太阳能杀虫灯物联网节点的防盗防破坏设计及展望.pdf

2021 年 3 月 第3 卷 第 1 期 Mar 2021 Vol 3 No 1 智 慧 农 业 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 太 阳 能 杀 虫 灯 物 联 网 节 点 的 防 盗 防 破 坏 设 计 及 展 望 黄 凯 1 2 舒 磊 2 3 李 凯 亮 2 杨 星 2 朱 艳 1 汪 小 旵 4 苏 勤 2 1 国 家 信 息 农 业 工 程 技 术 中 心 江 苏 南 京 2 1 0 0 9 5 2 南 京 农 业 大 学 人 工 智 能 学 院 江 苏 南 京 2 1 0 0 3 1 3 英 国 林 肯 大 学 林 肯 L N 6 7 T S 4 南 京 农 业 大 学 工 学 院 江 苏 南 京 2 1 0 0 3 1 摘 要 太 阳 能 杀 虫 灯 在 有 效 控 制 虫 害 的 同 时 可 减 少 农 药 施 药 量 随 着 其 部 署 数 量 的 增 加 被 盗 被 破 坏 的 报 道 也 越 来 越 多 严 重 影 响 了 虫 害 防 治 效 果 并 造 成 了 较 大 的 经 济 损 失 为 有 效 地 解 决 太 阳 能 杀 虫 灯 物 联 网 节 点 被 盗 被 破 坏 问 题 本 研 究 以 太 阳 能 杀 虫 灯 物 联 网 为 应 用 场 景 对 太 阳 能 杀 虫 灯 硬 件 进 行 改 造 设 计 以 获 取 更 多 的 传 感 信 息 提 出 了 太 阳 能 杀 虫 灯 辅 助 设 备 无 人 机 杀 虫 灯 用 以 被 盗 被 破 坏 出 现 后 的 部 署 追 踪 和 巡 检 等 应 急 应 用 通 过 上 述 硬 件 层 面 的 改 造 设 计 和 增 加 辅 助 设 备 可 以 获 取 更 为 全 面 的 信 息 以 判 断 太 阳 能 杀 虫 灯 物 联 网 节 点 被 盗 被 破 坏 情 况 但 考 虑 到 被 盗 被 破 坏 发 生 时 间 短 仅 改 造 硬 件 层 面 还 不 足 以 实 现 快 速 准 确 判 断 因 此 本 研 究 进 一 步 从 内 部 硬 件 软 件 算 法 和 外 形 结 构 设 计 三 个 层 面 探 讨 了 设 备 防 盗 防 破 坏 的 优 化 设 计 设 备 防 盗 防 破 坏 判 断 规 则 的 建 立 设 备 被 盗 被 破 坏 的 快 速 准 确 判 断 设 备 被 盗 被 破 坏 的 应 急 措 施 设 备 被 盗 被 破 坏 的 预 测 与 防 控 以 及 优 化 计 算 以 降 低 网 络 数 据 传 输 负 荷 六 个 关 键 研 究 问 题 并 对 设 备 防 盗 防 破 坏 技 术 在 太 阳 能 杀 虫 灯 物 联 网 场 景 中 的 应 用 进 行 了 展 望 关 键 词 太 阳 能 杀 虫 灯 防 盗 防 破 坏 无 人 机 杀 虫 灯 农 业 物 联 网 节 点 中 图 分 类 号 S 2 3 7 S 2 5 1 U 4 9 2 8 3 文 献 标 志 码 A 文 章 编 号 2 0 2 1 0 2 S A 0 3 4 引 用 格 式 黄 凯 舒 磊 李 凯 亮 杨 星 朱 艳 汪 小 旵 苏 勤 太 阳 能 杀 虫 灯 物 联 网 节 点 的 防 盗 防 破 坏 设 计 及 展 望 J 智 慧 农 业 中 英 文 2021 3 1 129 143 HUANG Kai SHU Lei LI Kailiang YANG Xing ZHU Yan WANG Xiaochan SU Qin Design and prospect for anti theft and anti destruction of nodes in Solar Insecticidal Lamps Internet of Things J SmartAgriculture 2021 3 1 129 143 in Chinese with English abstract 1 太 阳 能 杀 虫 灯 被 盗 被 破 坏 现 状 目 前 太 阳 能 杀 虫 灯 在 农 业 中 得 到 了 广 泛 应 用 1 有 效 减 少 了 大 田 期 成 虫 落 卵 量 及 后 期 化 肥 农 药 施 用 量 并 能 进 行 虫 情 监 测 确 保 粮 食 安 全 但 是 越 来 越 多 的 研 究 和 