数据采集器的所有资料

1、第一章 绪论1.1 课题研究的背景众所周知，病虫害对农作物造成了极大的损失，病虫害会使农作物经济受损，产量减少，质量下降。以往，人们用喷洒农药来解决病虫害问题，长期以来，由于化肥和农药的大量使用，带来了农药残留、土壤板结和环境污染等一系列生态问题，直接威胁着人类的健康。科学研究表明，人类肿瘤、血液病和神经系统等多种疾病的发生与环境和食品的污染存在直接关系。随着农业技术的发展和不断改进，作物病虫害防治采取农业、物理、生物措施与药剂防治相结合的方法，不仅可以收到事半功倍的效果，而且可以大大降低防治成本，减少农药用量和环境污染。农作物病虫害综合防治技术2009-06-28 信息来源：泰安农业信息网进

2、入21世纪初,知识经济与经济全球化进程明显加快，科学技术发展突飞猛进，科技实力的竞争成为世界各国综合国力竞争的核心，农业科学技术已成为推动世界各国农业发展的强大动力，以农业生物技术和信息技术为特征的新的科技革命浪潮正在世界各国全面兴起。在这场新的农业科技浪潮中，美国、日本、德国等发达国家，印度、巴西等发展中国家，近年来都在制定实施新的农业科技发展战略，改革农业科技体制与运行机制，加大农业科研投入，加快农业科技创新步伐，抢占农业科技发展的制高点。这既对我国农业科技提出了严峻的挑战，更提供了迎头赶上新的农业科技革命、实现农业科技跨越式发展的历史性机遇。2宁波农技推广总站推出了三种农作物害虫非化学防

3、治技术有频振式杀虫灯诱杀害虫技术、性诱捕器诱杀害虫技术、色板诱杀害虫技术19等。在这些技术中，性诱捕器诱杀技术是近年来发展起来的一种治虫新技术，在性诱捕器上装置性诱剂，每亩农作物上悬挂性诱捕器12个，能诱杀大量前来寻偶交配的雄性昆虫，可有效减少田间的虫卵量，减少打药次数。性诱捕器诱杀害虫技术是一种生物技术，具有高效、无毒、不伤害天敌、不污染环境等优点。宁波纽康生物技术有限公司是由留美归国博士创建的一家高科技企业，成立于2004年7月。公司专业从事昆虫化学信息素生物防治应用技术的研发，公司性信息素研究成果2007年被评为改变百姓生活品质的十大浙江省科技创新产品。公司拥有先进的诱捕害虫的技术，研发

4、了很多诱捕器的类型。但不管哪类诱捕方式，存在的最大问题是，被捕杀的农作物病虫害数目难统计。按照传统方式，由农保员到田间的诱捕器去数数的方式，显得工作量大，既费时又费力，而且不卫生，在现在社会分工情况下很难实现。该公司与本人所在单位宁波职业技术学院地理相邻，有着校企合作关系，所以委托我院电子系为公司解决农作物被捕病虫害的数据监测和预报问题。在此背景下，研发并制作一套农作物病虫害自动测报系统对如何统计农作物病虫害数量，如何利用这些数据对农作物病虫害进行预报、预警是非常有必要的。1.2 课题研究的目的和意义农作物病虫害自动测报系统是集电子技术、遥感技术、网络技术、计算机技术、通信技术于农业中，将现代

5、科技应用于农业，实现农业数字化和信息化。具有自动识别害虫类型、自动统计害虫数目、自动数据采集和预报、预警作用。其研究的意义主要体现在以下几个方面：（1）提高了农业的科技含量。高科技含量的数字农业必将推动电子技术、计算机技术、通信技术等高新技术在农业上的应用，从而使农业走向信息化、自动化、高效化。【3】农作物病虫害自动测报系统具有高新的现代电子技术、计算机技术、通信技术、网络技术，大力推进农业科技创新，科技促进农业的发展。（2）解放了农保员的劳动力。按照传统方式，由农保员到田间的诱捕器去数数的方式，显得工作量大，既费时又费力，而且不卫生，在现在社会分工情况下很难实现。所以研究农作物害虫自动测报系

