物联网实时智能捕鼠监测系统设计

赵文旻

（上海农林职业技术学院，上海 201600）

鼠害是影响中国农业生产的生物灾害之一，同时给人们的生活、畜舍、仓储等带来不良的影响，目前害鼠防治主要依赖化学药物和机械捕鼠，虽然可以减少害鼠造成的损失，但同时也会带来抗性产生、次要害鼠暴发、耐药种群形成、生态污染等问题。

针对上述问题，利用害鼠栖息空间分布为聚集分布的特点，在害鼠主要栖息地布放捕鼠器，捕鼠器上安装可检测害鼠的传感器，工作人员可以通过PC 端云平台实时监测捕鼠器状态。如果捕捉到老鼠，工作人员可及时对捕鼠器进行清除和复位，方便捕鼠器再次使用；对于长时间未捕捉到老鼠的捕鼠器进行位置更换，寻找新的捕捉地点，提升其使用效率，解决鼠害调查工具不统一、时间不统一，传统调查方法劳动强度大等问题，同时将布放在不同监测点的捕鼠器收集到的数据实时上传至中央服务器进行记录和分析，建立捕鼠决策，为从根本上杜绝害鼠奠定基础。

1 设计原则

1.1 安全性和可靠性

在系统设计时，要为操作系统、软件等设置权限，确保系统能够经受有效性和安全性方面的考验。另外要充分考虑前端设备的工作环境，智能捕鼠监测系统可能布设在楼宇里，也可能布设在园区或野外，需要硬件设备具备较高可靠性来对抗不可预测的恶劣户外环境，同时要满足24 h 不间断的工作要求。

除了软硬件设备的安全性和可靠性外，还要重点考虑监测数据的安全性及可靠性，主要体现在传感器监测准确度和远程通讯水平方面。

1.2 开放性和可扩展性

物联网技术快速发展，系统设计应该遵循模块化思想，使各功能模块能够最大限度保持相对的独立性和灵活性，软件、硬件要都能够满足系统升级或功能模块增减的需求。

2 系统功能

2.1 实时监测

系统的监测对象为捕鼠夹，因此可以按照一定的时间周期上传捕鼠器的状态信息，同时可以结合直观的地理信息系统图，对监测区域范围内的前端设备进行统一管理维护。

2.2 自动预警

系统可以预先设定报警规则，或预先设计自检元件，如遇到供电电池电量低于设定阈值、无线通讯断开等情况，将报警信息发送到监测中心或相关人员的移动客户端上，便于管理人员及时进行系统维护。

2.3 统计分析

通过对系统积累的监测数据进行分析，可查找到害鼠出没频繁地域，分析出害鼠窝穴，从根本上灭鼠，提升机械捕鼠的效率。

3 系统设计

将物联网技术应用在捕鼠场景中，通过传感器的精准监测和可靠的无线通讯方式传输，将检测到的数据信息通过云平台获得有关害鼠活动及捕鼠器状态的实时信息，可以控制捕鼠器，并追踪老鼠的具体方位，进行高效率灭鼠，降低人工成本，提升工作效率。

系统整体由感知层、网络层、应用层3 部分构成，其系统结构图如图1 所示。图中给出了3 种无线通讯技术，以适应不同的应用场景。

图1 物联网实时智能捕鼠监测系统结构图

3.1 前端设备设计

系统前端设备（捕鼠盒）如图2 所示，内置终端捕鼠器（鼠夹）、微控制单元（MCU）、传感器、通讯模组、电源等模块，捕鼠盒的设计要符合老鼠的生理特点，如设计洞型通道引导鼠类进入，并在通道中放置诱饵捕鼠器，其他电子模块要与鼠类活动空间隔离，避免损坏器件。

图2 系统捕鼠盒

系统的监测对象为捕鼠夹，除了正常情况下捕捉到老鼠是闭合的状态外，鼠夹有可能由于其他原因而闭合，一旦鼠夹闭合，捕鼠系统必须及时发送警报，进行人工复位，以提升捕鼠效率。监测鼠夹闭合的过程，实际上就是鼠夹开闭角度变化的过程，所以传感器的选择尤为重要。

3.1.1 倾角传感器

倾角传感器用来测量相对于水平面的倾角变化量，一般可分为单轴和双轴2 类，单轴倾角传感器只能测量绕一个轴产生的角度变化，双轴可以测量相对于2 个轴的角度变化。因此，倾角传感器可以水平安装也可以垂直安装，根据安装方式不同，单轴和双轴倾角传感器测量的角度也不同。双轴可以测量翻转和俯仰角；而单轴在选择水平安装时只能测翻转角或俯仰角，如果单轴选择垂直安装就只能测翻转角，无法测量俯仰角。目前市场上单轴倾角传感器居多，并且测量精度高，其工作原理如图3 所示。

