基于物聯網“數字茶園”系統的設計

唐曉艷,黃威榮

(1.貴州經貿職業技術學院,貴州 都勻 558022;2.貴州師范大學教育學院,貴州 貴陽 550025)

0 引言

茶產業是貴州省的重要特色農業產業之一,是圍繞“四新”主攻“四化”的主導產業。通過調研茶葉生產環境對信息技術的需求現狀,依托物聯網技術,從貴州茶園的特點,建設一體化智能環境檢測系統、智能灌溉控制系統,構建智慧茶園綜合管理平臺[1]。通過綜合管理平臺查看實時監測數據,經過系統數據比對和分析,實現智能遠程監測和控制,同時,系統自動保存采集的數據信息,為茶園管理和茶樹研究提供有效的技術支撐。除此之外,根據茶園規模和定位,打造除生產實施外集科研、旅游于一體的農業特色項目。

1 需求分析

茶園按規模可以分為大型茶園、中小型茶園。大型茶園擁有較高的知名度,特色鮮明,集生產、管理、科研、茶旅于一體;中小型茶園主要打造茶品牌的名片,以生產、管理、科研為主。為不同規模的茶園建設智慧茶園綜合管理平臺,使之能在農業物聯網方面起到技術引領和示范作用,有著重大的現實意義。

1.1 茶園管理需求方面

傳統茶園管理依靠主觀經驗判斷,生產管理環節對勞動力的依賴程度較高,缺失智能化手段的茶園管理,使得對茶葉生產的質量控制困難,管理效率低下,已經不能滿足現代化茶園發展的需求。

1.2 茶園科研需求方面

從當前茶樹科研體系來看,茶樹科研發展需要大量一線生產環境數據,依靠傳統人力采集、處理和計算,各方面的成本相對較高,如何提高科研效率是構建智慧茶園綜合管理平臺需要充分考慮的重要因素之一。

1.3 茶旅融合需求方面

農業旅游是當前旅游新形式,把茶葉產區打造成鄉村旅游景區,具有強大生機和廣闊前景。以大型茶園為特色農業旅游產品,積極培育觀光農業、休閑農業、農家樂旅游為一體的綜合性農業發展方式,立足貴州茶文化特色基礎展開茶農旅游,讓茶旅成為貴州旅游產業化發展重要支撐。

2 “智慧茶園”系統總體設計

基于物聯網“數字茶園”系統,主要由主控制器STM32單片機、顯示器USART HMI串口顯示屏、ZigBee無線通信模塊、電源模塊、節點數據采集器、溫濕度傳感器、土壤電導率傳感器、土壤酸堿度傳感器、光照傳感器、微生物傳感器、視頻監控和外部執行器件-控制系統等構成[2],“數字茶園”系統總體結構如圖1所示。

2.1 設計功能分析

a.生產管理方面需要物聯網實現以下功能:建設智能環境監測系統,通過傳感器采集茶園溫濕度、土壤電導率、土壤酸堿度、光照和微生物傳感器等信號,經系統數據分析,實現遠程對茶樹生長實時監控。建設智能灌溉控制系統,結合茶園氣象和茶園土壤狀況,實現自動化灌溉和遠程控制。

b.茶葉科研方面需要物聯網實現以下功能:農業物聯網技術實現可視化遠程診斷,通過PC端、手機端APP觀察茶樹生長、各節點溫濕度、光照、土壤狀況和茶樹病蟲害等信息。云端服務器為各個領域研究人員提供茶樹生長的各項核心數據,采集和存儲龐大的茶樹生長數據信息,這是農業物聯網系統建設的重要意義。

