茶園病蟲害智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李喬宇 阮懷軍 王磊 李道亮 李振波

摘 要：針對(duì)各種優(yōu)質(zhì)茶葉（有機(jī)茶、無公害茶、綠色食品茶）生產(chǎn)中對(duì)農(nóng)藥及化肥使用的要求，設(shè)計(jì)了面向茶園環(huán)境的病蟲害智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，旨在通過視頻監(jiān)視茶園的病蟲害發(fā)生，通過傳感器監(jiān)測(cè)影響病蟲害發(fā)生的環(huán)境因子，以實(shí)現(xiàn)茶園病蟲害的針對(duì)性防治，避免農(nóng)藥過量使用，保護(hù)茶園生態(tài)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：病蟲害；茶園；生態(tài)環(huán)境；智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：S431.9+S435.711 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A 文章編號(hào)：1001-4942（2014）04-0012-04

中國(guó)是茶葉之鄉(xiāng)，茶在人們?nèi)粘Ｉ钪姓加兄匾匚唬S著生活水平的提高，茶葉的需求量日益增加，對(duì)茶葉品質(zhì)的要求日益提高，茶葉經(jīng)濟(jì)正進(jìn)入快速發(fā)展階段。在這個(gè)大背景下，茶葉生產(chǎn)有了新的特點(diǎn)：①出現(xiàn)了大規(guī)模的茶葉企業(yè)。如：安徽省宣郎廣茶業(yè)總公司擁有茶園面積1 400 hm2，福安市農(nóng)墾茶業(yè)有限公司的茶園面積超過400 hm2。如何有效管理如此大規(guī)模的茶園，是茶企業(yè)亟需解決的問題。②社會(huì)對(duì)優(yōu)質(zhì)茶葉的需求日益增加。有機(jī)茶、無公害茶、綠色食品茶的生產(chǎn)都對(duì)農(nóng)藥和化肥的使用情況以及生長(zhǎng)環(huán)境作了嚴(yán)格要求，如何在限制農(nóng)藥、化肥的使用且不破壞茶園生態(tài)環(huán)境的條件下保證優(yōu)質(zhì)茶葉的產(chǎn)出，是茶葉生產(chǎn)面臨的新問題。③茶園病蟲害問題仍然嚴(yán)重。病蟲害是優(yōu)質(zhì)茶葉生產(chǎn)的重要威脅，據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般病蟲害會(huì)導(dǎo)致茶葉減產(chǎn)10%～20%[1]，而大規(guī)模病蟲害帶來的損失更大。茶園規(guī)模擴(kuò)大，農(nóng)藥限制使用，都加大了茶園病蟲害防治的困難性。

本文即針對(duì)上述問題設(shè)計(jì)了茶園病蟲害智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以求在智能農(nóng)業(yè)的思路上尋找解決問題的新途徑。該系統(tǒng)將茶園作為一個(gè)整體，通過攝像頭、傳感器和氣象站的多方位監(jiān)測(cè)，動(dòng)態(tài)顯示茶園視頻圖像和各環(huán)境因子的變化情況，從而對(duì)病蟲害進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警，為優(yōu)質(zhì)茶葉的生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1 智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

目前對(duì)大田作物長(zhǎng)勢(shì)和病蟲害的觀測(cè)仍然廣泛依靠人力，這使得茶園企業(yè)面臨日益增加的人工成本壓力。另一方面，對(duì)病蟲害預(yù)測(cè)預(yù)警的探索集中在GIS（地理信息系統(tǒng)）的應(yīng)用上[2～4]。通過GIS可以有效地進(jìn)行病蟲害預(yù)測(cè)的區(qū)域性分析，防止病蟲害的大范圍發(fā)生和擴(kuò)散。但GIS的特點(diǎn)也決定了利用其對(duì)病蟲害預(yù)測(cè)預(yù)警具有先天時(shí)效性不足的缺陷。因而，GIS更適用于政府部門面向區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)布預(yù)測(cè)信息。

茶園病蟲害智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)則是針對(duì)每個(gè)茶園的生產(chǎn)管理而設(shè)計(jì)的，可通過多鏈路視頻監(jiān)視單元對(duì)茶樹長(zhǎng)勢(shì)、葉表病蟲害情況進(jìn)行監(jiān)視，根據(jù)病蟲害特征及時(shí)調(diào)整防治措施。同時(shí)，土壤傳感器和氣象站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄茶園環(huán)境因子的變化動(dòng)態(tài)，當(dāng)環(huán)境條件有利于病蟲害發(fā)生時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，以方便工作人員加強(qiáng)監(jiān)測(cè)并采取應(yīng)對(duì)措施。