6、统采用先进自动化的采集统计数据、预报数据，传送数据，实现数据的自动化和信息化，可以大大解放农保员的劳动力。（3）提高了农业的产量和质量。本系统采用性信息素诱捕器，属于生物诱捕器。将性信息素放置在分机对应的容器里，来引诱雄性昆虫前来交配将其捕获，容器里装有不同的性信息素，可分别统计不同种类昆虫的数量。农保员通过主机观察不同时期昆虫的种类和数量，哪种病虫害数量居多，就增加哪种性信息素的含量，提高农业的产量和质量。（4）有利于农业企业的日常管理和决策。农作物病虫害自动测报系统，分机具有记忆功能，可通过按键查看历史记录，分机采用太阳能和电瓶供电，以保证24小时都有电，主机将分机发送的数据进行处理，绘制

7、成曲线，能清楚明了得看出哪天什么害虫多。另外数据还会通过移动短信的形式发送给农保员，便于农业的日常管理以及作出相应的决策。1.3 数字农业概述近年来,许多发达国家从综合国力的需要出发,相继提出了建设国家信息基础设施(NII)计划,简称“信息高速公路计划”。全球性信息基础设施建设亦成为世界信息业发展的趋势;与此建设相关的“3S”技术,即地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)、遥感技术(RS),应用于农业资源、环境和灾害的监测与速报方面的技术,以及在此基础上发展起来的数字农业(Digital Agriculture)技术,将极大地提高农业生产的可控程度和精确性。数字农业是用数字化技术,按人

8、类需要的目标对农业所涉及的对象和全过程进行数字化和可视化的表达、设计、控制、管理的农业。数字农业是以农业活动的数字化为特征,由数字来驱动的农业,其主要目的是建立一个智能的农业系统,集成数据采集、数据传输、数据处理和数控设备于一体,来实现农业活动的数字化、网络化和自动化,使决策支持系统和与之相关的需要数字化信息的应用,能对农事活动进行分析和可视化的操作。数字农业将工业可控生产和计算机辅助设计的思想引入农业,把信息技术作为农业生产力的重要要素,参与到农业各个环节中,并使之成为不可缺少的组成部分。【4】1.4 数字农业的国内外研究现状1.4.1 国外数字农业的发展现状数字农业在国外的研究已经达到了一

9、个比较高的水平，具体体现在农业中应用计算机处理农业数据，建立数据库，开发农业知识工程及专家系统，应用标准化网络技术，开展农业信息服务网络的研究与开发。在信息采集与动态监测方面，遥感发挥了巨大的功用。20世纪70年代，美国发射了landsat系列卫星，以分析植物和土壤反射的太阳光谱进行生物量和作物、土壤湿度感测。1995年，美国地球物理环境公司(GER)发射了一个小卫星群，用来监测整个农业的过程，同时对农业提供信息服务，该系统主要是通过广域网向农户提供耕作、作物长势、施肥、灌溉、病虫害等信息，方便用户及时采取措施。作物的生长发育模型与模拟是现在最前沿的农业科技发展领域之一。美国、以色列、荷兰在这

10、方面的研究和应用都处于世界前列2。美国已经成功地将其应用到实际生产中。例如，模拟玉米、小麦、水稻等作物生产的CERES模型系统就是最具有代表性的系统之一3。荷兰的SWAN5就是在作物生长模拟模型和土壤水分、养分转移过程模型研究的基础上，完成的两类模型的初步整合。其研究和建立对于目前作物生长机理模型的改进和农田水肥调控都具有重要作用1。发达国家对网络信息的利用已经进入实用化阶段。美国伊利诺依州的农户、农场主就可以通过信息网络，随时查询农业生产、销售的各种信息，制定生产经营方案；政府和管理部门也可以随时调用有关国家、地区的农业资源、农业经济、生产、环境动态变化的信息，并预测未来，进行农业管理决策。

11、如美国农业部建立了全国耕地、草地、农作物生产等监测网，并通过该网获取或传递各类农业信息。又如欧共体将信息技术应用于农业列为重点发展规划，将数据库技术、专家系统技术、决策支持技术、地理信息系统技术、模式识别、图像处理、机器人等应用于农业生产和管理4。温室设施及温室自动监控技术发展迅速，已得到广泛应用5。如奥地利Ruttuner教授设计的Complex system和日本中央电力研究所推出的蔬菜工厂等。这类植物工厂采取全封闭生产，人工补充光照，立体旋转式栽培，不仅全部采用电脑监测，而且还利用机器人、机械手进行播种、移栽等作业，基本摆脱了自然条件的束缚。1.4.2 我国数字农业的发展现状我国数字农业