在初速度已知的情况下，可以通过积分的方法得出线速度，进而求得其直线位移，因此倾角传感器实际上是一种利用惯性原理的加速度传感器，当倾角传感器静止时，侧面和垂直方向没有加速度作用，只有重力加速度，重力垂直轴与加速度灵敏轴之间的夹角就是倾斜角。如图3 所示，当倾角传感器发生角度倾斜时，重力加速度沿斜面的分量为Ax，在X方向产生θ的角度，重力加速度为1g，根据三角函数的关系得出θ=arcsin(Ax/1g)，由此可推算出倾斜的角度。

图3 单轴倾角传感器原理图

当然对于本系统监测鼠夹是否闭合不必精确到具体的角度值，市面上也有许多倾斜传感器输出是开关量，其阈值也可以人为确定，满足鼠夹状态监测要求。

话又说回来，如果你没有一颗大心脏，没有足够的知识储备和超乎众人的智商，没有强健的体魄，就不要盲目地拓宽、经营自己的人生斜杠。与其花费大量的时间与精力去挖许多浅井，何如花同样的时间、精力，去挖一口深井？

3.1.2 倾斜滚珠开关

倾斜滚珠开关是一种机械式感应开关，精度上远远不及倾角传感器，但是其优点为微型、低功耗、性价比高、功能单一稳定，在生活中应用十分普遍，型号种类也十分丰富。以常开型YT-JM-ODX200TP 倾斜滚珠开关（如图4 所示）为例，其原理如图5 所示。

图4 常开型YT-JM-ODX200TP 倾斜滚珠开关

图5 YT-JM-ODX 内部结构示意

当倾斜滚珠开关水平放置时，呈常开状态（电路处于断开状态），金属滚珠被限位台阶限位而完全置于凹槽形容腔内，金属滚珠与导电凸点不接触，倾斜滚珠开关处于断开状态；当倾斜滚珠开关倾斜时，金属滚珠根据倾斜的角度要求从凹槽形容腔中滚动露出与导电凸点接触，倾斜滚珠传感开关处于导通状态，起到触发电路的功能，满足使用需要。

上述2 种倾斜传感器都能够有效监测出鼠夹的闭合状态，但是使用时对鼠夹的放置状态有一定的要求，适用于方便水平或垂直放置系统前端设备的场景，比如农田、楼宇、仓库等。对于相对复杂恶劣的监测环境，如垂直或弯曲布设的管道等场景的监测，系统前端设备的布设初始状态可能本身就带有一定角度，且不同终端的放置倾斜角度也会有差异，因此可以考虑能够动态监测鼠夹闭合动作的传感器，如陀螺仪、姿态传感器等。

3.2 传输层设计

无线通信技术是物联网技术的重要组成部分，一般可分为局域通信技术和低功耗广域通信技术。根据捕鼠监测系统监测范围不同，可选用不同的无线传输方式。当系统前端设备部署范围为小型园区、仓储、楼宇等场景时，可选择无线局域通信技术，如Wi-Fi，可采用高集成度Wi-Fi 模块ESP8266 作为通讯模组，ESP8266 是32 位的微控制单元（MCU），可以独立运行或从属于从机搭载于其他主机MCU 上，既可以独立访问网络也可以搭配其他主控制器接入网络，实现无线传输[1]。

当系统前端设备部署范围为大规模农田、大型园区或区域时，要采用低功耗广域通信技术（LPWAN），LoRa 和NB-ⅠoT（窄带物联网）是目前应用最为广泛的2 种技术，它们都具备低功耗、广覆盖、海量连接的特点。LoRa 技术工作与非授权频段下，不能直接接入公共网络，更适用于专用的网络。

3.3 应用层设计

应用层设计主要进行系统监测数据的展示及报警信息的推送。云平台在云计算基础设施上为用户提供软件开发、运行、运营环境的服务，降低了对开发者知识体系的要求和开发成本及难度，极大提高了产品开发的敏捷性，实现应用的快速开发和部署，同时云平台为应用的完整运行坏境和管理机制提供保障，提高系统或产品的可靠性及可用性。

阿里云是针对物联网领域开发人员推出的设备管理平台，它提供了丰富的设备管理功能、稳定可靠的数据存储能力及规则引擎，仅需在Web 上配置简单的规则，即可将设备数据转发至阿里云其他产品，从而获得数据采集、计算、存储的全栈服务，其数据分析功能既可以设置数据处理任务，也可以将设备数据实时在二位地图或三维模型上展示出来，真正实现物联网应用的灵活快速搭建。在阿里云物联网平台中，终端设备可以通过3 种网络协议进行接入，分别为MQTT协议、CoAP 协议和 HTTPS 协议[3]。