茶園病蟲害智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)按照三層架構(gòu)[5]，分別為信息感知層、信息傳輸層和應(yīng)用層（見圖1）。

圖1 茶園病蟲害智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

本文中系統(tǒng)感知層的建設(shè)分為視頻監(jiān)視和環(huán)境監(jiān)測(cè)兩部分，包括視頻監(jiān)視單元、水分傳感器、土壤電導(dǎo)率傳感器、土壤養(yǎng)分檢測(cè)儀、生物傳感器、農(nóng)業(yè)氣象站等。此外，該層的建設(shè)還包括制定傳感器量程規(guī)范、面向茶園應(yīng)用的傳感器的接口規(guī)范以及與各種網(wǎng)絡(luò)、總線接口的專用集成電路規(guī)范。

傳輸層主要實(shí)現(xiàn)信息的可靠和安全傳輸，包括網(wǎng)絡(luò)傳輸標(biāo)準(zhǔn)及有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。茶園智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在視頻監(jiān)視環(huán)節(jié)使用有線網(wǎng)絡(luò)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)使用無線網(wǎng)絡(luò)。

應(yīng)用層主要實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)、利用和服務(wù)，按功能分三層架構(gòu)：①數(shù)據(jù)中心將傳輸層傳遞來的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)，包括數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)接口建設(shè)；②分析中心對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)加工利用，分析病蟲害圖像、生態(tài)環(huán)境指數(shù)、病蟲害易發(fā)生指標(biāo)，從而得到直觀的、有價(jià)值的信息；③監(jiān)視中心將信息傳達(dá)給用戶，通過多屏幕聯(lián)動(dòng)顯示監(jiān)測(cè)信息，并將預(yù)警信息通過App或者短信發(fā)送到移動(dòng)終端。

根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，茶園病蟲害智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：病蟲害的視頻監(jiān)視和環(huán)境因子的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

2 病蟲害視頻監(jiān)視

病蟲害視頻監(jiān)視模塊通過分散布置于茶園中的高清監(jiān)視節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)觀察茶樹葉表疾病和蟲害跡象。該模塊按照智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的三層架構(gòu)進(jìn)行建設(shè)：信息感知層進(jìn)行監(jiān)視節(jié)點(diǎn)的建設(shè)，信息傳輸層進(jìn)行有線傳輸網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，應(yīng)用層建設(shè)服務(wù)平臺(tái)以展示視頻監(jiān)視結(jié)果。

2.1 監(jiān)視節(jié)點(diǎn)的布設(shè)

設(shè)置的監(jiān)視節(jié)點(diǎn)要能充分觀察到茶園病蟲害的發(fā)生跡象，因此，需依照茶園病蟲害的特征進(jìn)行科學(xué)布置。

茶園常見病蟲害，如假眼小綠葉蟬、茶尺蠖、茶毛蟲、茶橙癭螨、茶芽枯病、茶炭疽病等[6]，存在4個(gè)顯著特征：多數(shù)害蟲具有群居性；幼蟲多居于葉片背面；蟲害發(fā)生時(shí)葉子呈焦枯、萎縮或被啃食狀，蟲害越嚴(yán)重越明顯；病害發(fā)生時(shí)葉子出現(xiàn)病斑，隨著病害加重特征越明顯。

根據(jù)上述特征，可以在茶園定點(diǎn)安放攝像裝置，觀察局域茶葉背面病蟲害發(fā)生跡象，從而對(duì)大范圍病蟲害發(fā)生情況進(jìn)行推理。葉子焦枯、萎縮和被啃食狀的情況可以通過大范圍的監(jiān)視節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)。因此，本系統(tǒng)將監(jiān)視節(jié)點(diǎn)分為遠(yuǎn)景監(jiān)視節(jié)點(diǎn)和近景監(jiān)視節(jié)點(diǎn)。遠(yuǎn)景監(jiān)視節(jié)點(diǎn)（見圖2）采用可旋轉(zhuǎn)、高變焦攝像裝置，布置在高4～5 m的立桿上，用于觀察大范圍的茶樹生長(zhǎng)狀況及病蟲害發(fā)

