郑永锋 王亚飞 孙占伟 张明刚 李甜 毕浩洋
摘 要：为准确掌握烟草种植中的虫情，及时防治虫害，促进烟农增收，该文提出一种基于无线传输的烟草虫情监测预警装置。该装置使用STM 32单片机作为主控制器，设计诱捕单元收集烟草害虫，使用Wi-Fi模块进行数据传输，经过调试可知，该装置可以根据一定时间内收集到的烟草害虫重量和数量，预判虫情发生的可能性并作出相应预警提示。该装置还可实现与手机通信，在APP上显示虫子数量、装置倾斜角度状态等信息，同时可以通过手机APP界面的开关按键打开或关闭诱虫装置。综上，该装置可以实现烟草害虫数量监测、虫害预警的功能。
关键词：烟草害虫；虫情监测；STM32芯片；软件设计；系统开发
中图分类号：TP23 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）06-0042-04
Abstract： In order to accurately grasp the insect situation in tobacco planting， control insect pests in time and increase the income of tobacco farmers， a tobacco field pest monitoring and early warning device based on wireless transmission is proposed in this paper. The device uses STM 32 single chip microcomputer as the main controller， designs a trapping unit to collect tobacco pests， and uses Wi-Fi module for data transmission. After debugging， the device can predict the possibility of pest occurrence and make corresponding early warning according to the weight and quantity of tobacco pests collected in a certain period of time. The device can also communicate with the mobile phone， display information such as the number of bugs and angle status on the APP， and turn on or off the insect trap through the switch button of the APP interface of the mobile phone. In summary， the device can realize the functions of tobacco pest quantity monitoring and pest early warning.
Keywords： tobacco pest; pest monitoring; STM32 chip; software design; system development
中国是一个烟草种植大国，对烟草害虫的防治一直是重中之重，及时监测虫情虫害，做好预防工作，能够增产创收，避免经济损失。烟田中的害虫种类有很多，大部分为小地老虎、烟青虫及斜纹夜蛾等鳞翅目害虫[1]。这种鳞翅目害虫一般迁移能力比较强、扬飞期也较长，所以，其防治工作非常困难。一般防治工作采用的方法大多是传统监测方法[2]，在害虫的扬飞期，采用人工手段对诱捕器中的害虫进行识别和计数。这种方法具有一定的局限性：一是有些虫子的外观比较相近，这样害虫的识别会有一定的难度，烟田的工作人员很难精确识别，需要邀请烟田专家查看诱捕器进行识别；二是通常诱捕器需要放置在烟田的较深区域，不能及时反馈实时信息。如何突破传统病虫害监测手段，提高监测效率成为了关键。所以，通过调查当前烟田病虫害监测手段现状，结合传统方法，设计一款无线烟草虫情监测预警装置，为烟田工作者提供一个智能化的监测手段，能够更加及时地对烟草虫害进行防治。
1 系统硬件设计
系统框图如图1所示。
将STM32F103C8T6芯片作为系统的主控制器[3]，使用WiFi模块进行数据的无线传输，并将相关信息在手机APP上进行显示。设计烟草害虫诱捕装置，装置内设置有称重部分，放置一定量的对应害虫的性诱剂，引诱害虫进入诱虫装置，记录一定时间内重力传感器检测的虫子重量，从而得出诱捕装置中害虫的数量。根据前期统计的数据，得出虫情预警阈值，如果一定时间内虫子的数量达到相应的阈值，说明可能会有虫情发生，蜂鸣器进行报警提示。该装置还具有自身倾倒检测功能，由角度传感器实现。诱捕害虫重量、数量、诱捕装置的开闭，以及装置是否倾倒等信息均可通过WiFi发送到手机APP进行显示，方便使用者远程查看。同时，使用者也可以通过手机APP控制诱捕装置的开闭。
1.1 单片机最小系统设计
STM32单片机的最小系统主要由电源电路、复位电路、去耦电容、调试下载电路及其他外围电路组成[4]。
1.2 重量检测模块设计