12、较国外起步较晚，开始于“七五”期1998年6月1日国家主席江泽民在中国科学院和中国工程院院士大会上提出了发展“数字中国”的战略。随后，“数字社会”、“数字城市”、“数字农业”、“数字水利”、“数字林业”和“数字地质”等的探索与研究在我国全面展开。我国农业土地资源及利用、水资源及利用、气候资源、作物品种资源等方面的调查已经十分详细，相当一部分已经建立数据库。1992年，北京市顺义区用GPS导航开展了防蚜试验示范；1997年，辽宁、吉林、北京等开展GIS农业应用研究。北京的小汤山现代科技示范园区就可进行谷物产量、水分的在线测量，田间作物信息的采集，RS监测作物长势，水分、病虫草害防治，环境监测等7

13、。我国的虚拟农业研究也有了迅速的发展。其中中国农业大学初步建立了玉米、棉花地上部分三维可视化模型，为建立精确反应作物生长与农业环境条件关系的虚拟农田系统打下了坚实的基础。严定春等以玉米为研究对象，在先前已有的工作基础上，拟运用系统分析方法和动态模拟技术，构建基于过程的玉米生长模拟模型、基于三维可视化的虚拟模型，继而应用组件化程序设计思想，采用标准化接口和模块化封装技术，研究基于模型集成的数字化玉米生长模拟和虚拟设计系统，从而实现玉米生长模拟和虚拟显示等的数字化和科学化，取得了一定成果8。温室控制技术方面也开展了较多研究。1996年，江苏理工大学毛罕平等成功研制了使用工控机进行管理的植物工厂系统

14、，该系统能对温度、光照、CO2浓度、营养液和施肥等进行综合控制，是目前国产化温室控制技术比较典型的研究成果。中国农业大学研制的温室环境监控系统，通过在每一个独立温室放置温室机，内置温湿度、CO2等多种传感器、控制设备以及摄像镜头，可以实时将温室内作物生长状况传输到办公现场，同时可以通过电话线、数字信号传输线及Internet等将监测的室内外环境条件和植物生长状况传输到农业专家的计算机屏幕上，以便根据提供的信息进行生产指导，实现对温室环境的监测控制9。综上所述，我国数字农业的发展呈现如下特点：12（1）操作实施的科学性。数字农业与中国精耕细作的传统是一致的，但又和传统农业不同。数字农业是建立在现

15、代高技术基础之上的现代化精耕细作型农业，远远超过传统农业。（2）资源利用的高效性。强调最大限度地节省资源，重视环境保护和生态均衡，追求以最少的资源耗费获得最优、最大的产出，以保持农业的可持续发展10。（3）信息处理的精准性。包括信息获取的自动化、信息分析处理的智能化、信息传播的网络化、多项信息技术运用的集成与整合化、实施过程的定量化11。1.4.3 数字农业的发展趋势当前的重点是对农业生产所涉及的对象和全过程进行数字化表达、设计、控制和管理。由于数字农业的关键技术是数字化农业模型，因此模型的构建和运用是数字农业发展的基础性工作。一方面，需要进一步建立和完善主要农作物生长系统的过程模拟模型，实现

16、生物生长的动态模拟和预测；另一方面，需要建立农业产业系统的管理知识模型，实现农业生产管理设计和决策的智能化、科学化和数字化。从种植业来看，今后的研究重点将是提高数字农作关键技术与应用系统的机理性、数字化、可靠性和通用性水平，并研制出具有较强综合性和科学性的大型数字农业技术平台及软硬件产品。有关农作系统模型的构建表现为由局部到整体，由经验性到机理性，由智能化到数字化，由功能化到可视化的发展态势，重点是提高农作系统模拟模型的完整性和解释性，改善农作管理决策的广适性和准确性。农业遥感技术表现为由遥感估产到品质监测，由生长特征到生理参数，由空中遥感到空地结合的趋势，重点是提高农情信息无损获取的有效性、

