果园虫害监测系统硬件电路设计与实现

文章编号：1673-887X(2023)07-0041-03
果园虫害监测系统硬件电路设计与实现
汪小威，肖超江，陈振燊
（南宁学院，广西壮族自治区南宁530200）
摘要设计了一套基于STM32的虫害监测系统，该系统以STM32为主控，包括空气温湿度、光照度、土壤pH值、虫害监测、光诱捕、云平台等模块，经系统集成测试，实现了温湿度采集、土壤pH值检测、光照度检测、害虫识别拍照、数据上传云平台等功能。

解决了果农在种植过程中，因果树生长环境异常造成损失的问题。

虫害监测系统具有实时性强、数据检测准确等特点，市场前景广阔。

关键词果园虫害监测；光诱捕；云平台；STM32
中图分类号S126文献标志码A doi:10.3969/j.issn.1673-887X.2023.07.014
Hardware Circuit Design and Implementation of Orchard Pest Monitoring System
Wang Xiaowei,Xiao Chaojiang,Chen Zhenshen
(Nanning University,Nanning530200,Guangxi Zhuang Autonomous Region,China)
Abstract：A set of pest monitoring system based on STM32is designed,which takes STM32as the main control,including air tem‐perature and humidity,light intensity,soil pH value,pest monitoring,light trapping,cloud platform and other modules.After system integration test,the functions of temperature and humidity collection,soil pH value detection,light intensity detection,pest identifica‐tion and photography,data uploading to cloud platform are realized.It solves the problem of loss caused by abnormal growing envi‐ronment of fruit trees in the planting process.The pest monitoring system has the characteristics of strong real-time and accurate data detection,and the market prospect is broad.
Key words：orchard pest monitoring,light trapping,cloud platform,STM32
随着信息技术的高速发展，图像识别技术在各个行业得到广泛应用。

以其在果园生产中的应用为例，当前国内果园生产中虫害监测主要采用红外计数方法，通过害虫诱捕灯或诱饵诱捕害虫，并记录害虫的个数，这种害虫监控的方法精细化程度不够，对后期决策提供的信息量不足，易造成决策错误。

因此，果农希望能采用更有效的方法对果园内害虫信息进行采集，并实施诱捕，同时对果园内的空气、土壤等环境参数进行监测，保证果树生长环境良好，推动农业向智能化方向发展。

欧美等发达国家，在农业信息化建设方面一直都非常重视，其科研水平高，科研设备先进，很多科研人员都对病虫害防护进行了相关的研究，在虫害防护方面优于国内水平，不仅能够实现对农作物的环境元素进行监测，例如土壤、空气、光照等，同时能对病虫害等信息进行识别，监控和预测，为农作物的生长环境提供优良的保障。

但国外害虫监控识别多为本地化的底端解析系统，系统运营成本较高。

我国的农业信息化建设相比于发达国家较落后。

在我国，对农业病害防治的研究还不够重视，科研人员一般在小麦和玉米、水稻作物的研究较多，果园、蔬菜方面的病虫害研究缺乏经验，研究成果比较单一，研究的成果也较少用于实际防治工作中。

基于此，设计了一套基于STM32的虫害监测系统，该系统以STM32为主控，包括空气温湿度、光照度、土壤pH值、虫害监测、光诱捕、云平台等模块，经系统集成测试，实现了温湿度采集、土壤pH值检测、光照度检测、害虫识别拍照、数据上传云平台等功能，具有实时性强、数据检测准确等特点，市场前景广阔。

现将该系统设计介绍如下。

1总体功能设计
基于STM32的虫害监测系统包括空气温湿度采集、光照度采集、土壤综合采集、光诱捕、虫害监测、云平台等模块。

通过上述模块的实时运行，为果园提供外部环境的温度、湿度、光照度、土壤温度、土壤湿度、土壤pH的实时监测，同时识别环境中的害虫、统计和诱捕。

系统总体框架见图1。

收稿日期2023-04-18
基金项目2021年度广西高校中青年教师基础能力提升项目《基于深度神经网络技术的果园虫害监测系统研究》，项目编号：2021KY1801；2018年南宁学院校级科研团队《物联网应用技术与智慧农业建设研究》（2018KYTD02）；2018年广西南宁市科技厅项目《南宁市科技创新平台（基地）建设示范——下一代信息技术产业公共实训基地》（20181189-4）；2020年南宁学院教授工程培育项目《基于自组合超轻量移动认证协议的农作物生长信息采集系统设计与实现》（2020JSGC02）。

作者简介汪小威（1985-），男，湖北人，硕士，副教授，研究方向为：算法设计、嵌入式系统开发、物联网应用。

农业装备
第7期（总第403期）41
虫害检测系统
虫害监测空气温
湿度采集光照度采集土壤综合采集光诱捕
云平台
OV56
40K210
aht10
bh1750
土壤综合传感器
ws2812GM190获取害虫照片识别害虫获取空气温湿度获取光照度获取土壤温湿度、土壤pH 获取害虫
数据上云
图1
系统总体框架图
Fig.1Overall frame diagram of the system
2核心模块电路设计
硬件模块包含了云平台模块（GM190模块）、虫害监测模
块（k210）、空气温湿度采集模块（AHT10模块）、光照度采集模块（BH1750模块）、土壤综合采集模块（土壤环境值模块）和光诱捕模块（诱虫灯），模块间通过可拆式接口连接。