圖2 遠(yuǎn)景監(jiān)視節(jié)點(diǎn)

生時(shí)葉子的異常情況。近景監(jiān)視節(jié)點(diǎn)采用高微距攝像裝置，布置在高0.5～1.0 m的支架上，用于觀察葉片背面和莖部出現(xiàn)的害蟲蟲卵和幼蟲。預(yù)期在每6 667 m2茶園面積中布設(shè)遠(yuǎn)景監(jiān)視節(jié)點(diǎn)3個(gè)，近景監(jiān)視節(jié)點(diǎn)9個(gè)（見圖3）。

圖3 茶園監(jiān)控節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.2 有線傳輸網(wǎng)絡(luò)

視頻監(jiān)視數(shù)據(jù)量大，且要求監(jiān)視節(jié)點(diǎn)傳送高精度、高質(zhì)量的視頻圖像，這提高了系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求。

CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)）總線是目前國(guó)內(nèi)外大型農(nóng)機(jī)設(shè)備普遍采用的一種標(biāo)準(zhǔn)總線，是一種有效支持分布式或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。茶園病蟲害視頻監(jiān)視系統(tǒng)使用基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集技術(shù)和基于Internet的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程茶園視頻監(jiān)視（見圖4）。

圖4 CAN總線控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)[7]

2.3 服務(wù)平臺(tái)

茶園病蟲害視頻監(jiān)視系統(tǒng)的服務(wù)平臺(tái)建設(shè)包括數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)以及圖像分析系統(tǒng)、監(jiān)視中心的建設(shè)。

數(shù)據(jù)庫(kù)抽樣記錄監(jiān)視視頻中的典型茶葉圖像，注明記錄日期和時(shí)間；知識(shí)庫(kù)記錄典型的病蟲害信息及應(yīng)對(duì)措施。圖像分析系統(tǒng)按照機(jī)器視覺方法自動(dòng)分析數(shù)據(jù)庫(kù)中的茶葉圖像，將結(jié)果在知識(shí)庫(kù)中進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)知識(shí)庫(kù)檢索的結(jié)果向監(jiān)視中心發(fā)送反饋信息。監(jiān)視中心通過多路顯示屏實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視節(jié)點(diǎn)傳來的圖像及圖像分析系統(tǒng)的分析結(jié)果，并通過短信平臺(tái)及時(shí)向負(fù)責(zé)人發(fā)送預(yù)警信息。

3 生態(tài)環(huán)境因子的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

人們對(duì)茶葉品質(zhì)要求的不斷提升促使茶葉生產(chǎn)更加規(guī)范，并對(duì)生產(chǎn)環(huán)境及田間管理各環(huán)節(jié)提出了更高的要求。

通過視頻監(jiān)視可以及時(shí)了解茶園病蟲害的發(fā)生情況，并采取相應(yīng)的防治措施，從而避免大規(guī)模的大量用藥。而對(duì)茶園生態(tài)環(huán)境因子的監(jiān)測(cè)可以使茶園的田間管理更具針對(duì)性，滿足高品質(zhì)茶葉生產(chǎn)的生態(tài)要求，并且能在環(huán)境條件易于發(fā)生病蟲害時(shí)發(fā)出預(yù)警。

茶園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊包括監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)平臺(tái)。

3.1 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)

包括傳感器和氣象站。傳感器又分為：①土壤水分傳感器：監(jiān)測(cè)土壤水分變化，對(duì)茶樹生長(zhǎng)、農(nóng)田小氣候以及土壤的機(jī)械性能有重要作用。②土壤電導(dǎo)率傳感器：獲取土壤電導(dǎo)率值，對(duì)分析土壤環(huán)境具有一定意義。土壤電導(dǎo)率與土壤有機(jī)物含量、粘土層深度、水分保持能力有密切關(guān)系[5]。③土壤養(yǎng)分檢測(cè)儀：主要檢測(cè)土壤中氮（N）、磷（P）、鉀（K）的含量。這三種元素是作物生長(zhǎng)的必需營(yíng)養(yǎng)元素，也是肥料的主要組成成分，對(duì)其含量的檢測(cè)不僅能夠保證茶樹生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分，也能防止過度使用化肥，減輕對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞。④生物傳感器：可用于農(nóng)藥的檢測(cè)和分析[8]，有利于保護(hù)茶園生態(tài)環(huán)境，生產(chǎn)高品質(zhì)茶葉。

