基于ZIG- BEE 技術的有機茶園監測控制系統

張 蘇 陳 婧 趙文昌

(大理大學工程學院,云南 大理 671003)

隨著現代人生活品質的提升,有機茶葉的消費市場逐年增大。優質茶園的管理成本高居不下,通信技術,物聯網技術的發展使茶園實現智能管理成為可能[1]。有機茶葉的培育是通過創造最為合適的生長環境,提高茶樹自身抵抗力來抵御病害,通過物理滅殺的方式來防御蟲害。茶葉對土壤酸堿度要求較高,適宜種茶的土壤PH 值為4.5-5.5 之間,同時對土壤濕度的控制也對病蟲害預防也至關重要。對相關環境的監測使用物理設備與人工監測之間顯然自動監測設備的使用更為優越[2]。根據監測數據實時啟動控制設備,將茶樹生長的環境控制在最佳狀態是將來有機茶園管理的發展方向。

1 有機茶園監測控制系統總體設計概述

各區域傳感器采集到的溫度,土壤濕度,土壤PH 值,蟲害監測等數據發送到Mini2440 開發板系統中,通過計算決定是否開啟滴灌系統,蟲害滅殺系統,酸堿度調節系統等。灌溉系統分兩部分,一部分為滴灌土壤酸堿度調節系統,另一部分為噴灑環境濕度調節系統[3]。蟲害滅殺采用紫光誘殺的方式。

2 硬件設計

控制層是系統的核心層,主要包括傳感器、Zigbee 無線模塊、主控制模塊等控制器。

2.1 主控系統

主要控制系統處理器采用Mini2440 開發板。數據傳輸模塊采用紫蜂無線通信模塊和通用串行總線無線接口模塊組成數據傳輸網絡由紫蜂路由器轉發。控制部分通過通信模塊和茶園遠程監測控制平臺,實現遠程控制和動態自動控制系統設備。用戶可以通過監控平臺完成遠程訪問。實驗的結果表明,該系統能有效提高茶園用水量的動態管理水平質量,同時能及時有效的防治蟲害,提高優質茶葉的產量,它具有優越的控制性能。

主控模塊主要由Mini2440 組成開發板和通用串行總線WIFI 模塊Realtek。Mini2440 使用ARM920T 的S3C2440 作為處理器。數據存儲使用兩塊外部SDRAM芯片,這種設計能提高整體訪問響應的速度。Mini2440 開發板如圖1 所示。

圖1 Mini 2440 開發板

系統軟件軟件是實現遠程自動化的核心動態自動控制的控制與強化管理茶園監測控制系統。遠程監控,控制系統的自動控制和集約化管理設備需要通過軟件來實現。

2.2 感知層傳感器模塊

感知層傳感器模塊使用CN0398 帶溫度補償功能的土壤濕度和pH 值測量系統模塊,該系統模塊優點在于精度高,相應快,能同時反應濕度值和PH 值,系統針對不同的濕度值與PH 值作出相應的響應。PH 值:主要為酸堿比。毫伏電壓信號輸出由PH 組合電極輸入TLC4502 芯片。經過翻譯和放大后,它進入模數轉換器。本部分的電路原理如圖2 所示。

圖2 PH 傳感器采集電路示意圖

2.3 Zigbee 無線通信模塊

Zigbee 無線通信模塊采用CC2530 為核心處理器。它具有射頻 收發器,可以進行無線轉發。Zigbee 無線通信模塊由MC509 數據終端接口電路、電路等五個部分組成電源部分,UIM卡電路,Zigbee 模塊啟動電路,串口電路,如圖3 所示。

圖3 CC2530 連接電路圖

在圖中,U3 為MC509 數據終端,“1”、“3”、“5”“7”、“9”為電源引針。“2”、“4”、“6”、“8”、“10”為接地銷,“11”為模塊啟動銷。“12”、“13”是串口引腳。“D4”、“D5”為網絡狀態指示器。

2.4 蟲害監測系統

蟲害監測系統使用帶無線傳輸功能的海康威視高清網絡攝像頭,具體參數為300 萬像素以上,分辨率1080p 以上,8 倍以上的光學變焦,帶太陽能電池板。用于監測云南茶樹多發的鱗翅目蛾類蟲害和同翅目蚧類蟲害。一旦觀測到異常信號則及時提示管理人員進一步確認,進而決定是否啟動蟲害滅殺系統,抑或是利用其他方式除蟲。安裝后效果如圖4所示。