中国移动OneNET 定位为PaaS（平台即服务），在物联网应用和真实设备之间搭建高效、稳定、安全的应用平台，面向设备时能适配多种环境和常见传输协议，并提供各类硬件终端的快速接入方案和设备管理服务；面向应用时能提供丰富的APⅠ（应用程序编程接口）和数据分发能力以满足各种应用系统的开发要求，可使开发者更专注与自身应用的开发，而不用过多关注设备接入层的环境搭建，从而缩短物联网系统的形成周期，降低研发和运维成本。OneNET 提供了非常稳定的设备接入服务，支持包括LWM2M（CoAP）、MQTT、Modbus、HTTP 等在内的多种协议。

在物联网系统应用中，MQTT 协议使用非常广泛，MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议）是一种基于客户端/服务器的消息发布/订阅模式的“轻量级”通讯协议，它构建在TCP/ⅠP协议上，能提供无损和有序的双向连接，其代码简单并且仅占有很少的网络带宽，可以在有限的带宽下连接远程设备，能够提供稳定、可靠、及时的在线消息发送服务，适合在低性能的远程设备以及网络条件恶劣的环境中使用，目前在中国工业级物联网系统中，MQTT 已经成为首选的云通信协议。

MQTT 协议实现非常灵活，使用方便，如图6 所示。实际上MQTT 协议中共有3 种身份，即发布者、代理和订阅者，发布者和订阅者可统称为客户端，用于发送和接受消息，其中订阅者为物联网设备，可以为个人服务器、传感器、通讯模组、客户端等终端设备，所有订阅者都可以订阅其中一个订阅者发布的信息；代理介于订阅者和发布者之间，负责信息的管理与流转，它能够接收订阅者发布的信息，并能够将信息转发推送给订阅相应主题的客户，在本系统中使用的公有云平台充当代理这一角色。

图6 MQTT 通信协议实现

应用层除了具有捕鼠监测数据的显示及统计功能，还可结合地理信息系统实现定位显示整个系统的功能，根据监测点的地理坐标在地图中实时显示设备的位置及各参数状态。同时报警管理功能也十分重要，鼠夹闭合时需要向管理人员移动终端或控制中心进行报警信息的推送，当诱饵质量不足、诱饵长时间未消耗、电源模块电量不足时也应及时进行警报。

不仅要对监测终端上传的数据进行简单的存储，还应进行监测数据的统计与分析，数据统计包括硬件设施情况统计、报警情况的统计等，并可根据客户需求形成可视化图表，能进行日数据、周数据、异常数据、原始数据的直观展示，并且对所有的数据进行横向和纵向的比较，为后续的管理决策提供依据[4]。

数据采集与统计的最终目的是对鼠害趋势进行分析，根据前端设备的部署，可全面反映某区域面积范围内的鼠害数量、分布情况和变化趋势等情况，由此可以筛选出重点管理的对象，为鼠害的监测和控制提供依据。

4 总结与讨论

传统的捕鼠方式主要有鼠夹法、粉剂法、粘捕法等，捕鼠情况的监测主要采用手动监测，是由合格技术人员定期完成的，但是这种监测和搜捕的人工费用很高、劳动强度大、不连续，并且缺乏实时识别的能力。将物联网技术应用在捕鼠场景中，可实现害鼠活动及捕鼠器状态信息的实时获取，使鼠情的监测更加便捷、实时、高效，监测的结果也更加准确直观。同时，智能捕鼠监测系统能够区域性、长期地进行数据监测，结合大数据技术可以对鼠类的危害程度、活动规律等进行科学客观的评估，为鼠害防控决策提供依据。

随着大数据、人工智能技术在物联网系统中的深入应用，可在系统前端设备中增添体重检测、温湿度检测、高清摄像头等模块，利用基于机器视觉的模式识别系统，对高清摄像头采集的害鼠行为视频序列图像进行分析、建模，再利用建模解析害鼠的行为数据，实现害鼠分类。同时也可以利用大数据的挖掘分析方法，将特征相近的鼠类聚为一类，利用深度学习的方法对多分类的鼠类图像进行建模训练，实现高精度鼠类识别分类。智能捕鼠检测系统终端可以实时获取害鼠影像、活动规律、体重、环境参数、地理坐标等信息，通过智能识别系统完成对害鼠种类的鉴定和分类统计，这样智能捕鼠监测系统可以进一步反映监测区域鼠害的种类、数量分布特点，甚至可以从更加细致的时间维度，结合光照、温湿度、食物条件等参数，统计出不同种类害鼠季节性变化动态、区域环境变化的鼠害状态以及害鼠昼夜活动规律，更全面地掌握各区域害鼠的群落结构和活动规律，为科学精准的鼠害防治奠定基础[5]。