报 道 表 明 太 阳 能 杀 虫 灯 被 盗 被 破 坏 非 常 严 重 如 图1 所 示 整 理 涉 及 到 杀 虫 灯 盗 窃 破 坏 的 文 献 报 道 如 表1 所 示 分 析 太 阳 能 杀 虫 灯 各 零 部 件 被 盗 被 破 坏 的 情 况 主 要 原 因 如 下 a 杀 虫 灯 整 灯 被 盗 留 下 的 底 座 b 被 破 坏 的 杀 虫 灯 灯 管 图1 杀 虫 灯 被 盗 被 破 坏 情 况 2 Fig 1 Theft and destruction of solar insecticidal lamp doi 10 12133 j smartag 2021 3 1 202102 SA034 收 稿 日 期 2021 02 16 修 订 日 期 2021 03 11 基 金 项 目 国 家 自 然 科 学 基 金 62072248 作 者 简 介 黄 凯 1988 男 博 士 研 究 方 向 为 农 业 物 联 网 E mail kai huang 通 讯 作 者 舒 磊 1981 男 博 士 教 授 研 究 方 向 为 农 业 物 联 网 电 话 025 58606643 E mail lei shu Vol 3 No 1 智 慧 农 业 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 1 太 阳 能 杀 虫 灯 价 值 较 高 目 前 网 上 检 索 到 的255 个 太 阳 能 杀 虫 灯 产 品 均 价 为2039 5 元 人 民 币 220 0 20 000 0 元 23 2 监 视 设 备 投 入 高 太 阳 能 杀 虫 灯 往 往 部 署 在 人 流 量 较 少 的 地 方 通 过 增 加 摄 像 头 等 监 视 设 备 来 保 障 设 备 安 全 会 大 幅 增 加 硬 件 投 入 提 升 成 本 不 利 于 设 备 推 广 应 用 同 时 监 测 设 备 本 身 也 存 在 被 盗 被 破 坏 的 风 险 24 3 监 视 设 备 通 讯 功 能 不 完 善 已 有 的 太 阳 能 杀 虫 灯 防 盗 功 能 大 都 是 通 过GPRS 模 块 实 现 的 1 但 这 只 适 用 于 图1 a 所 示 的 整 灯 被 盗 且 被 盗 灯 具 功 能 完 好 2 的 情 况 不 适 用 零 部 件 的 盗 窃 及 破 坏 等 情 况 且 其 产 生 的 数 据 流 量 费 用 使 得 应 用 成 本 持 续 增 加 4 太 阳 能 杀 虫 灯 管 理 不 完 善 当 太 阳 能 杀 虫 灯 节 点 被 盗 被 破 坏 后 缺 乏 应 急 措 施 去 管 理 维 护 杀 虫 灯 短 时 间 内 无 法 恢 复 这 容 易 引 起 更 多 的 被 盗 被 破 坏 问 题 综 上 太 阳 能 杀 虫 灯 在 应 用 过 程 中 缺 乏 合 适 的 防 盗 防 破 坏 方 法 造 成 了 较 大 的 经 济 损 失 也 使 得 出 现 被 盗 被 破 坏 问 题 后 虫 害 防 治 效 果 大 打 折 扣 参 考 李 凯 亮 等 1 总 结 的 联 网 型 杀 虫 灯 产 品 对 于 具 备 防 盗 功 能 的 产 品 25 29 当 出 现 杀 虫 灯 被 盗 被 破 坏 时 有 如 下 情 况 1 整 灯 被 盗 在 整 灯 完 整 功 能 正 常 的 条 件 下 可 通 过 定 位 判 断 是 否 被 盗 若 整 灯 被 盗 且 功 能 正 常 则 被 盗 后 可 追 回 2 零 部 件 被 盗 零 部 件 被 盗 的 情 况 下 系 统 仅 显 示 相 应 模 块 故 障 不 能 判 别 被 盗 情 况 若 蓄 电 池 被 盗 且 无 备 用 电 源 则 被 盗 时 无 法 得 知 具 体 状 况 3 整 灯 被 破 坏 所 有 零 部 件 包 括 蓄 电 池 被 破 坏 若 无 备 用 电 源 则 整 灯 被 破 坏 时 无 法 得 知 具 体 状 况 4 零 部 件 被 破 坏 零 部 件 被 破 坏 的 情 况 下 系 统 仅 显 示 相 应 模 块 故 障 不 能 判 别 被 破 坏 情 况 若 蓄 电 池 被 破 坏 且 无 备 用 电 源 则 被 破 坏 时 无 法 得 知 具 体 状 况 其 中 太 阳 能 杀 虫 灯 被 盗 被 破 坏 和 产 生 故 障 在 系 统 中 都 只 显 