17、精确度及诊断调控的数字化和指导性。GIS技术表现为由单一功能到复合功能，由单机版到网络版，由应用系统到组件开发的趋势，重点是改善GIS的组件化开发水平和高效集成能力。管理决策系统的研制则需要综合过程模型的动态预测功能、管理模型的优化决策功能、遥感技术的实时监测功能、GIS的空间信息管理功能,进一步结合农作生态区划与生产力分析技术以及数据库和网络通讯技术等，建立综合性、定量化和智能化的数字农业技术平台和应用系统。可以预计，数字农业的未来发展将需要综合运用信息管理、自动监测、动态模拟、虚拟现实、知识工程、精确控制、网络通讯等现代信息技术，以农业生产要素与生产过程的信息化与数字化为主要研究目标，发展

18、农业资源的信息化管理、农作状态的自动化监测、农作过程的数字化模拟、农作系统的可视化设计、农作知识的模型化表达、农作管理的精确化控制等关键技术，进一步构建综合性数字农业技术平台与应用系统，并研制出相关支撑设备和仪器，实现农业系统监测、预测、设计、管理、控制的数字化、精确化、可视化、网络化，从而提升农业生产系统的综合管理水平和核心生产力，实现以农业系统的数字化和自动化带动农业产业的信息化和现代化。【4】1.5 课题的研究内容本系统考虑实际应用场合，设计了近距离（1KM内）自动采集系统和远距离（大于1KM）自动采集系统，适用于不同区域使用。课题研究的内容主要包括以下几个方面：u 检测电路：病虫害进入

19、性诱捕器的检测，需要用红外传感器进行检测。u 分机电路设计：（1）分机能测量被捕昆虫数量，并用7位数码管来显示当前日期和昆虫数，诱捕器通道号。（2）分机能执行主机的规定命令：清零功能、发送数据功能、更改日期功能、设置昆虫数代码功能。（3）分机出厂时机器号统一设置为“1”， 出厂时昆虫代码设置为数据“30H”。 （4）分机可以通过按键查看历史纪录（1日31日内数据）。（5）分机本身具有手动即时数据发送和数据清零功能。（6）为节省电源消耗，分机显示器设置自动休眠和唤醒功能，即当无按键操作时，延时约40秒后切断显示器，当外部按键被操作或接收到指令后，显示器被唤醒。u 太阳能自动供电系统：为保持长久得

20、供电，分机采用太阳能与电瓶之间自动切换供电方式。当太阳能电池电压较高时（即有阳光），太阳能向电瓶供电，同时供给控制电路工作；当太阳能电池电压不足时，由电瓶负责供电。另外分机设有电瓶过充电保护（电瓶不能过充电）和电瓶过放电保护（电瓶不能过放电）。u 无线传输电路设计：主机与分机之间进行数据的传送、接收、处理u 主机电路设计：主机内置接收器，并与电脑相连。在电脑主控软件的控制下，实施对分机的“数据清零”、“数据采集”、“设置日期”、“设置昆虫代码”动作。并将分机执行动作后反馈信息传达给计算机信息系统u 近距离（1KM内）自动采集系统电脑测试软件：完成主机接收的数据汇总及分析，实施短信发送、决策等。

21、对于远距离（大于1KM）自动采集系统，近距离（1KM内）自动采集系统的扩展，适合于辽阔的草原或大面积种植地，由于近距离无线传输达不到要求，通过人骑马或驾车拿着手持器先将分机的数据采集过来，然后再将所采集到的数据一次性传输到主机所在的电脑系统。远距离（大于1KM）自动采集系统分机与主机功能与近距离（1KM内）自动采集系统一致，主要多了手持器的功能，另外电脑测试软件也需重新编程。u 手持器电路的设计： 能远距离采集各个分机的数据（可以设定要采集分机的数量，最多60个分机），并采用语音提示：“分机无应答”，表示手持器与分机不能正常通信，一般是分机有故障；“分机数据采集成功”，则表示完成数据采集正确。