氣象站可以對(duì)空氣溫度、濕度及光照強(qiáng)度、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量等農(nóng)業(yè)氣象情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這些信息的獲取有助于掌握茶園作物生長(zhǎng)環(huán)境，對(duì)病蟲害預(yù)測(cè)預(yù)警。

3.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)

WSN（無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）是一種無中心節(jié)點(diǎn)的全分布系統(tǒng)。通過隨機(jī)投放的方式，眾多傳感器節(jié)點(diǎn)被密集部署于監(jiān)控區(qū)域。這些傳感器節(jié)點(diǎn)集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元、通信模塊和能源單元，它們通過無線信道相連，自組織地構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[5]。

本研究在茶園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊中使用ZigBee技術(shù)布置無線傳感網(wǎng)絡(luò)。ZigBee技術(shù)具有自動(dòng)組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)容量大、工作頻段靈活、數(shù)據(jù)傳輸速率低、模塊功耗低、成本低的特點(diǎn)[9]，十分適于對(duì)茶園環(huán)境的監(jiān)測(cè)。

3.3 服務(wù)平臺(tái)

茶園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊與茶園病蟲害視頻監(jiān)視模塊共用服務(wù)平臺(tái)，包括數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)、環(huán)境與病蟲害分析系統(tǒng)、監(jiān)視中心。數(shù)據(jù)庫(kù)記錄傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)的環(huán)境數(shù)據(jù)。知識(shí)庫(kù)記錄環(huán)境模型與相應(yīng)方案。環(huán)境與病蟲害分析系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在知識(shí)庫(kù)中檢索，得到分析結(jié)果。監(jiān)視中心展示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，對(duì)重點(diǎn)情況通過短信平臺(tái)向農(nóng)戶發(fā)送預(yù)警短信。

4 結(jié) 語

本文針對(duì)茶園環(huán)境設(shè)計(jì)了一套茶園病蟲害智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)面向優(yōu)質(zhì)茶園，旨在通過對(duì)病蟲害發(fā)生狀況的監(jiān)測(cè)，有針對(duì)性的防治，避免過量使用農(nóng)藥而造成的污染和生態(tài)破壞。該系統(tǒng)的病蟲害視頻監(jiān)視模塊通過視頻監(jiān)視及時(shí)發(fā)現(xiàn)病蟲害跡象，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊通過傳感器和氣象站獲取茶園環(huán)境信息，合理運(yùn)籌水肥管理，預(yù)測(cè)病蟲害。該系統(tǒng)具有一定的先進(jìn)性，但在視頻監(jiān)視節(jié)點(diǎn)的布置上仍需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 潘超婭，張午，童浚超，等.茶園病蟲害標(biāo)本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與意義[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2012（19）：26-28.

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[3] 羅菊花，黃文江，韋朝領(lǐng)，等.基于GIS的農(nóng)作物病蟲害預(yù)警系統(tǒng)的初步建立[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24（12）：127-131.

[4] 張谷豐，朱葉芹，翟保平.基于WebGIS的農(nóng)作物病蟲害預(yù)警系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23（12）：176-181.

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[8] 周仕林，劉冬. 生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].理化檢驗(yàn)（化學(xué)分冊(cè)），2011，47（1）：120-124.

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圖4 CAN總線控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)[7]

2.3 服務(wù)平臺(tái)

茶園病蟲害視頻監(jiān)視系統(tǒng)的服務(wù)平臺(tái)建設(shè)包括數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)以及圖像分析系統(tǒng)、監(jiān)視中心的建設(shè)。

數(shù)據(jù)庫(kù)抽樣記錄監(jiān)視視頻中的典型茶葉圖像，注明記錄日期和時(shí)間；知識(shí)庫(kù)記錄典型的病蟲害信息及應(yīng)對(duì)措施。圖像分析系統(tǒng)按照機(jī)器視覺方法自動(dòng)分析數(shù)據(jù)庫(kù)中的茶葉圖像，將結(jié)果在知識(shí)庫(kù)中進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)知識(shí)庫(kù)檢索的結(jié)果向監(jiān)視中心發(fā)送反饋信息。監(jiān)視中心通過多路顯示屏實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視節(jié)點(diǎn)傳來的圖像及圖像分析系統(tǒng)的分析結(jié)果，并通過短信平臺(tái)及時(shí)向負(fù)責(zé)人發(fā)送預(yù)警信息。