c.茶農旅游方面需要物聯網實現以下功能:旅游觀光人員通過物聯網了解茶樹的生長環境、生產過程、全景游覽和產品采購等,讓旅游觀光人員近距離接觸茶、認識茶、感受茶。

2.2 系統總體設計

本文主要基于ZigBee構建無線傳感器網絡,數據傳感器實時采集茶樹生長的環境信息,通過ZigBee、RS485、藍牙、Wi-Fi等通信方式將其上傳至終端控制器,由終端控制器對采集的數據進行初步處理和分類,將數據發送給云端服務存儲,根據處理結果分析控制參數,達到對外部執行部件自動化控制的目的[3]。同時,系統可以記錄茶園環境相關數據,茶產業基礎數據庫自動生成,為產生管理和科學研究提供一線真實的數據信息。攝像頭將實時采集的圖像信息由網絡通信發送到云端服務存儲,該內容可以通過前端大顯示屏隨時調取,用于動態展示系統運行的狀態及茶樹生長實時狀態[4],節點控制器系統結構如圖2所示。

圖2 節點控制器系統結構

3 系統硬件設計

3.1 主控模塊

“數字茶園”系統既需要采用網絡通信協議(MQTT)方式與云端服務器通信,又需要采用無線通信(ZigBee)方式與節點數據采集控制器通信,完成各節點數據分析處理并下發控制指令,故對通信接口及處理速度能力有較高要求。設計中采用STM32F10RCT6單片機作為主控芯片,ZigBee無線通信模塊將信號發送到主控芯片串口1,主控芯片處理的數據通過串口2傳輸到顯示模塊,主控芯片DMA通道采用網絡通信協議(MQTT)方式與云端服務存儲實現網絡通信[5]。STM32F103的21個數字通信I/O口,每個I/O引腳都有特殊功能,滿足系統的設計要求。

3.2 顯示模塊

本設計中需要顯示各節點的環境數據,“數字茶園”選用USART HMI串口顯示屏,支持通信協議、顯示、存儲和擴展等功能。USART HMI串口顯示屏支持多種通信協議,可以與茶園各節點采集控制設備進行通信,實時直觀顯示采集的茶園環境數據或輸出的控制信息。同時,主控模塊具有一定的存儲容量,可以保存采集到的茶園環境數據。

3.3 網絡傳輸模塊

ZigBee是一種可靠性高的無線傳輸網絡協議,可以支持從幾十米到幾百米不等的傳輸距離,具有極好的擴展性。它是一個含有約6 500個傳輸模塊的無線網絡傳輸平臺,在幾百米的巨大網絡范圍內,數千個傳感器之間相互協調傳輸通信,每個節點之間的距離可以從標準的75 m擴展到幾百米甚至幾公里[6]。具有簡單、方便、可靠且造價便宜的優點。在數字茶園的設計中采用無線傳輸方式進行數據采集,可以根據茶園實際情況增加或者刪除節點進行自由組網,既適用于大型茶園,又適用于中小型茶園。

3.4 數據采集模塊

a.土壤電導率傳感器。了解土壤的質量和營養狀況,更好地管理和維護植物的生長環境,采用RK500-03土壤電導率傳感器。RK500-03石墨電極探頭,具有性能穩定、靈敏度高和適用范圍廣等特點[7]。該傳感器結構簡單,性能穩定,操作方便。

b.溫濕度傳感器。溫濕度一體化傳感器配以數字集成電路、微處理器芯片,溫濕度傳感器性能穩定、多重防護、安全可靠,通過云平臺實時監控,支持溫濕度超限報警,實現茶園災害的自動預警,提前做好防御措施,減少茶園生產的損失[8]。

3.5 執行部件

執行器件--水泵是智能灌溉控制系統的重要組成部分,設計中云端服務存儲根據各節點數據分析處理,反饋對應的控制指令給自動控制設備。控制設備根據收到的信號執行命令[9]。如:自動灌溉控制系統使用電磁繼電器驅動水泵工作,繼電器通過低電壓控制高電壓,控制水泵中斷或連接。