22、“分机数据采集错误”表示通信正常，但数据校验错误。 能通过一键方式将手持器的数据依次发送到电脑中。并有语音提示：“电脑无应答”，表示手持器与电脑不能正常通信，一般是电脑及接收器有故障；“电脑数据传输成功”，则表示完成数据传输。“电脑数据发送错误”表示通信正常，但数据校验错误。 能设置系统实际工作时分机总数（最大60），能完成手持器数据清零，并有“手持器清零完成”语音提示。 采用干电池供电。设有E2PROM存储器，在无电源供给情况下，可以永久保留数据，设有看门狗，永不死机。第二章 农作物害虫自动测报系统相关技术的研究2.1 无线通信技术的介绍2.1.1 无线传感器网络概述随着人类社会的发展与进步

23、,人类对通信的依赖程度越来越高,无线通信技术应运而生,他具有快捷、方便、可移动和安全等优势,所以广泛应用到遥控玩具、汽车电子、环境监测和电气自动化等。无线通信以其不需铺设明线,使用便捷等特点,在现代通信领域占据重要地位。微电子技术、计算机技术和无线通信技术的进步，推动了低功耗多功能传感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSN）是由大量的，具有无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布网络系统。其目的是协作和感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、

24、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素。如果说Internet构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式，那么，无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界和客观上的物理世界融合在一起，改变人类与自然界的交互方式人们可以通过传感器网络直接感知客观世界，从而极大的扩展现有网络的功能和人类认知世界的能力。2.1.2 国内外对无线传感器网络的研究a国外无线传感器网络研究现状最早开始无线传感器网络技术研究的是美国军方。1978年，美国国防部高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA）在卡耐基梅隆大学成立了新一代分布式传感器网络工

25、作组，拉开了无线传感器网络研究的序幕。此后，DARPA又联合美国自然科学基金委员会（National Science Foundation,NSF）设立了多项有关无线传感器网络的研究项目。2000年，美国国防部把Smart Sensor Web定为国防部科学技术5个尖端研究领域之一。Smart Sensor Web的基本思想是在整个作战空间中放置大量的传感器节点来收集、传递数据，并且将数据汇集到融合点，在那里综合成一张图片，并分发给需要该数据的作战者。2001年美国陆军提出了“灵巧传感器网络通信”计划，灵巧传感器网络通信的目标是建设一个通用通信基础设施，支援前方部署，将无人值守式弹药、传感器和

26、未来战斗系统所用的机器人系统连成网络，成倍地提高单一传感器的能力，使作战指挥员能更好、更快地作出决策，从而改进未来战斗系统的生存能力。2002年5月，美国Sandia国家实验室与美国能源部合作，共同研究能够尽早发现以地铁、车站等场所为目标的生化武器袭击，并及时采取防范对策的系统；2006年美国陆军又相继确立了“无人值守地面传感器群”和“战场环境侦察与监视系统”项目，其主要目标是使基层部队指挥员具有在他们所希望部署传感器的任何地方灵活地地方灵活地部署传感器的能力；2007年美国海军开展的网状传感器系统CEC(Cooperative Engagement Capability)是一项革命性的技术。

27、CEC是一个无线传感器网络，其感知数据是原始的雷达数据。该系统适用于船舶或飞机战斗群携带的电脑进行感知数据的处理。每艘战船不但依赖于自己的雷达，还依靠其他战船或者装载CEC的战机来获取感知数据。前面介绍的都是无线传感器网络在军事方面的应用，下面主要介绍民用领域的研究进展。1995年，美国交通部提出了“国家智能交通系统项目规划”，这种新型系统将有效地使用传感器网络进行交通管理，不仅可以使汽车按照一定的速度行驶、前后车距自动地保持一定的距离，而且还可以提供有关道路堵塞的最新消息，推荐最佳行车路线以及提醒驾驶员避免交通事故等。2002年10月24日，美国英特尔公司发布了“基于微型传感器网络的新型计算

28、发展规划”。今后，英特尔将致力于微型传感器网络在智能家居、环境监测、森林灭火乃至海底板块调查等领域的应用。2004年Intel研究中心伯克利实验室的研究人员计划已经开始部署和使用无线传感器网络来研究岛上环境，使用这些设备，科学家们可以在不干扰野生动植物正常生活的情况下监视他们以及其周围的生存环境。b国内无线传感器网络研究现状国内，关于传感器网络的研究起步较晚，这方面的工作也很少，但目前已越来越受重视。无线传感器网络首次正式启动出现于1999年中国科学院知识创新工程点领域方向研究的“信息与自动化领域研究报告”中，该领域是五大重点项目之一；2002年开始，中科院沈阳自动化所，清华大学，哈工大，西北