3 生態(tài)環(huán)境因子的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

人們對(duì)茶葉品質(zhì)要求的不斷提升促使茶葉生產(chǎn)更加規(guī)范，并對(duì)生產(chǎn)環(huán)境及田間管理各環(huán)節(jié)提出了更高的要求。

通過視頻監(jiān)視可以及時(shí)了解茶園病蟲害的發(fā)生情況，并采取相應(yīng)的防治措施，從而避免大規(guī)模的大量用藥。而對(duì)茶園生態(tài)環(huán)境因子的監(jiān)測(cè)可以使茶園的田間管理更具針對(duì)性，滿足高品質(zhì)茶葉生產(chǎn)的生態(tài)要求，并且能在環(huán)境條件易于發(fā)生病蟲害時(shí)發(fā)出預(yù)警。

茶園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊包括監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)平臺(tái)。

3.1 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)

包括傳感器和氣象站。傳感器又分為：①土壤水分傳感器：監(jiān)測(cè)土壤水分變化，對(duì)茶樹生長(zhǎng)、農(nóng)田小氣候以及土壤的機(jī)械性能有重要作用。②土壤電導(dǎo)率傳感器：獲取土壤電導(dǎo)率值，對(duì)分析土壤環(huán)境具有一定意義。土壤電導(dǎo)率與土壤有機(jī)物含量、粘土層深度、水分保持能力有密切關(guān)系[5]。③土壤養(yǎng)分檢測(cè)儀：主要檢測(cè)土壤中氮（N）、磷（P）、鉀（K）的含量。這三種元素是作物生長(zhǎng)的必需營(yíng)養(yǎng)元素，也是肥料的主要組成成分，對(duì)其含量的檢測(cè)不僅能夠保證茶樹生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分，也能防止過度使用化肥，減輕對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞。④生物傳感器：可用于農(nóng)藥的檢測(cè)和分析[8]，有利于保護(hù)茶園生態(tài)環(huán)境，生產(chǎn)高品質(zhì)茶葉。

氣象站可以對(duì)空氣溫度、濕度及光照強(qiáng)度、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量等農(nóng)業(yè)氣象情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這些信息的獲取有助于掌握茶園作物生長(zhǎng)環(huán)境，對(duì)病蟲害預(yù)測(cè)預(yù)警。

3.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)

WSN（無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）是一種無中心節(jié)點(diǎn)的全分布系統(tǒng)。通過隨機(jī)投放的方式，眾多傳感器節(jié)點(diǎn)被密集部署于監(jiān)控區(qū)域。這些傳感器節(jié)點(diǎn)集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元、通信模塊和能源單元，它們通過無線信道相連，自組織地構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[5]。

本研究在茶園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊中使用ZigBee技術(shù)布置無線傳感網(wǎng)絡(luò)。ZigBee技術(shù)具有自動(dòng)組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)容量大、工作頻段靈活、數(shù)據(jù)傳輸速率低、模塊功耗低、成本低的特點(diǎn)[9]，十分適于對(duì)茶園環(huán)境的監(jiān)測(cè)。

3.3 服務(wù)平臺(tái)

茶園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊與茶園病蟲害視頻監(jiān)視模塊共用服務(wù)平臺(tái)，包括數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)、環(huán)境與病蟲害分析系統(tǒng)、監(jiān)視中心。數(shù)據(jù)庫(kù)記錄傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)的環(huán)境數(shù)據(jù)。知識(shí)庫(kù)記錄環(huán)境模型與相應(yīng)方案。環(huán)境與病蟲害分析系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在知識(shí)庫(kù)中檢索，得到分析結(jié)果。監(jiān)視中心展示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，對(duì)重點(diǎn)情況通過短信平臺(tái)向農(nóng)戶發(fā)送預(yù)警短信。

4 結(jié) 語

本文針對(duì)茶園環(huán)境設(shè)計(jì)了一套茶園病蟲害智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)面向優(yōu)質(zhì)茶園，旨在通過對(duì)病蟲害發(fā)生狀況的監(jiān)測(cè)，有針對(duì)性的防治，避免過量使用農(nóng)藥而造成的污染和生態(tài)破壞。該系統(tǒng)的病蟲害視頻監(jiān)視模塊通過視頻監(jiān)視及時(shí)發(fā)現(xiàn)病蟲害跡象，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊通過傳感器和氣象站獲取茶園環(huán)境信息，合理運(yùn)籌水肥管理，預(yù)測(cè)病蟲害。該系統(tǒng)具有一定的先進(jìn)性，但在視頻監(jiān)視節(jié)點(diǎn)的布置上仍需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 潘超婭，張午，童浚超，等.茶園病蟲害標(biāo)本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與意義[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2012（19）：26-28.