示 故 障 状 态 这 显 然 不 利 于 管 理 维 护 人 员 判 断 杀 虫 灯 的 真 实 工 作 状 态 表 1 杀 虫 灯 盗 窃 破 坏 的 相 关 文 献 报 道 Table 1 Related literatures and reports on theft and destruction of solar insecticidal lamps 2001 2003 2004 2010 2011 2011 2011 2012 2013 频 振 式 杀 虫 灯 在 园 林 害 虫 防 治 上 的 应 用 3 频 振 式 杀 虫 灯 防 治 油 松 毛 虫 试 验 4 频 振 式 杀 虫 灯 防 治 落 叶 松 鞘 蛾 效 果 分 析 5 宜 川 县 苹 果 害 虫 发 生 现 状 与 防 控 技 术 6 新 型 杀 虫 灯 诱 杀 玉 米 螟 技 术 7 杀 虫 灯 频 遭 黑 手 市 政 盗 走 使 用 不 当 有 害 无 益 8 三 亚 政 府 免 费 安 装 千 盏 杀 虫 灯 两 月 后 百 盏 遭 破 坏 9 太 阳 能 智 能 杀 虫 灯 应 用 效 果 研 究 10 太 阳 能 杀 虫 灯 防 治 果 园 害 虫 试 验 11 广 州 市 植 保 新 技 术 新 方 法 推 广 现 状 分 析 12 黑 光 灯 上 部 件 时 常 有 丢 失 或 被 损 坏 在 护 林 的 同 时 对 杀 虫 灯 加 以 管 护 防 止 电 源 线 脱 落 杀 虫 灯 的 丢 失 损 坏 等 建 立 人 与 灯 结 合 的 管 理 制 度 每 人 管 理10 台 灯 负 责 开 灯 闭 灯 收 虫 记 录 分 析 处 理 并 定 期 维 护 灯 箱 擦 拭 灯 管 等 消 除 安 全 隐 患 防 止 丢 失 损 坏 杀 虫 灯 人 为 丢 失 损 坏 现 象 严 重 由 于 蓄 电 池 可 以 随 时 安 装 和 取 下 所 以 夜 间 在 屯 外 路 边 的 秸 秆 垛 诱 虫 时 偶 尔 会 出 现 蓄 电 池 丢 失 现 象 接 连 好 几 天 发 现 安 装 在 线 杆 上 的 多 个 灭 蛾 灯 丢 失 白 天 发 现 灭 蛾 灯 没 有 了 工 作 人 员 来 安 装 上 第 二 天 又 丢 了 灭 虫 灯 遭 破 坏 有 的 电 池 被 偷 有 的 太 阳 能 发 电 板 被 偷 有 的 电 网 和 灯 管 被 砸 坏 据 三 亚 有 关 部 门 统 计 截 至 目 前 约100 多 盏 太 阳 能 灭 虫 灯 遭 到 破 坏 在 田 间 使 用 容 易 丢 失 没 有 防 盗 功 能 太 阳 能 电 池 板 容 易 被 人 为 损 坏 新 技 术 推 广 应 用 过 程 中 后 续 维 护 和 管 理 跟 不 上 常 出 现 杀 虫 灯 灯 管 易 损 耗 外 壳 易 老 化 接 虫 袋 丢 失 个 别 地 方 出 现 电 线 或 杀 虫 灯 被 盗 的 情 况 时 间 标 题 相 关 文 献 报 道 的 表 述 1 3 0黄 凯 等 太 阳 能 杀 虫 灯 物 联 网 节 点 的 防 盗 防 破 坏 设 计 及 展 望 Vol 3 No 1 2013 2014 2015 2015 2016 2017 2018 2018 2018 2018 2020 积 极 争 取 公 共 财 政 扶 持 扎 实 推 进 病 虫 害 绿 色 防 控 13 1 65 万 盏 杀 虫 灯 让30 万 亩 花 生 告 别 灌 药 历 史 14 邹 城 市 农 作 物 病 虫 害 专 业 化 统 防 统 治 与 绿 色 防 控 融 合 推 进 的 实 践 及 成 效 15 浅 析 从 化 学 防 治 到 物 理 防 治 的 转 变 关 于 太 阳 能 杀 虫 灯 的 应 用 16 太 阳 能 杀 虫 灯 对 蔬 菜 害 虫 的 诱 杀 效 果 17 物 理 诱 虫 灯 成 功 控 制 虫 害 动 了 谁 的 奶 酪 2 花 生 病 虫 害 全 覆 盖 式 绿 色 防 控 工 作 的 实 践 与 思 考 18 文 山 州 太 阳 能 杀 虫 灯 使 用 现 状 与 问 题 及 对 策 19 太 阳 能 诱 虫 灯 对 玉 米 害 虫 诱 杀 效 果 初 探 20 农 业 生 产 切 莫 浪 费 了 杀 虫 灯 21 太 阳 能 杀 虫 灯 在 农 业 生 产 中 的 推 广 及 应 用 22 香 城 