29、工大，浙江大学等科研院校纷纷组织研究人员开展无线传感器网络的相关研究工作。国家也以自然科学基金等多种形式支持无线传感器网络的研究项目。2003年国家自然科学基金作为面上项目资助，上海市科学技术委员会列为2003年度第三批重大科研攻关课题。2004年至2008年，无线传感器网络都被列为国家自然科学基金重点资助项目和浙江省自然科学基金重点资助项目。2005年10月份，通信设备和解决方案提供商北电与北京邮电大学正式签署联合研发项目协议，双方将在无线传感器网络的关键技术研究和智能办公/家庭的应用项目上开展深入的研发合作。2006年初发布的国家中长期科学与技术发展规划纲要为信息技术定义了3个前沿方向，其

30、中2个与WSN的研究直接相关，即智能感知技术和自组织网络技术。我国2010年远景规划和“十五”计划中，将WSN列为重点发展的产业之一25-28。总体上国内关于无线传感器网络的研究还处于刚刚起步的阶段，大部分工作仍是在针对网络协议的设计仿真和实验阶段，而且国内自行研制的无线智能传感节点较少，都是购买Mote产品进行前期探索，这方面同国外的差距较大。2.1.3 无线传感器网络的应用领域早期的无线传感器主要是为军事用途而开发研制，但自本世纪初以来，越来越多的研究者在为使WSN更为广泛的应用而进行大量的科学研究和试验：（1）军事方面：由于无线传感网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的

31、战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。美国国防部对这类项目进行了广泛的支持。俄亥俄州正在开发“沙地直线”(A Line in the Sand)，就是一种无线传感网络系统。这个系统能够散射电子绊网(Trip Wires)到任何地方，也就是到整个战场，以侦测运动的高金属含量目标。这种能力意味着一个特殊的军事用途，例如侦察和定位敌军坦克和其他车辆。无线传感网络技术，预示着为战场上带来新的电子眼和电子耳，“能够在未来几十年内变革战场环境”。（2）智能家居：著名市场调研公司ABI Research的报告显示，此前无线传感器网络在市场方面的研究一直处于其发展的起初

32、阶段，到2007年将逐渐展示其真正的潜力。而这种潜力首先将在家庭自动化方面得以体现。（3）环境监测：2004年，挪威科学家利用监测冰河的变化情况，希望能通过分析冰河环境的变化来推断地球气候的变化，网络节点被埋在冰床下面，深浅不一，由此不需任何基础设施就可传输压力、温度等信息，从而达到其监测目的。（4）生物追踪研究：2002年，Inter研究小组等协同加州大学的科学家在美国缅州大鸭岛上一种海燕的生活习性进行了细微观测。在这个项目中，因为不存在人与海燕的直接接触，使得WSN所采集的信息完全真实的反映了海燕与其生活环境中温度、压力、湿度的海拔等数据之间的相关性。（5）医疗健康：Harvard Uni

33、versity的一个研究小组利用无线传感器网络构建了一个医疗监测平台，该平台可以使病人摆脱线缆的束缚，自由活动，医生手持PDA就可以随时接收或查询病人状况，该系统已经在波士顿附近的医院里进行测试。（6）工业应用：美国著名工控公司Honeywell公司于2003年9月提出一名为“可提高工业效率的无线和感知解决方案”的研究项目，开发应用在安全工业的无线网络，须确保在制造业大规模部署健壮传感器网络所需要考虑的一些关键要素，包括：可靠性、在恶劣环境下的持续性能、抗干扰性、安全性、带宽利用率等，最后形成开放式的系统架构，包含健壮的无线通信、灵活的网络协议和大规模部署低成本工业无线传感器所需要的若干安全特

34、性。2.2 系统中太阳能节能的介绍2.2.1 太阳能发展太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。也是清洁能源，不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用当中；大阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。为此，人们研制和开发了太阳能电池。制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应。2.2.2 太阳能电池的种类根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：u 硅太阳能电池u 以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池u 功能高分子材料制备的大阳能电池u 纳米晶太阳能电池不论以何种材料来制作电