[2] 洪波，張鋒，李英梅，等.GIS在農(nóng)業(yè)病蟲害預(yù)警研究中的應(yīng)用[J]. 陜西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011（3）：170-173.

[3] 羅菊花，黃文江，韋朝領(lǐng)，等.基于GIS的農(nóng)作物病蟲害預(yù)警系統(tǒng)的初步建立[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24（12）：127-131.

[4] 張谷豐，朱葉芹，翟保平.基于WebGIS的農(nóng)作物病蟲害預(yù)警系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23（12）：176-181.

[5] 李道亮.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論[M].北京：科學(xué)出版社，2012.

[6] 盧振輝. 有機(jī)茶生產(chǎn)技術(shù)——有機(jī)茶園病蟲害的控制[J].林業(yè)科技開發(fā)，2002，16（3）：67.

[7] 張恩亮， 曹少華.基于CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].大壩與安全，2009（2）：38-45.

[8] 周仕林，劉冬. 生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].理化檢驗(yàn)（化學(xué)分冊(cè)），2011，47（1）：120-124.

[9] 趙景宏，李英凡，許純信. Zigbee技術(shù)簡(jiǎn)介[J]. 電力系統(tǒng)通信， 2006，27（7）： 54-56.

圖4 CAN總線控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)[7]

2.3 服務(wù)平臺(tái)

茶園病蟲害視頻監(jiān)視系統(tǒng)的服務(wù)平臺(tái)建設(shè)包括數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)以及圖像分析系統(tǒng)、監(jiān)視中心的建設(shè)。

數(shù)據(jù)庫(kù)抽樣記錄監(jiān)視視頻中的典型茶葉圖像，注明記錄日期和時(shí)間；知識(shí)庫(kù)記錄典型的病蟲害信息及應(yīng)對(duì)措施。圖像分析系統(tǒng)按照機(jī)器視覺方法自動(dòng)分析數(shù)據(jù)庫(kù)中的茶葉圖像，將結(jié)果在知識(shí)庫(kù)中進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)知識(shí)庫(kù)檢索的結(jié)果向監(jiān)視中心發(fā)送反饋信息。監(jiān)視中心通過多路顯示屏實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視節(jié)點(diǎn)傳來的圖像及圖像分析系統(tǒng)的分析結(jié)果，并通過短信平臺(tái)及時(shí)向負(fù)責(zé)人發(fā)送預(yù)警信息。

3 生態(tài)環(huán)境因子的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

人們對(duì)茶葉品質(zhì)要求的不斷提升促使茶葉生產(chǎn)更加規(guī)范，并對(duì)生產(chǎn)環(huán)境及田間管理各環(huán)節(jié)提出了更高的要求。

通過視頻監(jiān)視可以及時(shí)了解茶園病蟲害的發(fā)生情況，并采取相應(yīng)的防治措施，從而避免大規(guī)模的大量用藥。而對(duì)茶園生態(tài)環(huán)境因子的監(jiān)測(cè)可以使茶園的田間管理更具針對(duì)性，滿足高品質(zhì)茶葉生產(chǎn)的生態(tài)要求，并且能在環(huán)境條件易于發(fā)生病蟲害時(shí)發(fā)出預(yù)警。

茶園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊包括監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)平臺(tái)。

3.1 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)

包括傳感器和氣象站。傳感器又分為：①土壤水分傳感器：監(jiān)測(cè)土壤水分變化，對(duì)茶樹生長(zhǎng)、農(nóng)田小氣候以及土壤的機(jī)械性能有重要作用。②土壤電導(dǎo)率傳感器：獲取土壤電導(dǎo)率值，對(duì)分析土壤環(huán)境具有一定意義。土壤電導(dǎo)率與土壤有機(jī)物含量、粘土層深度、水分保持能力有密切關(guān)系[5]。③土壤養(yǎng)分檢測(cè)儀：主要檢測(cè)土壤中氮（N）、磷（P）、鉀（K）的含量。這三種元素是作物生長(zhǎng)的必需營(yíng)養(yǎng)元素，也是肥料的主要組成成分，對(duì)其含量的檢測(cè)不僅能夠保證茶樹生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分，也能防止過度使用化肥，減輕對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞。④生物傳感器：可用于農(nóng)藥的檢測(cè)和分析[8]，有利于保護(hù)茶園生態(tài)環(huán)境，生產(chǎn)高品質(zhì)茶葉。

