基于WSN的分布式太阳能杀虫灯远程控制系统研究与设计

马仟+田茂+唐文龙

摘 要：为解决传统杀虫的无人看管模式和低效率的人工维护等问题，文中设计了一种基于WSN的分布式太阳能杀虫灯远程控制系统，该系统主要由太阳能杀虫灯控制器、环境检测模块、摄像头模块OV2640、GPRS无线传输模块、ZigBee无线组网模块和后台监控中心六大部分组成。与传统杀虫灯相比，它不仅能实现市面上杀虫灯最基本的杀虫功能，还可以实时采集杀虫灯的工作环境数据信息以及捕捉现场杀虫的图片，并能将数据和图片通过无线通信模块远程传输到后台监控中心的新型智能化杀虫灯控制系统。

关键词：图像采集；GPRS无线传输；ZigBee无线组网；环境检测

中图分类号：S477；TP273 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）02-00-03

0 引 言

传统的农田灭蚊虫装置大都分布在地域广阔的农村，这种装置只能简单杀死蚊虫，它不仅需要人工到达现场去查看灭虫效果并检测设备是否正常，还无法实时反馈现场信息，不能在环境恶劣的情况下对灭虫装置进行自动化管理，且设备设计与管理无法适应野外恶劣环境，也没有建立后台数据中心，无法进行数据分析与挖掘。系统的效能没有最大化，无法适应目前我国农业信息化与物联网农业的发展趋势。

如今市场上的农田杀虫灯大多采用独立工作模式，这种实现方式存在诸多弊端，如杀虫点少、杀虫范围小、杀虫点固定不可移动、维护工作量大、不能实现自动监测和管理等。本文为了解决传统杀虫灯设备存在的缺点，提出了一种基于WSN的分布式太阳能杀虫灯远程控制系统。该系统可以根据实际需要多点分布在农田的各个角落，通过这种多点配合式的杀虫模式可以灵活控制整个杀虫系统，从而达到最优的杀虫效果。采集的数据信息可以通过网络传输到后台信息中心，方便工作人员对其进行管理。这使得整个杀虫灯控制系统变得可视化和网络化，从而让农田管理变得更加简单化和智能化。

1 系统总体架构

该太阳能杀虫灯远程控制系统主要由分布式终端节点、分布式路由节点、网关模块和监控中心四大部分组成。

（1）分布式终端节点包含多个终端节点，每一个终端节点都是一个太阳能杀虫灯控制器，其主要用于数据的采集和对杀虫灯的控制；

（2）分布式路由节点包含了多个路由节点，每一个路由节点都具备终端节点的功能，不仅能实现终端节点中的功能，还能中继或路由其他终端节点的采集信息和控制信息，起到数据过渡作用；

（3）网关模块主要由微处理器控制电路、ZigBee协调器模块和GPRS模块及摄像头模块组成，它是一个数据传输的中转站，用于将ZigBee模块采集的数据信息和携带的控制信息通过GPRS模块传输出去；

（4）后台信息中心用于存储采集到的数据和控制信息，并通过网页实现在线访问。

该系统的总体架构如图1所示。

2 硬件电路设计

本系统的硬件模块主要包括太阳能杀虫灯控制模块、ZigBee无线组网模块、GPRS模块、摄像头模块和环境检测模块。其系统硬件框图如图2所示。

2.1 摄像头模块

摄像头模块采用OV2640，其原理图如图3所示。该模块具有体积小、工作电压低、兼容I2C总线接口、支持图像缩放、镜头失光补偿、提供单片机UXGA摄像功能等特点，用户可以完全控制图像质量、数据格式和传输方式。该模块主要负责实现对现场杀虫画面的实时捕捉，并通过分析害虫的数量和种类来实时调整杀虫灯的工作时间，以此来提高杀虫效率。

2.2 GPRS无线传输模块

GPRS无线传输模块采用SIM900A集成模块，其原理图如图4所示。其主要功能有语音通话、短信收发、GPRS网络数据收发、彩信收发，主要应用在通讯领域，如移动电话、远程数据监控、短信提醒发送。该模块可以将摄像头采集到的图像数据和传感器检测到的环境参数通过GPRS模块以TCP/IP网络传输方式传给监控中心。

2.3 ZigBee无线组网模块

ZigBee无线组网模块采用CC2530，其原理图如图5所示。该模块具有功耗低、体积小、抗干扰能力强、组网方式灵活多变，实现过程简单、安装方便等优点。该无线组网模块实现了在某农田区域内的数据采集传输功能，它可以根据现场的实际情况和需求，灵活分布在农田的各个位置，实现了定时、定点的多组配合式杀虫，这种杀虫模式可以灵活调整杀虫灯的开启时间，提高整体杀虫的效果。

2.4 太阳能杀虫灯控制模块

太阳能杀虫灯控制模块主要由微处理器核心模块、蓄电池充放电控制模块、负载输出模块、充放电保护电路、负载保护电路等组成。其电路原理图如图6所示

2.5 環境检测模块

环境检测模块使用温度传感器DS18B20、湿敏传感器HR202等检测模块，该模块可以用来检测太阳能杀虫灯周围的温湿度、是否下雨等环境情况，从而解决控制器因温度过高或者进水短路等自然因素造成的工作异常问题。

3 系统软件设计

3.1 通信协议

在本系统中，分布式终端节点、分布式路由节点和网关模块之间的通信主要采用ZigBee协议。该协议建立在IEEE 802.15.4标准基础上，该标准定义了物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC），而ZigBee 联盟则定义了ZigBee协议的网络层（NWK）、应用层（APL）和安全服务规范。

在网关和监控中心间主要采用TCP/IP协议，它是Internet的基础协议，也是一种电脑数据打包和寻址的标准方法。该协议栈主要包括链路层（网络接口层）、网络层（互联网层）、传输层和应用层四部分。对普通用户来说，并不需要了解网络协议的整个结构，仅需了解IP的地址格式即可与世界各地进行网络通信。

3.2 软件流程设计

软件流程设计框图如图7所示。

4 结 语

本文针对农业杀虫效果和环境监控对实时性、连续性、长期性、灵活性要求较高且范围大的特点，提出了一种基于WSN的分布式太阳能杀虫灯远程控制系统。该系统采用ZigBee-GPRS相结合的远程无线传输方式，将ZigBee局域网内的杀虫灯状态和采集的相关数据信息通过GPRS无线模块采取TCP/IP方式传输到后台信息中心，同时将这些数据进行相应的存储和处理并返回给杀虫灯控制器终端，从而起到分布式远程监测和控制的作用。

由于采用了分布式网络杀虫策略，可以根据现场实际情况随时调整杀虫方式，灵活调整杀虫灯的开启时间，达到分布式杀虫的效果，使其变得更灵活、更高效，同时也可以改变诱光灯光源的变化，达到定向杀虫的目的，减少对有益昆虫的杀害。

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