2.1
空气温湿度采集模块电路设计
空气温湿度采集模块为aht10温湿度传感器，采用i2c 协议通信。

如下图2所示，模块的SDA 引脚和SCL 引脚，分别与STM32的I2C2_SDA （PA7）、I2C2_SCL （PA6）相连接。

STM32通过PA6、PA7引脚输出或读取特定的电平，实现i2c 时序读取温湿度值；在完全读取完后，停止通讯。

所得到的值通过提取，便可得到空气温湿度的值。

该模块电路设计见图2。

1234
JP9
3.3V
I2C2SCL SDA I2C2
AHT10模块
图2空气温湿度采集模块接口电路
Fig.2Air temperature and humidity acquisition module interface circuit
2.2土壤综合采集模块电路设计
土壤综合采集模块由土壤传感器和rs485转TTL 电路组
成。

土壤传感器使用RS485的A、B 差分传输数据，分别连接到RS485-->TTL 电路上的A、B 接口，TTL 端连接单片机串口，即TTL_TX 接DEBUG_RX （PA10），TTL_RX 接DEBUG_TX （PA9）。

如下图3所示，DEBUG_RX 和DEBUG_TX 的引脚对应为STM32片上外设串口1，可通过串口协议与土壤综合采集模块通讯。

STM32使用串口1DEBUG_TX 脚将数据送给土壤综合采集模块，模块接收到确认命令后返回湿度数据，并通过DEBUG_RX 传给STM32，STM32解码后就可以获取到当前的土壤湿度数据。

2.3
光诱捕模块电路设计
光诱捕模块硬件由2部分组成：诱捕电路和控制电路。

诱捕电路见图4，电路由stc8G1k08a 芯片及其外围电路构成，其中WS2812_IO （P3.2）连接ws2812诱虫灯的DI，用电平模拟ws2812时序输入灯的颜色数据；而IN_IO （P5.4）接STM32的
WS2812_DAT （PB8），当IN_IO 口读到高电平时，WS2812_IO 驱动灯亮，当INO_IO 口读到低电平时，WS2812_IO 驱动灯灭。

诱捕灯电路通过xh2.54接插件与STM32连接。

DEBUG 土壤环境值模块
JP3
1234
5V
TX DEBUC
RX
DEBUC
图3
土壤综合采集模块接口电路
Fig.3Soil comprehensive collection module interface
circuit
图4
诱虫灯电路原理图
Fig.4Schematic diagram of worm lamp circuit
2.4虫害监测模块电路设计
虫害监测模块通过SCCB 方式控制ov 摄像头对区域内环
境进行监控，拍摄的图像帧经过k210的处理，识别并统计害虫的数据，并通过串口发送到STM32单片机上。

Ov5640的DVP_D0-DVPD7引脚是图像帧数据引脚，分别与k210芯片的M12、M11、M10、M9、M8、M7、M6、M5引脚相连接。

DVP_SCL 为SCCB 通信协议提供时钟信号，DVP_SDA 为SCCB 通信协议提供数据信号。

监测模块与STM32单片机通过串口进行数据的交换。

K210芯片的引脚IO_23、IO_22复用为串口发送、接收功能，与STM32片上外设的串口6K210_RX （PA12）、K210_TX （PA11）连接，STM32使用K210_TX 发送数据到监控模块，而监控模块使用IO_23口发送数据到STM32。

监测模块与STM32连接原理图见图5。

12345
3.3V
K210
TX K210
JP4
5V
K210RX
图5虫害监测模块通讯连接原理图
Fig.5Schematic diagram of communication connection
of pest monitoring module
2.5云平台模块电路设计
云平台模块使用GM190，STM32通过串口2和普通IO 口
对该模块进行通讯和控制。

GM190模块与STM32通讯需要4根连接线，GM190的使用接口为RESET、POWER、RXD、TXD，分别对应到STM32上的（GM190_RESE ）PB5、（GM190_POW-
农业装备
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ER ）PB4、（GM190_RX ）PA3、（GM190_TX ）PA2口。

GM190和
STM32连接原理图见图
6。

图6网络模块与GM190硬件连接图
Fig.6Hardware connection between the network module and the GM190
3
集成测试
3.1
整体实物框架
将各模块连接到STM32单片机上，分别下载程序烧录。

连接12V 电源后，可以在OLED 屏上看到参数显示、LCD 屏可以看到摄像头拍摄到的画面。

具体如下图7
所示：
图7
实物整体图
Fig.7Physical master plan
3.2土壤综合采集模块测试
将土壤环境检测模块插入泥土中，上电后可在OLED 显示
屏第5页查看到土壤温度、湿度和pH 值，当前监测到的结果分别是S_T 土壤温度27.1℃、S_H 土壤湿度16.8%、S_pH 值7.9，参数在正常范围内。

土壤环境检测模块测试成功图见图
8。

图8土壤综合传感器测试状态及数值图
Fig.8Test status and numerical diagram of soil integrated sensor
3.3虫害监测和光诱捕模块测试
虫害监测模块上电测试，LCD 屏显示摄像头拍摄到的环
境见图9，害虫在摄像头面前经过时，模块识别到害虫种类并在LCD 上框出，同时拍照计数，并将计数结果显示到OLED 上，OLED 屏所示的“hc：10”表示由蝗虫在摄像头前面经过10次，单位时间内飞过的害虫量达到诱虫阈值时（当前为10），
诱虫灯打开。

图9
光诱捕模块测试状态及数值图
Fig.9Test state and numerical diagram of optical trapping module
4总结
果园虫害监测系统采用嵌入式、传感器、图像检测等技
术，以STM32为主控，实现了空气温湿度、光照度、土壤湿度、土壤pH 值、虫害识别和监测等功能，能够对果园害虫进行光诱捕，并将实时数据上传到云平台，解决了果农们在种植过程中无法监测果树生长环境而导致种植损失的问题，市场应用前景较为广阔。

参考文献
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农业装备第7期（总第403期）
农业技术与装备43。