镇2007 年 以 来 先 后 购 置 频 振 式 杀 虫 灯4000 盏 使 用 之 初 由 于 以 村 为 单 位 分 散 管 理 责 任 利 益 不 明 确 丢 失 坏 损 甚 至 不 正 常 安 装 使 用 的 现 象 时 有 发 生 香 城 镇 通 过 实 施 洪 山 流 域 生 态 农 业 示 范 区 建 设 项 目 先 后 购 买 杀 虫 灯3000 盏 性 诱 捕 器1 万 套 粘 虫 板50 万 块 使 用 之 初 由 于 以 村 为 单 位 分 散 管 理 责 任 利 益 不 明 确 丢 失 损 坏 安 装 使 用 不 正 常 的 现 象 时 有 发 生 由 于 太 阳 能 杀 虫 灯 价 值 较 高 大 田 使 用 中 容 易 丢 失 这 需 要 在 使 用 中 做 好 防 盗 工 作 如 加 装 防 盗 监 控 设 施 等 或 者 对 产 品 作 进 一 步 改 进 增 加 防 盗 功 能 应 在 农 田 适 合 位 置 用 水 泥 固 定 安 装 太 阳 能 杀 虫 灯 加 强 养 护 巡 逻 严 防 偷 盗 自2007 年 本 团 队 为 蒋 家 庄 村 民 免 费 装 的 太 阳 灯 杀 虫 灯 或 交 流 电 杀 虫 灯 不 断 被 破 坏 前 后 损 失 十 几 万 元 杀 虫 灯 诱 捕 器 等 植 保 产 品 使 用 之 初 是 以 村 集 体 为 单 位 分 散 管 理 责 任 利 益 不 明 确 容 易 丢 失 损 坏 安 装 使 用 不 当 的 情 况 时 有 发 生 太 阳 能 杀 虫 灯 靠 太 阳 能 蓄 电 池 蓄 电 一 般 安 装 于 田 间 距 村 庄 住 户 比 较 远 普 遍 距 地 面 比 较 近 没 有 防 护 罩 大 人 小 孩 容 易 接 触 到 太 阳 能 蓄 电 池 容 易 被 损 坏 盗 走 我 州 部 分 县 市 蓄 电 池 被 盗 事 情 频 发 大 大 缩 短 了 使 用 年 限 而 且 维 修 起 来 花 费 较 高 杀 虫 灯 的 后 期 管 理 维 护 困 难 重 重 但 单 灯 智 能 太 阳 能 灯 由 于 安 装 简 易 较 矮 易 丢 失 最 初 推 广 杀 虫 灯 时 某580 亩 豇 豆 基 地 放 了 由 农 业 部 门 免 费 送 的15 盏 频 振 式 杀 虫 灯 使 用 后 效 果 奇 好 可 不 到 二 三 年 时 间 灯 陆 续 坏 了 无 人 修 理 至 今 弃 之 不 用 对 易 损 件 要 定 期 检 查 维 护 防 止 人 为 损 坏 续 表1 时 间 标 题 相 关 文 献 报 道 的 表 述 如 果 可 准 确 识 别 杀 虫 灯 被 盗 被 破 坏 的 状 况 管 理 维 护 人 员 则 可 以 快 速 行 动 降 低 可 能 产 生 的 损 失 而 且 目 前 的 产 品 防 盗 功 能 的 实 现 有 一 个 前 提 灯 具 完 整 且 功 能 正 常 这 意 味 着 太 阳 能 杀 虫 灯 的 防 盗 功 能 还 有 待 提 升 此 外 作 者 对 物 联 网 设 备 安 全 研 究 的 现 状 进 行 了 梳 理 如 表2 所 示 太 阳 能 杀 虫 灯 物 联 网 和 表2 前 三 类 场 景 特 点 都 有 共 同 之 处 但 是 也 存 在 不 同 设 备 安 全 问 题 的 应 对 对 策 也 有 不 足 之 处 可 结 合 前 三 类 场 景 的 应 对 对 策 完 善 现 有 太 阳 能 杀 虫 灯 的 被 盗 被 破 坏 的 应 对 对 策 因 此 可 以 对 目 前 太 阳 能 杀 虫 灯 物 联 网 节 点 加 以 改 造 设 计 最 终 实 现 太 阳 能 杀 虫 灯 物 联 网 节 点 更 为 完 善 的 防 盗 防 破 坏 功 能 本 研 究 分 析 了 太 阳 能 杀 虫 灯 设 备 在 应 用 过 程 中 被 盗 被 破 坏 的 情 况 通 过 对 太 阳 能 杀 虫 灯 内 部 硬 件 加 以 改 造 设 计 并 从 太 阳 能 杀 虫 灯 外 部 考 虑 增 加 辅 助 设 备 以 开 展 应 急 措 施 最 后 结 合 硬 件 层 面 上 的 防 盗 防 破 坏 设 计 在 软 件 层 面 上 分 析 开 展 防 盗 防 破 坏 研 究 过 程 中 需 要 考 虑 的 关 键 研 究 问 题 并 对 未 来 太 阳 能 杀 虫 灯 物 联 