氣象站可以對(duì)空氣溫度、濕度及光照強(qiáng)度、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量等農(nóng)業(yè)氣象情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這些信息的獲取有助于掌握茶園作物生長(zhǎng)環(huán)境，對(duì)病蟲害預(yù)測(cè)預(yù)警。

3.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)

WSN（無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）是一種無中心節(jié)點(diǎn)的全分布系統(tǒng)。通過隨機(jī)投放的方式，眾多傳感器節(jié)點(diǎn)被密集部署于監(jiān)控區(qū)域。這些傳感器節(jié)點(diǎn)集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元、通信模塊和能源單元，它們通過無線信道相連，自組織地構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[5]。

本研究在茶園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊中使用ZigBee技術(shù)布置無線傳感網(wǎng)絡(luò)。ZigBee技術(shù)具有自動(dòng)組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)容量大、工作頻段靈活、數(shù)據(jù)傳輸速率低、模塊功耗低、成本低的特點(diǎn)[9]，十分適于對(duì)茶園環(huán)境的監(jiān)測(cè)。

3.3 服務(wù)平臺(tái)

茶園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊與茶園病蟲害視頻監(jiān)視模塊共用服務(wù)平臺(tái)，包括數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)、環(huán)境與病蟲害分析系統(tǒng)、監(jiān)視中心。數(shù)據(jù)庫(kù)記錄傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)的環(huán)境數(shù)據(jù)。知識(shí)庫(kù)記錄環(huán)境模型與相應(yīng)方案。環(huán)境與病蟲害分析系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在知識(shí)庫(kù)中檢索，得到分析結(jié)果。監(jiān)視中心展示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，對(duì)重點(diǎn)情況通過短信平臺(tái)向農(nóng)戶發(fā)送預(yù)警短信。

4 結(jié) 語

本文針對(duì)茶園環(huán)境設(shè)計(jì)了一套茶園病蟲害智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)面向優(yōu)質(zhì)茶園，旨在通過對(duì)病蟲害發(fā)生狀況的監(jiān)測(cè)，有針對(duì)性的防治，避免過量使用農(nóng)藥而造成的污染和生態(tài)破壞。該系統(tǒng)的病蟲害視頻監(jiān)視模塊通過視頻監(jiān)視及時(shí)發(fā)現(xiàn)病蟲害跡象，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊通過傳感器和氣象站獲取茶園環(huán)境信息，合理運(yùn)籌水肥管理，預(yù)測(cè)病蟲害。該系統(tǒng)具有一定的先進(jìn)性，但在視頻監(jiān)視節(jié)點(diǎn)的布置上仍需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 潘超婭，張午，童浚超，等.茶園病蟲害標(biāo)本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與意義[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2012（19）：26-28.

[2] 洪波，張鋒，李英梅，等.GIS在農(nóng)業(yè)病蟲害預(yù)警研究中的應(yīng)用[J]. 陜西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011（3）：170-173.

[3] 羅菊花，黃文江，韋朝領(lǐng)，等.基于GIS的農(nóng)作物病蟲害預(yù)警系統(tǒng)的初步建立[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24（12）：127-131.

[4] 張谷豐，朱葉芹，翟保平.基于WebGIS的農(nóng)作物病蟲害預(yù)警系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23（12）：176-181.

[5] 李道亮.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論[M].北京：科學(xué)出版社，2012.

[6] 盧振輝. 有機(jī)茶生產(chǎn)技術(shù)——有機(jī)茶園病蟲害的控制[J].林業(yè)科技開發(fā)，2002，16（3）：67.

[7] 張恩亮， 曹少華.基于CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].大壩與安全，2009（2）：38-45.

[8] 周仕林，劉冬. 生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].理化檢驗(yàn)（化學(xué)分冊(cè)），2011，47（1）：120-124.

[9] 趙景宏，李英凡，許純信. Zigbee技術(shù)簡(jiǎn)介[J]. 電力系統(tǒng)通信， 2006，27（7）： 54-56.