35、池，对太阳能电池材料一般的要求有：u 半导体材料的禁带不能太宽u 要有较高的光电转换效率u 材料本身对环境不造成污染u 材料便于工业化生产且材料性能稳定基于以上几个方面考虑，硅是最理想的太阳能电池材料，这也是太阳能电池以硅材料为主的主要原因。2.2.3 系统中太阳能电池技术单晶硅太阳能电池 硅系列太阳能电池中，单晶硅大阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热的加工处理工艺基础上的。现在单晶硅的电地工艺己近成熟，在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术，开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。提高转化效率主要

36、是*单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在此方面，德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化，制成倒金字塔结构。并在表面把一13nm。厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合通过改进了的电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率：通过以上制得的电池转化效率超过23，是大值可达233。Kyocera公司制备的大面积（225cm2）单电晶太阳能电池转换效率为1944，国内北京太阳能研究所也积极进行高效晶体硅太阳能电池的研究和开发，研制的平面高效单晶硅电池（2cm X 2cm）转换效率达到19.79，刻槽埋栅电极晶体硅电池（5cm X 5cm）转换效率达8.

37、6。 单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本价格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困难的。为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池的替代产品，现在发展了薄膜太阳能电池，其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。2.3 系统中单片机的介绍2.3.1单片机发展历史科技的进步需要技术不断的提升。一块大而复杂的模 拟电路花费了您巨大的精力，繁多的元器件增加了您的成本。而现在，只需要一块几厘米见方的单片机，写入简单 的程序，就可以使您以前的电路简单很多。相信您在使用 并掌握了单片机技术后

38、,不管在您今后开发或是工作上，一定会带来意想不到的惊喜。我国开始使用单片机是在1982 年，短短五年时间里 发展极为迅速。1986 年在上海召开了全国首届单片机开发与应用交流会，有的地区还成立了单片微型计算机应用 协会，那是全国形成的第一次高潮。截止今日，单片机应用技术飞速发展，我们上因特网输入一个“单片机”的搜 索，将会看到上万个介绍单片机的网站，这还不包括国外的。与它相应的专业杂志现在也有很多，比如由单片机界 的权威何立民主编的单片机与嵌入式系统应用杂志现以风靡电子界，在2003年7月，91（91 猎头 网）在上海、广州、北京等大城市所做的一次专业人才需求报告中，单片

39、机人才的需求量位居第一。 一块小小的片子，为何有这样的魔力？我们首先从它的构成说起：单片机，亦称单片微电脑 或单片微型计算机。它是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口 （I/0）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。 计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕 竟体积大。微计算机（单片机）在这种情况下诞生了，它为我们改变了什么？纵观我们现在生活的各个领域，从导 弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据 处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC 卡、电子宠物等

40、，这些都离不开单片机。以前没有单片机时，这些 东西也能做，但是只能使用复杂的模拟电路，然而这样做出来的产品不仅体积大，而且成本高，并且由于长期使用， 元器件不断老化，控制的精度自然也会达不到标准。在单片机产生后，我们就将控制这些东西变为智能化了，我们 只需要在单片机外围接一点简单的接口电路，核心部分只是由人为的写入程序来完成。这样产品的体积变小了，成 本也降低了，长期使用也不会担心精度达不到了。所以，它的魔力不仅是在现在，在将来将会有更多的 人来接受它、使用它。据统计，我国的单片机年容量已达13 亿片，且每年以大约16的速度增长，但相对于 世界市场我国的占有率还不到1。特别是沿海地区的玩具厂等

41、生产产品多数用到单片机，并不断地辐射向内地。 所以，学习单片机在我国是有着广阔前景的。随着国内外对单片机应用系统的推广，本着它既可进行编程，又可进行在线调式，使用方便的特点，经用户实际应用表明，系统运行稳定可靠，操作简单，教学效果良好，取得了一定的经济效益和社会效益，具有推广应用价值。提拱的鉴定资料齐全、清晰，符合鉴定要求。综上所述，该系统设计合理、构思新颖、实用性强，可满足学生学习的需要，在单片机仿真实验系统综合集成与模块化设计等方面达到国内领先水平，同意通过技术鉴定。建议：进一步紧跟国内外单片机的发展趋势及方向，不断改进提高，扩大推广应用。2.3.2单片机发展趋势现在可以说单片机是百花齐放

