基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧茶園控制技術(shù)

冷波

【摘要】 本文通過構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧茶園控制系統(tǒng)，解決傳統(tǒng)茶葉種植行業(yè)的灌溉、施肥、除蟲以及收割等盲目性，實(shí)現(xiàn)茶葉種植的精細(xì)管理。提出了構(gòu)建專家系統(tǒng)，對Zigbee網(wǎng)絡(luò)采集來的溫濕度、土壤溫濕度及PH值、光照度等物理量進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，并輔以視頻監(jiān)測，對茶葉種植的各項(xiàng)工作進(jìn)行適時提醒。

【關(guān)鍵詞】 物聯(lián)網(wǎng) zigbee 茶葉種植

茶葉品質(zhì)受光照、晝夜溫差、土壤溫濕度等條件的影響，優(yōu)質(zhì)茶葉對外界環(huán)境要求較高。大規(guī)模茶葉種植和管理，需要投入大量的人力和財力，優(yōu)質(zhì)茶園的管理非常困難。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)之后的又一大科技產(chǎn)業(yè)革命，很快就在社會各個領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。從“感知中國”，兩會工作報告中物聯(lián)網(wǎng)，再到《“十二五”物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃》，現(xiàn)在的健康發(fā)展指導(dǎo)意見，一直是國家政府和資本市場關(guān)注的焦點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)特別是Zibgee無線通信技術(shù)的已經(jīng)比較完善，出現(xiàn)了許多像智能家居、智慧城市、智能電網(wǎng)等熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。Zibgee無線通信技術(shù)為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智慧茶園成為可能，并將會得到廣泛推廣。

一、茶葉種植物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用分析

茶葉作為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)之一，伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，將會改變現(xiàn)有茶葉種植、生產(chǎn)經(jīng)營管理方式，提升茶葉的品質(zhì)。通過物聯(lián)網(wǎng)智慧茶園的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)茶園向現(xiàn)代化茶園的轉(zhuǎn)變、有效提高茶園綜合生產(chǎn)能力、強(qiáng)化茶葉質(zhì)量安全管理、提高茶葉質(zhì)量安全水平、以及提高茶葉產(chǎn)業(yè)化程度。

物聯(lián)網(wǎng)在茶園管理中有潛在的廣泛應(yīng)用。從茶葉生產(chǎn)不同的階段來看，無論是從種植的培育階段到收獲階段，從產(chǎn)品的生長到產(chǎn)品的銷售，都可以用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)來提高它的品質(zhì)和精細(xì)管理。例如：（1）在茶葉種植之前，可以對茶園的環(huán)境情況進(jìn)行分析，溫濕度、土壤成分進(jìn)行傳感器檢測，來選取合適品種的茶葉。調(diào)用茶葉種植的信息及一些專家數(shù)據(jù)材料，制定茶葉種植計劃。還可以根據(jù)土壤信息，進(jìn)行合理的改善，例如調(diào)節(jié)土壤的PH值，為茶葉種植進(jìn)行準(zhǔn)備。（2）在茶葉生長過程中，物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)實(shí)時采集節(jié)點(diǎn)處的溫濕度、照度、土壤濕度、PH值等信息，并通過遠(yuǎn)距離攝像頭觀看茶葉的狀態(tài)，土壤的干濕，大大減少了傳感器錯誤信息。根據(jù)往年茶葉種植信息形成的專家系統(tǒng)，建立各節(jié)點(diǎn)處茶葉生長信息庫，可及時發(fā)出病蟲害、及時灌水等警告信息，提前做好病蟲害的防疫等工作，保證茶葉在最佳的環(huán)境中成長，避免茶葉病蟲害的大面積爆發(fā)。（3）在茶葉的收獲階段，通過之前收集的信息，分析茶葉的品質(zhì)，成長程度，進(jìn)行收獲階段更為精準(zhǔn)的測算，并可以包裝、銷售等信息的跟蹤。