网 节 点 的 防 盗 防 破 坏 研 究 进 行 了 展 望 本 研 究 基 于 团 队 提 出 的 太 阳 能 杀 虫 灯 物 联 网 1 从 两 方 面 考 虑 太 阳 能 杀 虫 灯 的 防 盗 防 破 坏 的 改 造 设 计 1 从 太 阳 能 杀 虫 灯 内 部 考 虑 综 合 考 虑 成 本 耗 电 量 等 因 素 增 加 防 盗 防 破 坏 的 传 感 器 为 具 体 零 部 件 的 被 盗 被 破 坏 的 评 估 提 供 数 据 支 持 并 在 盗 窃 破 坏 状 态 出 现 后 警 鸣 器 现 场 报 警 尽 可 能 降 低 损 失 2 从 太 阳 能 杀 虫 灯 外 部 考 虑 设 计 一 款 机 动 性 强 的 辅 助 设 备 无 人 机 杀 虫 灯 以 便 开 展 应 急 措 施 保 障 物 联 网 正 常 组 网 通 信 等 基 本 功 能 甚 至 为 被 盗 被 破 坏 案 件 的 告 破 提 供 有 效 线 索 1 3 1Vol 3 No 1 智 慧 农 业 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 2 物 联 网 节 点 防 盗 防 破 坏 改 造 设 计 2 1 改 造 设 计 需 求 对 于 太 阳 能 杀 虫 灯 而 言 任 何 时 候 都 存 在 被 盗 被 破 坏 的 风 险 需 要 满 足 不 同 时 段 对 于 被 盗 被 破 坏 状 况 的 监 测 需 求 来 设 计 太 阳 能 杀 虫 灯 物 联 网 节 点 的 主 要 零 部 件 包 括 太 阳 能 电 池 板 蓄 电 池 杀 虫 灯 通 信 模 块 通 信 天 线 和 无 线 设 备 控 制 电 路 传 感 器 模 块 以 及 安 装 支 架 等 如 图2 所 示 增 加 太 阳 能 电 池 板 电 压 电 流 传 感 器 监 测 太 阳 能 电 池 板 的 电 压 电 流 蓄 电 池 柜 配 锁 增 加 门 控 开 关 传 感 器 监 测 蓄 电 池 柜 是 否 异 常 开 启 在 支 架 内 部 布 线 以 防 电 线 从 外 部 破 坏 支 架 内 置 防 盗 防 破 坏 系 统 硬 件 通 信 用 的 备 用 供 电 模 块 加 速 度 传 感 器 通 过 金 属 支 架 保 护 硬 件 考 虑 到 不 同 零 部 件 在 不 同 时 段 的 工 作 状 态 不 同 防 盗 防 破 坏 设 计 需 要 考 虑 各 零 部 件 的 特 点 1 太 阳 能 电 池 板 只 有 在 有 光 照 的 条 件 下 太 阳 能 板 才 有 电 流 输 出 所 以 在 白 天 可 以 通 过 电 流 来 判 断 太 阳 能 电 池 板 是 否 正 常 但 在 夜 间 无 法 通 过 电 流 来 判 断 太 阳 能 电 池 板 是 否 正 图2 太 阳 能 杀 虫 灯 改 造 设 计 示 意 图 Fig 2 Schematic diagram of retrofit design of solar insecticidal lamp 表 2 物 联 网 设 备 安 全 研 究 现 状 对 比 分 析 Table 2 Comparative analysis of research status of Internet ofThings equipment safety 场 景 描 述 与 能 量 管 理 相 关 如 智 能 电 网 与 具 有 计 算 能 力 的 可 移 动 设 备 相 关 如 智 能 手 机 无 人 机 汽 车 摩 托 车 和 共 享 单 车 等 场 景 内 所 有 设 备 参 与 自 组 网 如 文 物 办 公 设 备 和 智 能 家 居 等 太 阳 能 杀 虫 灯 物 联 网 场 景 特 点 户 外 场 景 覆 盖 范 围 广 排 查 困 难 可 移 动 便 携 价 值 高 智 能 化 关 联 性 强 自 组 网 数 量 多 户 外 场 景 覆 盖 范 围 广 价 值 高 智 能 化 自 组 网 数 量 多 设 备 安 全 问 题 类 型 举 例 电 缆 被 盗 30 输 电 线 被 盗 31 32 智 能 电 表 被 破 坏 33 36 智 能 手 机 被 盗 37 41 无 人 机 被 破 坏 42 汽 车 被 盗 及 组 件 被 破 坏 43 46 摩 托 车 组 件 被 盗 47 共 享 单 车 被 盗 48 