42、，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：1. 低功耗CMOS化MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。象80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低

43、，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。2. 微型单片化现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造

44、出具有自己特色的单片机芯片。此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD(表面封装)越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。3. 主流与多品种共存现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产

45、量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。2.3.3STC89C52的单片机简介AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次

46、。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。a.主要特性：u 与MCS-51 兼容u 4K字节可编程闪烁存储器u 寿命：1000写/擦循环u 数据保留时间：10年u 全静态工作：0Hz-24Hzu 三级程序存储器锁定u 128*8位内部RAMu 32可编程I/O线u 两个16位定时器/计数器u 5个中断源u 可编程串行通道u 低功耗的闲

47、置和掉电模式u 片内振荡器和时钟电路b.管脚说明： 图1 芯片管脚示意图u VCC：供电电压。u GND：接地。u P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。u P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于

48、内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。u P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。u P3口：P3口管脚是8个带内部上

49、拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。u P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。u RST

50、：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。u ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。u PSEN：外部程序存储

51、器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。u EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。u XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。u XTAL2：来自反向振荡器的输出。c.振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振

52、荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。d.芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保

53、存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。第三章 农作物害虫自动测报系统硬件设计3.1 系统总体设计方案3.1.1 系统组成系统由分机系统（地址编码01H0F0H可设225个号码）、主机系统、计算机信息发布系统组成。框图如下分机0。分机1分机225主 机计算机信息发布系统 系统总体框图通过红外传感器对昆虫进行检测，单片机进行数据的统计和处理，并显示在分机的面板上。分机和主机通过远距离无线传输，并将分机执行动作后反馈信息传达给计算机信息系统，由计算机信息处理系统完成数据汇总及分析，实施短信发送、决策等。3.1.2 系统功能特色u 分机用7位数码管来显示当前日期和

54、昆虫数，诱捕器通道号。u 分机能执行主机的规定命令：清零功能、发送数据功能、更改日期功能、设置昆虫数代码功能。u 分机出厂时机器号统一设置为“1”， 出厂时昆虫代码设置为数据“30H”。 u 分机可以通过按键查看历史纪录（1日31日内数据）。u 分机本身具有手动即时数据发送和数据清零功能。u 分机内置无线接收器，采用电瓶与太阳能自动切换供电方式。当太阳能电池电压较高时（即有阳光），太阳能向电瓶供电，同时供给控制电路工作；当太阳能电压不足时，由电瓶负责供电，实现永不断电状态（无太阳时电瓶能持续供电一周）。u 分机设有电瓶过充电保护（电瓶不能过充电）和电瓶过放电保护（电瓶不能过放电）。u 分机设有

55、E2PROM存储器，在无电源供给情况下，可以永久不留数据，分机设有看门狗，永不死机。u 为节省电源消耗，分机显示器设置自动休眠和唤醒功能，即当无按键操作时，延时约40秒后切断显示器，当外部按键被操作或接收到指令后，显示器被唤醒。u 主机接收到分机的数据后，通过计算机处理，提供预报、预警信息。并通过电信、移动等网络发送给农保员。3.1.3 分机部分组成u 分机结构示意图：+1、-1、发送、清零按钮指示灯开关天线太阳能 分机结构图u 分机硬件说明： 分机内设有无线接收装置，采用电瓶与太阳能电池板自动切换供电方式，太阳能电池主要用于对电瓶的充电，当太阳能电池电压较高时（即有阳光），太阳能向电瓶充电，同时供给控制电路工作；当太阳能电池电压不足时，由电瓶负责供电。 分机设有电瓶过充电保护（电瓶不能过充电）和电瓶过放电保护（电瓶不能过放电）。主要为了延长电瓶的使用寿命。 分机设有E2PROM存储器，在无电源供给情况下，可以永久不留数据，分机设有看门狗，永不死机。u 分机硬件框图：CPULED显示模块无线发射按 键红外检测 分机硬件框图3.1