二、物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)構(gòu)建

以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建智慧茶園控制管理系統(tǒng)。由物聯(lián)網(wǎng)的終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行茶葉生長過程中的溫濕度、照度、土壤濕度、PH值等環(huán)境因素的實(shí)時測量，對茶葉的生長過程進(jìn)行監(jiān)控，通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)分類存儲，建立茶葉生長信息庫。通過之前建立的并且不斷反饋修正的茶葉生長專家?guī)欤M(jìn)行灌溉、施肥、噴藥等一系列操作，可以實(shí)現(xiàn)病蟲害、灌溉、茶葉采摘等信息提醒。形成了終端節(jié)點(diǎn)分散收集數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)處理中心集中管理的兩級分布式控制網(wǎng)絡(luò)。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧茶園控制系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和終端設(shè)備三部分組成，如圖1所示。

1、服務(wù)平臺主要包括數(shù)據(jù)處理中心、存儲服務(wù)器，WEB服務(wù)器，專家可完成對茶葉各項(xiàng)指標(biāo)的分析，還可以切換選擇遠(yuǎn)程視頻；茶農(nóng)可以實(shí)時掌握茶園內(nèi)的環(huán)境量數(shù)據(jù)，得到合理的種植提醒。

2、數(shù)據(jù)傳輸有線傳輸可采用ADSL、光纖和Internet，也可以采用無線傳輸3G、WLAN等方式。

3、前端設(shè)備：茶園信息采集器及傳感設(shè)備。茶園信息采集主要通過傳感器信息采集與監(jiān)測、實(shí)時圖像與視頻監(jiān)控兩種方式。（1）傳感器監(jiān)測系統(tǒng)：根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)（包括）獲取的茶樹實(shí)時的生長環(huán)境信息，如監(jiān)測茶葉生長相關(guān)的溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度、土壤溫濕度、土壤PH 值等參數(shù)。傳感器系統(tǒng)而且還能將收集各節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行環(huán)境信息的數(shù)據(jù)積累和挖掘，以及分類存儲。 （2）實(shí)時圖像與視頻監(jiān)控系統(tǒng)：智慧茶園是想通過多維信息與多層次處理實(shí)現(xiàn)茶樹的最佳生長環(huán)境調(diào)理及施肥管理。但是僅僅茶葉的各種數(shù)據(jù)并不能完全表征茶葉最佳生長條件，視頻與圖像監(jiān)控提供了更直觀的表達(dá)方式。視頻和圖像能直觀地呈現(xiàn)當(dāng)前茶葉的狀態(tài)，茶農(nóng)可以直觀的觀測到一些有用的信息，茶葉的長勢、茶葉的顏色等等。茶園管理者可以不受地域限制，通過互聯(lián)網(wǎng)，使用各類通信終端就可以即時觀看茶園噴灌、采摘、護(hù)理等生產(chǎn)情況的現(xiàn)場圖像，以便掌握茶葉生產(chǎn)的詳細(xì)情況，因此不必再到茶園現(xiàn)場對每個生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行現(xiàn)場管理。

三、主要物聯(lián)網(wǎng)傳感器的選擇

1、溫濕度監(jiān)測，如圖2所示。

溫濕度環(huán)境是茶葉健康生長最為重要的條件之一。在本系統(tǒng)中采用采用2.4G Zigbee協(xié)議的無線溫度濕度傳感器JZH-101，這種無線傳感器，抗干擾能力強(qiáng)，可設(shè)有65535個網(wǎng)絡(luò)ID，組網(wǎng)能力強(qiáng)，采集與傳輸信息于一體。無線溫濕度傳感器可實(shí)時檢測茶園該節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的溫濕度，數(shù)據(jù)信息通過無線Zigbee技術(shù)，自動上傳到智慧茶園數(shù)據(jù)處理中心的數(shù)據(jù)庫中。

2、光照強(qiáng)度監(jiān)測，如圖3所示。

采用昆侖海岸的ZD-6型照度傳感器，采用了高靈敏度的光敏元件，光照度測量區(qū)間大、多種輸出形式、易使用、安裝方便、可長距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。無線光照傳感器能實(shí)施監(jiān)測該節(jié)點(diǎn)處光照的強(qiáng)度，根據(jù)專家系統(tǒng)中光照強(qiáng)度的數(shù)值，進(jìn)行照明系統(tǒng)、遮光系統(tǒng)的動作，實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度的補(bǔ)償，達(dá)到最優(yōu)的生長環(huán)境。

