基于窄帶物聯網的茶葉滅蟲控制系統研究

彭煒峰,羅 靜,張洲亞,李光林,余金洋

(1.重慶水利電力職業技術學院,重慶 402160;2.重慶市工業技師學院,重慶 402160;3.西南大學 a.工程技術學院;b.丘陵山區農業裝備重點實驗室,重慶 400715;4.重慶華中數控技術有限公司,重慶 402160)

0 引言

2015年,國務院發布《關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見》,提出“互聯網+現代農業”行動。要落實“互聯網+”現代農業行動,就要充分運用農業物聯網技術[1]。目前,農業物聯網多數采用ZigBee、Bluetooth等無線通信技術,大多存在通信距離短、消耗功率大及終端數量易飽和等問題。在以往的很長時間里,大多采用化學農藥消滅害蟲,長時間采用這種方式,存在以下不足:一是使害蟲的抗藥性增強;二是農藥的殘留物會遺留在農產品上,不僅污染環境,還會對人體造成傷害,三是無法考慮害蟲活動習性,實施精準殺蟲[2-4]。

太陽能電源在農作物害蟲防治過程中已廣泛使用,特別是在重慶這種以丘陵山地為主的地區。當前常見的太陽能蓄電池主要有三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池及鈦酸鋰電池等,使用壽命在1～3年不等。由于蓄電池后期維護工作和費用存在一定問題,研究優化太陽能電源應用于現代農業中很有必要[5]。

為此,以重慶永川國際名茶“秀芽”為研究對象,設計了一套基于窄帶物聯網(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)的丘陵地區茶葉滅蟲控制系統。系統采用太陽能超級電容管理電能供應,應用STM32L151C8與傳感器技術,采集土壤環境信息,運用NB-IoT技術實現數據通信,可保證傳感節點數據完整,降低了數據掉包率,實現了茶葉滅蟲控制系統遠程操控。本研究解決了傳統茶葉病蟲害防治存在的不及時、不精準、不便捷、浪費人力等問題,實現了茶葉病蟲害發生前的預防,從而減少經濟損失,為我國農作物病蟲害監測提供了參考,為我國實現精準農業提供了依據[6-11]。

1 系統總體設計

系統主要由太陽能電源模塊、土壤溫濕度監測模塊、通信模塊及中央處理模塊等4部分組成。其中,太陽能電源模塊在中央處理模塊控制下,為整個系統提供電能,實現能源按需供給。土壤溫濕度監測模塊對茶葉種植區域進行實時數據采集,研究茶葉主要病蟲害發生概率監測模型;在實時監測數據采集基礎上,通過通信模塊進行數據監測,研發茶葉病蟲害監測微信公眾平臺與終端監測平臺,滿足用戶多方跟蹤、隨時隨地查詢、瀏覽實時數據,監測茶葉病蟲害發生情況,實現數據實時更新上傳,為茶葉病蟲害防控決策提供參考。

1.1 太陽能電源模塊

采用超級電容電源管理模式設計了太陽能電源模塊,主要由太陽能電池板、保護電路、蓄電池充電電路、超級電容充電電路、降壓轉換電路及升壓轉換電路等組成,如圖1所示。

圖1 太陽能電源模塊結構圖Fig.1 Structure diagram of the solar power module

太陽能電池板通過保護電路、充電管理電路后,給超級電容和蓄電池充電,超級電容輸出連接升壓轉換電路輸入端,蓄電池輸出連接的降壓轉換電路輸入端。當太陽能電池板正常工作時,超級電容電壓大于設定截止電壓,此時升壓轉換電路使能端有效,系統由超級電容供應電能;當太陽能電池板短時間不工作時,超級電容深度放電,發揮超級電容儲能特性,超級電容電壓大于設定截止電壓,以此保證系統正常運行;當太陽能電池板長時間不工作時,超級電容經過深度放電后,超級電容電壓小于設定截止電壓,此時蓄電池降壓轉換電路使能端有效,系統由蓄電池供應電能[12-14]。

1.2 土壤溫濕度監測模塊

通過土壤溫濕度監測模塊,實時監測茶葉種植區域土壤溫濕度參數,并構建病蟲害發生概率監測模型。土壤溫濕度監測模塊主要由驅動電源、土壤溫度傳感器、土壤水分傳感器及中央處理器等構成。土壤水分傳感器和溫度傳感器皆采用CMOS技術進行安裝設計:土壤溫度傳感器采用美國Dallas公司研制的型號為DS18B20數字化溫度傳感器;土壤水分傳感器采用重慶艾輯公司生產的型號為ARN-100傳感器,對土壤溫濕度進行監測[15-19]。