文 物 被 盗 49 办 公 设 备 被 盗 50 智 能 家 居 被 破 坏 51 太 阳 能 杀 虫 灯 被 盗 被 破 坏 详 见 表1 设 备 安 全 问 题 的 特 点 随 机 性 易 被 破 坏 性 设 备 安 全 问 题 会 造 成 局 部 影 响 针 对 性 随 机 性 设 备 安 全 问 题 会 造 成 相 应 的 设 备 财 产 损 失 针 对 性 关 联 性 组 网 设 备 的 状 态 会 受 到 产 生 安 全 问 题 设 备 的 影 响 例 如 空 调 温 度 模 块 被 破 坏 造 成 智 能 开 窗 通 风 这 会 增 加 室 内 被 盗 风 险 针 对 性 随 机 性 关 联 性 设 备 安 全 问 题 形 成 原 因 人 为 因 素 自 然 因 素 人 为 因 素 自 然 因 素 人 为 因 素 自 然 因 素 人 为 因 素 自 然 因 素 应 对 对 策 电 路 信 号 检 测 30 传 感 器 检 测 32 行 为 分 析 33 35 36 设 备 远 程 锁 定 37 38 48 RFID 39 行 为 分 析 40 46 授 权 访 问 41 42 定 位 分 析 43 视 频 监 控 44 45 RFID 49 传 感 器 检 测 50 行 为 分 析 51 视 频 监 控 52 54 定 位 防 盗 25 29 应 对 对 策 特 点 快 速 响 应 并 定 位 30 数 据 驱 动 33 35 用 户 用 电 隐 私 保 护 36 用 户 信 息 隐 私 保 护 37 38 42 无 源 检 测 39 用 户 使 用 习 惯 学 习 40 46 用 户 生 物 特 征 识 别 41 异 常 信 号 43 45 47 无 源 检 测 49 被 盗 后 追 踪 50 关 联 性 分 析 51 防 盗 警 示 短 信 报 警 25 29 1 3 2黄 凯 等 太 阳 能 杀 虫 灯 物 联 网 节 点 的 防 盗 防 破 坏 设 计 及 展 望 Vol 3 No 1 常 而 在 太 阳 能 电 池 板 被 盗 被 破 坏 的 时 候 固 定 太 阳 能 电 池 板 的 支 架 通 常 会 发 生 剧 烈 的 晃 动 倒 地 或 者 出 现 位 置 移 动 因 此 可 增 加 加 速 度 传 感 器 对 破 坏 和 盗 取 太 阳 能 电 池 板 的 行 为 进 行 监 测 和 判 断 2 蓄 电 池 蓄 电 池 白 天 通 过 太 阳 能 电 池 板 充 电 同 时 给 通 信 模 块 供 电 夜 间 给 太 阳 能 杀 虫 灯 供 电 也 给 通 信 模 块 供 电 不 论 白 天 黑 夜 这 个 过 程 都 存 在 电 流 的 变 化 但 是 如 果 该 设 备 被 盗 被 破 坏 整 个 节 点 将 无 法 正 常 工 作 因 此 需 要 有 应 急 备 用 电 源 以 保 障 太 阳 能 杀 虫 灯 的 通 信 功 能 此 外 目 前 的 蓄 电 池 通 常 放 在 上 锁 的 蓄 电 池 柜 中 因 此 还 需 要 有 监 测 蓄 电 池 柜 打 开 的 门 控 开 关 监 测 模 块 3 太 阳 能 杀 虫 灯 杀 虫 灯 通 过 蓄 电 池 供 能 夜 间 开 灯 诱 虫 放 电 杀 虫 这 个 过 程 存 在 电 流 的 变 化 但 是 白 天 不 工 作 无 法 通 过 电 流 来 判 断 太 阳 能 杀 虫 灯 是 否 正 常 而 在 太 阳 能 杀 虫 灯 被 盗 被 破 坏 的 时 候 与 太 阳 能 杀 虫 灯 相 连 接 的 支 架 通 常 会 发 生 剧 烈 晃 动 倒 地 或 者 出 现 位 置 移 动 因 此 可 增 加 加 速 度 传 感 器 对 破 坏 和 盗 取 太 阳 能 杀 虫 灯 的 行 为 进 行 监 测 和 判 断 目 前 通 过GPRS 模 块 进 行 太 阳 能 杀 虫 灯 防 盗 只 适 用 于 整 灯 被 盗 无 法 实 现 全 天 候 地 对 所 有 零 部 件 被 盗 被 破 坏 状 况 进 行 监 测 因 此 在 对 太 阳 能 杀 虫 灯 进 行 改 造 设 计 过 程 中 需 要 增 加 上 述 提 及 的 不 同 类 型 的 传 感 器 以 完 善 信 息 的 采 集 从 而 为 准 确 判 断 被 盗 被 破 坏 状 况 提 供 数 据 支 持 2 2 改 造 方 案 可 行 性 分 析 为 