4 系統軟件設計

系統軟件可以實現管理人員在觸摸屏上輸入匯聚節點的IP地址進入系統,茶園內的數據及圖像可實時顯示;以及分析比較實現數字茶園自動控制等功能。系統上電先對各功能部分初始化,包括終端控制器串口1、串口2及網絡傳輸模塊。系統自檢完成后,通過ZigBee、RS485、藍牙、Wi-Fi等通信方式將其上傳至終端控制器,終端控制器接收到數據后經單片機進行初步處理并將數據發給云端服務器,云端服務存儲接收到數據后進行比較,根據比較結果判斷終端控制器是否執行命令[10]。整個系統工作流程如圖3所示。

圖3 系統工作流程

4.1 數據采集環節

單片機通過讀取外部傳感器(溫濕度、土壤電導率、土壤酸堿度、光照、微生物傳感器)數據,采用多次采集去掉最大最小值后計算平均的方法,且溫度數據采集前后2次采集數據不應相差10℃以上,確保系統數據的可靠性。實現實時采集茶園內環境信息和視頻及圖像畫面。

4.2 網絡傳輸環節

以Web服務器作為信息處理中心,以互聯網作為通信載體的數據采集監控系統,遠程獲取傳感器、攝像頭等設備采集的數據,設計時匹配一定的硬件和特定的通信協議。ZigBee具有很好擴展性,方便添加或刪除節點數量,在節點數據采集中采用ZigBee組網。主控模塊與云端通信則采用主流的網絡通信協議MQTT方式,向MQTT服務器實時發送采集的數據,并訂閱相關的控制服務。數據采集優勢明顯,集中管理、降低成本、穩定性高。

4.3 控制服務環節

茶園的數據采集設備均支持PC端、手機端APP,并能夠將采集到的茶園環境信息實時返回到管理終端,作為茶園環境監控系統的終端云平臺,收集所有監測系統上傳的茶樹情況,便于實時查看、下載和打印歷史數據[11]。如:當監測到茶園的土壤濕度低于或高于預設值,系統通過自動控制或手動控制開啟或關閉噴淋裝置,保證土壤濕度符合茶樹生長的要求。

5 系統整體測試

為了驗證“數字茶園”系統的有效性,搭建智能控制電路進行實驗,主控模塊PA9/PA10串口1連接網絡通信模塊,各節點數據匯聚云端服務存儲。主控模塊PA1/PA2串口2連接無線傳輸模塊ZigBee的TX/RX端,實現與節點數據采集器數據通信,節點數據采集器采集茶園環境數據,通過無線傳輸模塊ZigBee發送到終端控制器并顯示在HMI顯示屏,節點數據采集器顯示信息如表1所示。

表1 節點數據采集器信息表

茶園管理員通過HMI顯示屏查看到各節點傳感器采集到的溫濕度數據,各節點及傳感器正常工作。云端服務存儲接收數據,完成各節點數據分析處理并下發控制指令,實現對控制機構手動或者自動控制。手動控制模式參數如表2所示,自動控制模式參數如表3所示,目標值設置為:溫度=20.5℃,濕度=80%。在手動工作模式下,通過調節PID系數及對應該節點工作狀態的開啟與關閉來控制節點電機的工作,在自動工作模式下,由系統根據設置的目標數據自動控制,自動調節PID系數。經過大量的數據讀取和控制操作,結果表明基于物聯網“數字茶園”系統能夠穩定的完成正常工作,滿足茶園管理、科研、茶旅融合的需求,具有廣泛的推廣價值。

表2 手動控制模式參數

表3 自動控制模式參數

6 結束語

基于物聯網“數字茶園”系統綜合性較強,管理人員既可以通過信息終端實時查詢茶園數據,又可以通過信息終端遠程控制智能灌溉等設備。物聯網系統的建設對茶園數據的采集、整理和分析為生產決策提供合理依據,提升茶葉產量與品質。除此之外,實現科學研究、茶旅融合協同發展,數字賦能茶產業,物聯網智能化、自動化技術在茶園管理的應用推廣,促進茶產業現代化的轉型和升級。