1.3 通信模塊

通過對中央處理模塊編程控制,進而控制NB-IoT芯片,利用NB模組對土壤溫濕度實時參數進行接收與轉發。監測到的實時參數編碼后發送出去,并判斷SIM卡信息讀取是否正確、完全,是否匹配相對應的狀態。本系統采用型號為BC95B5的無線通信模塊[4]。通信模塊結構如圖2所示。

圖2 通信模塊結構圖Fig.2 Communication module structure diagram

2 硬件結構設計

2.1 太能源電源模塊

為實現太陽能電池板對蓄電池充電電路管理和控制,系統采用型號為BQ24650的太陽能充電管理芯片。該芯片對蓄電池充電主要分3個階段:預充電、恒流充電和恒壓充電。其中,預充電階段中,充電電流是恒流充電電流的1/10,低于1/10時,則系統自動終止充電;蓄電池電壓小于設置電壓時,則系統自動重啟充電;太陽能電池板電壓低于蓄電池電壓時,則系統進入休眠模式。

因系統太陽能電池板輸出電壓達18V,故在超級電容組件充電過程中需進行降壓處理。系統采用DC/DC轉換芯片為MP2303A,輸入范圍滿足18V的輸入標準。在此,轉換電路主要調整輸出為5.4V,需要兩個單體2.7V的超級電容進行并聯,選擇單體電容均壓電路設計。超級電容充電電路設計如圖3所示。

2.2 土壤溫濕度監測模塊

土壤溫度監測采用DS18B20傳感器,內部由低溫系數晶振、高溫系數晶振、溫度報警觸發器、64位ROM及配置寄存器等組成,溫度監測精度為±0.5℃,以實現土壤溫度精準監測。土壤濕度監測采用ARN-100傳感器,深埋土壤下層30cm處,以實現土壤濕度實時測量。土壤溫濕度監測電路設計如圖4和圖5所示。

圖3 超級電容充電電路圖Fig.3 Super capacitor charging circuit diagram

圖4 土壤溫度監測電路圖Fig.4 Soil temperature monitoring circuit diagram

圖5 土壤濕度監測電路圖Fig.5 Soil moisture monitoring circuit diagram

2.3 通信模塊

系統采用BC95B5作為無線通信模塊,通過NB-IoT通信協議和網絡運營商設備建立通信連接,模塊深度休眠電流最低可達5μA,主要工作的授權頻段為850MHz。SIM卡選用中國電信4G卡,滿足智能控制和智慧農業的管理需求[15]。通信模塊電路設計如圖6所示。

圖6 通信模塊電路圖Fig.6 Communication module circuit diagram

2.4 電磁閥模塊

系統根據實時監測的土壤溫濕度數據信息,進行啟停對應區域滅蟲控制操作,故在數據監測基礎上設計電磁閥控制電路,遠程操作滅蟲控制。根據系統采集的土壤溫濕度參數,與系統設置閾值進行對比分析,對比結果決定單片機輸出電平性質,從而控制電磁閥的工作狀態。電磁閥控制電路設計如圖7所示。

圖7 電磁閥控制電路圖Fig.7 Solenoid valve control circuit diagram

3 系統軟件設計

系統軟件設計主要分為主程序及土壤溫濕度監測程序等部分,如圖8和圖9所示。

圖8 系統主程序圖Fig.8 System main program diagram

圖9 土壤溫濕度監測程序圖Fig.9 Soil temperature and humidity monitoring program diagram

4 系統參數設計

4.1 土壤濕度監測標定

選取適量野外土壤樣品進行土壤濕度監測標定,采用烘干法以獲取土壤濕度。工作時,用烘干裝置將土壤質量烘干至恒定值,添加適量水均勻攪拌,形成已知土壤濕度的實驗土壤,并測量水分傳感器實時輸出電壓,形成對應數據;以此重復,多次試驗,采集數據,如表1所示。