获 取 更 丰 富 的 信 息 除 了 增 加 不 同 类 型 的 传 感 器 之 外 也 可 增 加 视 频 采 集 设 备 表3 对 GPRS 模 块 视 频 采 集 模 块 以 及 不 同 类 型 的 传 感 器 从 多 个 角 度 进 行 了 对 比 探 索 更 适 合 太 阳 能 杀 虫 灯 物 联 网 的 应 用 场 景 其 中 成 本 包 括 了 单 次 投 入 和 后 续 持 续 产 生 费 用 GPRS 模 块 和 视 频 采 集 模 块 购 买 成 本 较 其 他 传 感 器 贵 且 后 续 还 存 在 持 续 增 加 的 数 据 流 量 费 用 这 将 大 幅 提 高 应 用 成 本 同 时 这 两 个 模 块 持 续 工 作 能 耗 很 大 增 加 了 蓄 电 池 能 量 输 出 的 负 担 除 了 视 频 采 集 模 块 需 要 添 加 额 外 的 支 架 以 保 证 太 阳 能 杀 虫 灯 处 在 被 监 测 范 围 内 其 他 模 块 和 传 感 器 都 可 以 集 成 在 电 路 板 上 这 也 意 味 着 视 频 采 集 模 块 相 比 于 其 他 集 成 的 传 感 器 暴 露 在 外 容 易 被 盗 被 破 坏 综 上 所 述 采 用GPRS 模 块 和 视 频 采 集 模 块 会 遇 到 成 本 持 续 增 加 的 情 况 视 频 采 集 模 块 也 容 易 被 盗 被 破 坏 而 选 择 集 成 其 他 传 感 器 模 块 电 压 电 流 传 感 器 加 速 度 传 感 器 和 门 控 开 关 传 感 器 总 体 价 格 更 低 且 不 会 增 加 额 外 费 用 安 全 性 也 有 保 障 具 有 可 行 性 因 此 本 研 究 中 选 择 电 压 电 流 传 感 器 加 速 度 传 感 器 和 门 控 开 关 传 感 器 2 3 防 盗 防 破 坏 系 统 总 体 设 计 对 太 阳 能 杀 虫 灯 硬 件 进 行 改 造 设 计 完 善 防 盗 防 破 坏 系 统 如 图3 和 图4 所 示 其 中 防 盗 防 破 坏 系 统 通 过 型 号 为 AR MEGA328P 的Arduino 模 块 接 收 来 自 电 压 电 流 模 块 加 速 度 传 感 器 模 块 门 控 开 关 模 块 电 源 表 3 不 同 模 块 和 传 感 器 的 性 能 对 比 Table 3 Performances comparison of different modules and sensors 模 块 和 传 感 器 成 本 CNY 持 续 工 作 能 耗 模 块 安 装 工 作 量 模 块 被 盗 被 破 坏 风 险 GPRS 模 块 40 0 高 低 低 视 频 采 集 模 块 100 0 高 中 中 电 压 电 流 传 感 器 6 0 低 低 低 加 速 度 传 感 器 16 5 低 低 低 门 控 开 关 0 4 低 低 低 注 成 本 数 据 来 自 网 络 图3 防 盗 防 破 坏 系 统 硬 件 示 意 图 Fig 3 Schematic diagram of system hardware for anti theft and anti destruction 1 3 3Vol 3 No 1 智 慧 农 业 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 模 块 备 用 电 源 模 块 的 信 号 并 与 树 莓 派Zero 和CC2538 通 信 模 块 交 互 具 体 如 下 1 四 个 电 压 电 流 模 块 用 于 监 测 蓄 电 池 太 阳 能 电 池 板 杀 虫 灯 灯 管 和 杀 虫 灯 金 属 网 的 电 压 电 流 情 况 并 以 数 字 信 号 的 方 式 传 回Arduino 模 块 2 电 源 模 块 接 入 后 其 能 量 可 用 于 太 阳 能 杀 虫 灯 所 有 耗 电 模 块 的 工 作 需 求 备 用 电 源 模 块 在 电 源 模 块 被 切 断 后 给Arduino 模 块 通 信 模 块 应 急 供 电 3 加 速 度 传 感 器 模 块 接 入 后 采 集 的 信 息 以 数 字 信 号 的 方 式 传 回Arduino 模 块 4 门 控 开 关 监 测 模 块 接 入 后 则 以0 1 信 号 的 方 式 传 回Arduino 模 块 5 