如图2所示，重量检测部分由压力传感器和HX711A/D模块组成[4]，HX711A/D模块将压力传感器输出引脚发送的模拟量通过A/D模块转换成数字量，并发送给单片机进行计算，通过公式计算出重量。压力传感器的检测范围是0～1 kg，检测精度高，适用于本设计。将装有性诱剂的诱捕装置放置在压力传感器上面，进行烟草害虫的诱捕收集。随着害虫诱捕数量的增加，压力传感器压强增大，检测输出电流和压力的线性比进行公式计算，可以得到一定时间内诱捕装置内的害虫重量，发送到手机APP上进行显示。单片机将此重量与预警阈值进行比较，当超出预警阈值时，蜂鸣器报警提示。
1.3 装置倾斜检测模块设计
图3为装置倾斜检测电路图。本次设计的装置要放置于烟田中，为方便工作者远程查看装置状态，保证装置的工作效果，设计装置倾斜检测功能，由GY-25 角度传感器模块实现此功能。设置角度阈值为50°，当装置角度倾斜达到阈值时为装置倾倒状态，手机APP显示为角度状态：倾斜；装置倾斜角度小于阈值角度时，手机APP显示为角度状态：正常。
1.4 报警电路设计
为方便进行硬件调试，将系统害虫预警阈值设置为500只，即一定时间内，诱捕装置中诱捕收集的烟草害虫数量达到500只，视为有虫害的可能，蜂鸣器报警提示，同时在手机APP进行数量和重量显示，提醒检测者注意处理。报警电路如图4所示。
由于单片机输出信号较弱，采用三极管进行信号放大驱动蜂鸣器。系统采用NPN型三极管。当害虫数量达到阈值500只时，单片机C14引脚输出高电平，NPN导通，蜂鸣器电路形成回路，蜂鸣器响起，手机APP界面显示“收集箱已满”，从而实现预警功能。工作人员处理后，害虫数量低于阈值，C14引脚输出低电平，NPN截止，蜂鸣器电路断开，停止报警，完成一次预警。
1.5 WiFi模块设计
图5为WiFi模块电路图。单片机和硬件电路通信、单片机与手机APP的通信，以及单片机和服务器信息交互，需要一个信息传输模块来完成这些任务。本装置采用ESP8266-01SWi-Fi模块[5]作为通信部分的枢纽。ESP8266芯片的RXD与STM32单片机A9引脚相连接用于接收数据，ESP8266芯片的TXD与单片机的A10引脚连接用于发送数据和接收返回值。
2 系统软件设计
无线烟草虫情监测预警系统主要功能的实现通过STM32F103RCT6单片机作为主控芯片，配合手机APP来完成的。使用C语言进行单片机程序的编写，使用Keil μVision5开发平台。使用Java语言完成手机APP的编程，使用虚拟机中具有开发环境的Eclipse软件。
2.1 系统主程序流程图设计
主程序流程图如图6所示。
单片机上电后，首先进行初始化。然后进行传感器的信号采集，包括害虫的重量以及装置的角度，并发送控制指令到手机，将结果显示到手机APP上。接下来判断传感器检测的数值是否达到阈值：若害虫数量在一定的时间内达到了预警阈值，则蜂鸣器报警提示；未达到，则继续判断角度是否发生倾斜，若发生倾倒，向手机发送收集箱倾倒信息，若未倾倒，向手机发送正常状态，再读取传感器数值进入循环。
2.2 手机APP程序设计
采用虚拟机打开一个windows7系统，在系统中使用Eclipse软件建立APP工程，根据设计需要来实现相关功能。在Eclipse软件中采取模块化进行程序设计，按照所设计的功能，可以实现网络连接、装置盖子开闭、收集的害虫的重量数量、装置倾斜角度状态等模块功能。
3 系统调试
为验证系统软硬件设计的可行性，焊接硬件，并分模块进行系统功能调试。
3.1 重量检测模块调试
启动模拟器，用手轻轻按压传感器， APP重量显示数值有变化，说明此模块正常。一枚一元硬币的重量约为9.32 g，11枚的硬币的重量约为103 g。将11枚硬币放置于压力传感器上，APP的显示内容如图7所示。由APP显示内容可知，重量检测模块功能正常，精度较高。
3.2 装置倾倒检测模块调试
启动模拟器，手持装置向左或者向右倾斜，当倾斜角度达50°时，角度状态由正常改变为收集箱倾倒，如图8所示。当回到50°以内，角度状态恢复为正常，此功能正常。同时也可以通过手机APP远程控制诱捕装置盖子的开和关。
3.3 报警电路模块调试
设定报警阈值为500 g，用手持续按压压力传感器模拟害虫重量，使重量缓慢上升，蜂鸣器没有发生动作，在达到阈值时，蜂鸣器发生动作进行报警，报警电路正常。
3.4 调试小结
经过调试，结果表明，本次无线烟草虫情监测预警系统各个模块的功能都可以实现，同时检测精度较高。
4 结束语
本次设计的无线烟草虫情检测预警系统，以STM32单片机为核心，通过一定时间内诱捕装置中诱捕收集的害虫重量得出数量，与预警阈值相比较，从而为虫情发生的可能提供依据。若有虫情发生可能，蜂鸣器会进行报警及手机APP进行提示，让相关工作人员进行预防。该装置可以实现无线传输、监测预警的功能，具有一定的实用价值。
参考文献：
[1] 胡坚.斜纹夜蛾为害烟草情况调查及防治[J].中国农村小康科技，2006（11）：70-71.
[2] 曾涛，宗钊辉，陈桢禄，等.烟草害虫绿色防控技术研究进展[J].安徽农业科学，2022，50（1）：15-17，36.
[3] 乔飞鹏，计春雷，张继勇.基于STM32单片机的无线测虫器的设计与研究[J].电气自动化，2020，42（2）：110-112.
[4] 梁芳芳.基于HX711多功能的智能电子秤的设计[J].工程技术研究，2021，6（15）：136-140.
[5] 李佳旺.基于ESP8266无线WIFI模块的交互装置作品的设计与实现[D].武汉：武汉音乐学院，2020.