表1 土壤濕度標定試驗數據Table 1 Soil moisture calibration experiment data

依據表1數據,分析得出土壤濕度監測函數,有

y=-1.32u2+14.03u-5.1

其中,y為土壤濕度(%);u為水分傳感器輸出電壓(V)。

4.2 土壤溫度監測標定

本研究采用的土壤溫度傳感器是密封封裝的金屬熱敏電阻,當溫度為0時,其電阻阻值為1000Ω。電阻阻值隨著溫度變化而變化,呈線性關系,電阻阻值變化將引起電阻兩端輸出電壓變化[15]。經過多次試驗,得出溫度傳感器輸出電壓和溫度變化之間的函數關系,即

其中,T為溫度(℃);u為輸出電壓(mV)。

4.3 系統操作層設計

系統操作層需要實現兩大功能,即查閱茶葉種植區域實時環境數據(土壤溫濕度)和下達命令控制電磁閥模塊工作,以此實現茶葉滅蟲系統實時控制。應用server,采用HTTP協議和系統平臺通訊,通過調用平臺API實現設備控制,并把設備實時監測數據推送到通訊終端。平臺可以對實時數據進行解析,轉換為標準json數據:

String appid=Constant.APPID;

//設置系統應用ID

String secret=Constant.SECRET;

//設置系統應用密碼

String urLogin=Constant.APP_AUTH;

//設置系統鑒權序列號

QueryDeviceHistoryData data = new

QueryDeviceHistoryData();

//獲取系統云平臺數據

PostAsynCommand command = new

PostAsynCommand();

//向系統采集端下達命令

系統實時對茶葉種植區域土壤溫濕度監測,并上傳至數據庫和系統操作層,實現數據實時監測和數據對比分析,進而通過操作層下達操作命令對滅蟲系統電磁閥進行遠程操控,即可實現系統實時啟停,實時滅蟲。

5 系統試驗結果

選在具有丘陵地域屬性的重慶市永川區箕山山脈茶葉種植基地,并選取不同天氣、不同時間、不同區域進行系統試驗。

5.1 無線傳輸數據丟包率測試

數據無線傳輸丟包率測試,采用多次檢測求平均值方法進行驗證。根據試驗基地的實際情況,試驗時在多個區域安排1個傳感器節點(根據山地實際面積大小,以確定傳感器具體數量)。為保證系統試驗精度,對傳感器節點設定隔30min進行一次數據采集、發送,分析計算無線傳輸過程中數據丟包率,進行多次試驗來確保系統性能穩定。試驗得出測試數據統計結果如表1所示。通過分析,系統數據傳輸網絡平均丟包率為0.49%,通信穩定,如表2所示。

表2 數據丟包率試驗統計表Table 2 Data packet loss rate test statistical table

5.2 系統誤差測試

為驗證土壤溫濕度檢測穩定性和精度,2021年9月,對系統進行實地樣品檢測試驗。在野外取實驗樣品土壤,通過烘干法確定土壤濕度檢測標準值,采用JC-TW土壤溫度測定儀測得參數為土壤溫度檢測標準值,采用不均勻人工加水進行隔天試驗,分別將系統檢測采集的土壤溫濕度參數與標準值進行對比分析,具體數據如表3所示。

表3 系統檢測值分析Table 3 System test value analysis

續表3

綜合表2、表3可得出:系統溫度檢測平均誤差0.26%,濕度檢測平均誤差0.38%,符合系統監測要求;系統檢測值與標準值相對誤差較小,實現了系統設計目標,滿足農業監測要求。

6 系統創新點

1)系統將窄帶物聯網技術應用于茶葉生產數據采集、遠程通信和遠程控制滅蟲等研究,以此揭示窄帶物聯網技術在農業害蟲防治中的有效運用,不斷豐富和完善農業害蟲防治理論基礎。

2)利用超級電容進行太陽能電能互補管理,不同天氣由蓄電池和超級電容互補供應電能,延長蓄電池使用壽命,優化了太陽能電源管理系統,提高了太陽能電源使用效率,可節約農業生產成本。

7 結論

為克服當前農業物聯網通信距離短、消耗功率大、終端數量易飽和等問題,融合窄帶物聯網技術的優點,優化太陽能電源管理,對丘陵地區茶葉種植區域土壤信息實時采集、分析,遠程控制茶葉滅蟲裝置,有效預防茶葉病蟲害,設計了控制系統。試驗結果表明:系統數據傳輸穩定,遠程操控反應靈敏,整體運行平穩,達到了預期目的,完成了窄帶物聯網技術與農業生產有機融合,提高了丘陵地區太陽能使用效率,可為智慧農業發展提供參考價值。