CC2538 通 信 模 块 接 收 来 自Arduino 模 块 的 信 号 并 发 出 相 应 的 指 令 以 实 现 对Arduino 模 块 的 控 制 6 树 莓 派Zero 接 收 来 自Arduino 模 块 的 数 据 信 息 并 发 出 相 应 的 指 令 以 实 现 对Arduino 模 块 的 控 制 2 4 功 能 可 行 性 验 证 杀 虫 灯 防 盗 防 破 坏 系 统 对 相 应 的 传 感 器 功 能 的 可 行 性 进 行 验 证 验 证 通 过 才 能 在 太 阳 能 杀 虫 灯 上 进 行 安 装 通 过 一 系 列 的 测 试 下 面 四 种 传 感 器 均 可 正 常 运 行 满 足 改 造 设 计 的 需 求 1 门 控 开 关 门 控 开 关 开 启 或 关 闭 系 统 能 够 收 到 对 应 的 高 低 电 平 信 号 2 电 压 电 流 传 感 器 对 于 太 阳 能 杀 虫 灯 不 同 零 部 件 各 自 的 电 压 电 流 传 感 器 都 可 以 输 出 实 时 电 压 电 流 变 化 如 12 01V 3 9 mA 3 备 用 电 源 切 断 蓄 电 池 供 电 时 无 线 通 信 模 块 还 可 以 正 常 工 作 工 作 时 长 取 决 于 电 池 容 量 也 不 会 因 为 切 断 蓄 电 池 供 电 出 现 通 信 模 块 重 启 的 情 况 4 加 速 度 传 感 器 当 太 阳 能 杀 虫 灯 晃 动 时 加 速 度 传 感 器 能 采 集 相 应 信 号 并 上 传 系 统 通 过 相 应 的 模 块 获 得 数 据 信 息 为 太 阳 能 杀 虫 灯 状 态 的 判 断 提 供 数 据 支 撑 3 基 于 无 人 机 的 防 盗 防 破 坏 辅 助 设 备 设 计 在 增 加 了 上 面 传 感 器 之 后 可 获 取 更 丰 富 的 数 据 信 息 用 于 判 断 太 阳 能 杀 虫 灯 被 盗 被 破 坏 的 情 况 但 是 面 对 防 盗 防 破 坏 的 需 求 仍 存 在 不 足 1 在 出 现 被 盗 被 破 坏 情 况 后 不 能 提 供 更 多 的 盗 窃 破 坏 细 节 信 息 破 案 难 度 较 高 大 概 率 不 能 追 回 被 盗 的 太 阳 能 杀 虫 灯 零 部 件 或 者 整 灯 不 能 降 低 用 户 的 损 失 2 在 出 现 被 盗 被 破 坏 情 况 后 没 有 可 以 快 速 补 充 节 点 的 措 施 关 键 节 点 可 能 被 盗 被 破 坏 而 导 致 网 络 通 信 瘫 痪 同 时 节 点 被 破 坏 可 能 导 致 无 法 杀 虫 因 此 需 要 增 加 辅 助 设 备 以 弥 补 上 述 不 足 3 1 目 标 需 求 根 据 前 文 分 析 对 太 阳 能 杀 虫 灯 进 行 改 造 设 计 后 防 盗 防 破 坏 系 统 可 以 采 集 更 丰 富 的 信 息 可 以 更 为 准 确 地 判 断 被 盗 被 破 坏 状 况 在 出 现 被 盗 被 破 坏 之 前 用 户 希 望 能 够 降 低 被 盗 被 破 坏 风 险 在 出 现 被 盗 被 破 坏 情 况 后 用 户 希 望 能 够 追 回 被 盗 的 零 部 件 或 者 整 灯 或 者 可 以 获 取 与 破 案 相 关 的 有 价 值 的 线 索 同 时 由 于 重 新 安 装 部 署 太 阳 能 杀 虫 灯 费 时 费 力 费 钱 所 以 还 需 要 可 快 速 响 应 的 辅 助 设 备 进 行 应 急 杀 虫 无 人 机 作 为 机 动 性 很 强 的 设 备 能 够 有 效 满 足 应 急 需 求 目 前 无 人 机 在 农 业 中 应 用 广 泛 主 要 包 括 土 壤 监 测 55 56 测 绘 57 58 人 工 授 粉 58 59 作 物 表 型 60 61 精 准 农 业 62 64 灌 溉 65 66 农 药 喷 洒 病 虫 害 监 测 防 治 67 69 作 物 监 测 以 及 植 物 图4 防 盗 防 破 坏 系 统 硬 件 实 物 图 Fig 4 System hardware for anti theft and anti destruction 1 3 4黄 凯 等 太 阳 能 杀 虫 灯 物 联 网 节 点 的 防 盗 防 破 坏 设 计 及 展 望 Vol 3 No 1 识 别 70 71 其