圖4 監測系統效果圖

2.5 系統軟件

該軟件是實現茶園監測控制系統的遠程自動控制和集約化管理的核心。農業設備系統的遠程監控、自動控制和密集管理需要通過軟件來實現.系統設計框架如圖5 所示。

圖5 軟件結構示意圖

3 系統測試

為了測試該系統的穩定性和可靠性,該系統從安裝之日起至今一直在穩定運行。在運行期間,對土壤濕度,土壤PH值,蟲害圖像參數的監測穩定可靠。數據的傳輸和存儲都比較及時。當濕度及PH 值不符合茶樹生長需求時,控制系統啟動及時。觀測發現,在系統工作的區域,茶樹一直處于最佳的生長環境中,其茶病的發生率遠遠低于人工照看的區域,同時蟲害的發生也明顯低于系統以外區域。

3.1 網絡數據包丟失率的測試

網絡數據包丟失率的測試是為了驗證系統數據傳輸的穩 定 性 和 可 靠 性 。 我 們 以 每 次 發 送300,400,500,600,700,800,900,1000 個數據包在不同的環境下來進行測試,結果如圖6 所示。發現在雷雨天情況下系統丟包率教高,最高的400 個包丟了7 個達到1.75%,其余情況均在1%以下。由于工作系統只分布在約三畝茶園的范圍內,由于傳輸距離而導致丟包的概率較低。

圖6 丟包率測試圖

3.2 系統收集數據與實際測量數據對比測試

在系統運行期間,我們在不同天氣條件下對土壤濕度,環境濕度,土壤PH 值實地測量,與同時間段終端收集到的對應數據進行對比,結果如圖7(實心圓點為儀器測量值,空心三角為系統測量值)。實測值與系統終端顯示數據非常一致,無偏離。

圖7 PH 值測試對比圖

3.3 控制系統可靠性測試

由于適合茶樹生長的土壤環境PH 值為4.5-5.5,我們將啟動閾值設定為PH＜4.6 或PH＞5.4。將傳感器分別置于PH＜4.6 和PH＞5.4 兩種環境中實驗1000 次,PH＜4.6 環境,10分鐘內啟動867 次,10-20 分鐘內啟動131 次,不啟動2 次,不啟動的2 次均在50 分鐘后發出報警信號。同樣PH＞5.4 環境中,10 分鐘內啟動916 次,10-20 分鐘內啟動93 次,不啟動1 次,不啟動1 次在43 分鐘時發出報警信號。兩個環境中的測試均在PH 值達到5.0 后10 分鐘內關閉滴灌系統。系統可靠性測試通過。

4 結論

系統自2019 年4 月16 日第一輪春茶采摘后在鳳凰茶廠外包農戶李某的茶園隨機選取約三畝面積的茶田投入使用。2020 年第一輪春茶產量尖茶為36 斤/畝,與2019 年相差不大。粗茶為362 斤/畝,產量與2019 年相比提升約2%。與同期未使用系統茶田相比,茶尖與粗茶畝產量分別高出2%和3%,且茶葉品質亦有一定的提升。系統運行近兩年來,啟動PH 值調節系統3 次,環境濕度調節系統27 次,物理滅蟲系統1 次。報警系統啟動0 次,系統可靠性極高。春、秋兩季茶葉產量與品質均高于不使用監測控制系統的茶田。

人工管理發現土壤PH 值偏高亦或偏低往往是根據茶樹的生長狀況判斷,得到的判定都比較滯后。濕度環境的控制對茶樹生長至關重要,人工管理由于管理者的能力,經驗等因素會對不同的環境產生不同的判斷,得到的是一個大概的估計值,使用濕度傳感器則能使系統響應及時,不會出現茶樹由于環境濕度低于50%而停止生長的情況。

5 討論

經實際投入運行,使用茶園監測控制系統的茶田,無論從管理效率還是管理效果均優于人工管理,同時系統管理的茶田產茶數量與產茶質量也高于人工管理茶田,能進一步提高生產率降低管理成本。但其間也存在兩個問題:

5.1 實驗茶田面積過小,一旦大面積鋪開使用,系統信號傳輸是否還能保證如此高的可靠性。

5.2 PH 傳感器電極使用壽命約為一年,在差的環境中工作會更短,頻繁更換電極會造成成本的增加和效率的降低,如何解決這兩個問題是我們未來工作研究的重點。