3、土壤監(jiān)測，如圖4所示。

土壤是茶葉生長、吸收養(yǎng)分和水分的載體。茶葉適合疏松通氣排水、具有一定保水和保肥能力的土壤。茶葉對土壤酸堿度要求比較高，適宜種茶的土壤pH值為4.5-5.5，酸性土壤為茶葉生長提供適應(yīng)條件，為茶樹根部提供理想的環(huán)境。但是當(dāng)土表裸露且嚴(yán)重酸化時，應(yīng)該進(jìn)行酸堿中和，土壤會影響著茶樹對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。

本系統(tǒng)通過傳感器和圖像資料獲得茶葉的環(huán)境信息、生長特征等信息。當(dāng)土壤水分、PH值等因素超出作為適宜生長的范圍時，向茶園管理員進(jìn)行預(yù)警，提醒進(jìn)行灌溉、噴肥，或者采取別的措施，保證茶葉有一個舒適的生長環(huán)境，從而提升產(chǎn)量、改善茶葉品質(zhì)。

四、智慧茶園自動灌溉及施肥系統(tǒng)

自動灌溉系統(tǒng)大大減少了茶園勞作。采用昆侖海岸的300PH-2無線電磁閥，能夠?qū)崿F(xiàn)較大面積灌溉系統(tǒng)的自動化。根據(jù)土壤水分含量的檢測，分析茶葉需水要求，編寫不同的灌溉程序，進(jìn)行自動灌溉。有線灌溉系統(tǒng)對于大面積灌溉來說，成本太高，而且維護(hù)麻煩，擴(kuò)展也很困難。為了避免這些缺點(diǎn)，我們采用了無線電磁閥通斷的無線灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)茶園灌溉的自動控制，又大大節(jié)約了灌溉用水，如圖5所示。

進(jìn)行施肥改革，建立施肥專家系統(tǒng)，在進(jìn)行土壤營養(yǎng)成分分析后，自動制定施肥計劃，適時施以農(nóng)家肥和科學(xué)合理使用配方施肥相結(jié)合，提高土壤營養(yǎng)成分。另外還會將肥料融入水中，通過微灌溉的方式，把肥料融入到茶園土壤。

五、智慧茶園Zigbee軟硬件設(shè)計

1、智慧茶園Zigbee網(wǎng)絡(luò)中硬件設(shè)計，如圖6所示。

智慧茶園各節(jié)點(diǎn)采用的是CC2430芯片，芯片是Zigbee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中非常典型的芯片，包括微處理器、收發(fā)器、128KB存儲器、8路輸入8～14位ADC，具有強(qiáng)大的開發(fā)功能。在每個節(jié)點(diǎn)處，可增加液晶顯示和功能鍵等外圍的設(shè)備，供電可由電池提供。

2、智慧茶園物聯(lián)網(wǎng)Zigbee無線通信軟件設(shè)計

首先由一個FFD（全功能設(shè)備），建立一個新網(wǎng)絡(luò)，該節(jié)點(diǎn)成為Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，如圖7所示。

然后其他終端設(shè)備（如FFD、RFD、以及無線溫濕度傳感器等設(shè)備）被激活，在允許范圍內(nèi)搜索可用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，獲得短地址后，加入到網(wǎng)絡(luò)中。將節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器綁定后，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，如圖8所示。

六、項(xiàng)目展望

物聯(lián)網(wǎng)具有廣闊的發(fā)展前景，將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在茶葉的生產(chǎn)管理，實(shí)現(xiàn)精細(xì)管理，也是茶園種植的大勢所趨。面對日益激烈的市場競爭，面對茶葉生產(chǎn)在資金、管理和人才方面資源匱乏的劣勢威脅，發(fā)展智慧茶園，才能提升茶葉的質(zhì)量和競爭力，而且大大解放茶葉管理者、生產(chǎn)者的勞動。物聯(lián)網(wǎng)智慧茶園的推廣也促使茶葉生產(chǎn)結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)變，由小規(guī)模的茶農(nóng)生產(chǎn)，將逐漸過渡到大面積智慧茶園生產(chǎn)。