC通过串口控件、时间控件与单片机进行通信，完成数据的交换，并实时显示采集数据的时间和当前环境的温湿度、光照度等数值。

（3）串口设置窗口：设定COM端口号与传输波特率，确保传输的有效性和可靠性。本系统串口的波特率设置为38 400 b/s，无奇偶校验位，8 bit数据位，如果是普通的串口线连接，需采用交叉串口线。

（4）报警控制设定窗体：设置环境温湿度报警的上下限，通过与采集到的环境温湿度、光照度值进行比较来决定是否启动报警控制系统。

（5）采样时间间隔窗口：通过对采集数据时间间隔的设置与控制，使温湿度、光照度等数据按照规定的间隔存储到历史数据窗体中，方便对数据的选取和分析。

（6）历史数据窗口：实现对所采集的数据与对应的时间进行存储和处理，以备进行数据分析、研究，并根据实验的需要进行数据曲线或数据列表的打印。

本文设计了一套基于微控制器的中小型昆虫吊飞行为，具有30路昆虫飞行数据采集通道的测试控制系统，具有温湿度、光照监测及报警控制电路，使实验人员可以根据昆虫的特点在设定的实验环境下对昆虫进行测试。整套系统具有操作容易、结构简单、精度高、抗干扰能力强等特点。