基于OneNET云平臺的茶園病蟲害遠程監測系統設計

摘 要：為實現對山地茶園茶葉病蟲害的遠程監測，設計了一款基于OneNET云平臺的在線遠程監測系統。系統采用STM32F407作為主控芯片，通過高清CMOS攝像頭、衛星定位模塊、光照度和溫濕度傳感器等，將采集的葉片圖像信息、位置信息以及茶園環境信息等，按照MQTT協議封裝為Publish報文，經4G通信模塊EC20發送至OneNET云平臺進行數據分析和存儲，用戶可以通過PC端和移動端進行實時查看和歷史回溯。經現場實驗，該系統具有高實時性、準確性和可靠性等優點，不僅減輕了病蟲害對茶葉產量和品質的影響，還有效降低了茶園的管護成本，為安康地區茶產業健康發展提供了有力的技術支持。

關鍵詞：OneNET；MQTT；4G通信；茶園病蟲害；STM32；遠程監測

中圖分類號：TP39；TN876.3 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）06-00-06

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2025.06.003

0 引 言

茶葉生長過程中受到包括土壤成分、溫濕度、光照、施肥和病蟲害防治等多種因素的影響，若土壤成分、溫濕度、光照等出現問題，會嚴重威脅茶葉的健康生長[1]。這其中，茶葉病蟲害防治尤為重要，及早發現病蟲害發生的位置和程度，是解決這一問題的關鍵。傳統的茶葉病蟲害監測主要以人工巡視為主，成本高且效率低下，往往無法精確掌控具體情況，若防治不及時可能引發一系列問題，嚴重影響茶葉的產量和品質[2-3]。

隨著移動通信技術的不斷發展，本文提出了一種基于OneNET云平臺的茶園病蟲害遠程監測系統。通過準確、實時的數據采集和遠程監測，茶葉種植者可以更好地掌握茶葉生長環境和病蟲害情況，及時采取措施保障茶葉健康生長。該系統利用傳感器采集茶園環境數據，利用高清攝像頭定期采集茶葉葉片病蟲害信息，利用衛星定位模塊采集監測點位置信息，通過4G通信技術將數據上傳至云端服務器，實現對茶園病蟲害信息的實時監測和預警。

1 系統整體架構

本項目研究旨在設計一種基于OneNET云平臺的茶園病蟲害遠程監測系統，以實現對茶園環境、地理位置和葉片病蟲害情況的實時監測。該系統采用傳感器、計算機測控和移動通信技術，結合云平臺的數據處理和分析能力，實現了對茶園環境參數（如溫度、濕度、光照等）和病蟲害指標（如病害類型、嚴重程度等）的準確監測和數據傳輸。通過OneNET平臺，用戶可以遠程查看茶園的實時數據、接收預警信息，為茶園管理者的決策提供有效的數據支持。系統整體架構如圖1所示。系統主要包含微控制器模塊、環境信息感知模塊、顯示模塊、衛星定位模塊、無線通信模塊、電源模塊、云平臺、遠程監測中心。

微控制器作為中央控制單元，配備高性能處理器和多種接口，可實現對信息感知模塊和顯示模塊的精確控制。通過與信息感知模塊和攝像頭模塊的連接，獲取茶園的環境信息（如溫濕度、光照強度）和葉片圖像信息，以便將檢測結果發送至云平臺進行進一步處理和存儲[4]。

環境信息感知是茶園病蟲害監測系統的重要組成部分，它包括溫/濕度檢測模塊、光照強度檢測模塊以及CMOS攝像頭模塊。溫濕度檢測模塊能夠實時監測茶園環境溫度和濕度變化，為研究病蟲害發生規律與環境的關系提供數據參考。光照強度檢測模塊通過光敏元件感知茶園現場的光照情況，收集茶樹生長的光照條件信息。攝像頭模塊是茶園病蟲害監測系統的核心，通過高清攝像頭采集茶園的葉片圖像數據，以便后期通過圖像識別算法對茶樹的病蟲害情況進行自動識別和分析。

衛星定位模塊的主要功能是接收全球定位系統（GPS）和北斗衛星發射的位置信號，通過解析準確的位置信息，使茶園管理人員能夠及時掌握病蟲害發生的地理位置。

顯示模塊通過0.96英寸OLED屏顯示本地檢測的實時溫濕度和光照強度，方便現場數據查看和調試。

無線通信模塊采用4G移動通信技術，系統將采集的溫濕度、光照強度和茶園圖像數據進行封裝處理，通過AT命令進行控制并分段發送至OneNET云平臺服務器[5]。

電源模塊為包括微控制器模塊、傳感器模塊、攝像頭模塊、無線通信模塊、顯示模塊等在內的各模塊供電。電源模塊采用太陽能鋰電池供電的方式，以保證系統在茶園環境中長時間穩定運行。

云平臺是茶園病蟲害監測系統的數據中心，它負責接收、存儲和展示茶園的環境信息和病蟲害檢測結果。通過云平臺，茶園管理人員可以實時監測茶園的狀況，并進行數據分析和決策。

遠程監測模塊通過PC端和手機端訪問云平臺，便捷地獲取茶園環境信息。茶園管理人員可以通過遠程監測模塊隨時了解茶園的狀況，及時采取措施來應對病蟲害威脅。

為便于安裝和使用，以上所有模塊均集成在一個終端。從系統設計的角度看，在中型及大型茶園中，單個感知識別模塊及攝像頭范圍難以覆蓋整個茶園。因此，可以考慮在園區內部署多個系統終端來擴大信息檢測范圍。

2 系統硬件設計

茶園病蟲害監測系統硬件模塊框圖如圖2所示。主控制器模塊主要基于STM32F407單片機模塊進行信息采集和處理、本地顯示、4G模塊的無線通信控制等；供電電源采用鋰電池結合太陽能充電的方式供電；傳感器模塊主要包含DHT11溫濕度傳感器、GM5516光照強度傳感器；圖像采集模塊采用OV5640 CMOS攝像頭，位置信息采集模塊采用GPS/北斗衛星接收模組；無線通信模塊采用4G模組EC20；顯示模塊采用0.96英寸的OLED屏。

圖3為主控芯片電路原理。由于篇幅限制，晶振電路、復位電路、下載電路等模塊的電路原理不再贅述。

圖4為電源電路原理。電源模塊使用鋰電池提供12 V電源，經過LM2596S-5/DC-DC降壓穩壓器將電壓降至5 V，以供系統使用。同時，MIC29302WU LDO穩壓器為EC20 4G模塊提供電源。此外，使用AMS1117-3.3正向低壓降穩壓器和RT9193-1.8線性穩壓器將電源電壓從5 V降至3.3 V和1.8 V，以滿足其他模塊的供電需求[6]。

圖5為DHT11溫濕度檢測模塊接口電路。單總線數據DQ引腳連接主控芯片的PD3引腳作為系統輸入，通過對數據格式進行拆分重組就可以得到真實的溫濕度數值。

圖6為GM5516光照強度檢測模塊接口電路。模擬信號輸出引腳AO連接主控芯片的PC3引腳作為ADC的信號輸入端。GM5516產生的模擬信號經ADC轉換為數字信號，后根據光敏電阻阻值與光照強度線性關系計算得到光照強度值[7]。

圖7為OV5640攝像頭模塊電路原理。連接DCMI接口的攝像頭將采集的JPEG圖像壓縮數據經DMA傳輸至SRAM，處理器通過對JPEG圖像起始標志的判斷進一步得到一幀完整的圖像數據。

圖8為EC20-4G通信模塊連接電路。該模塊通過 RXD/TXD引腳連接主控芯片的串行通信復用引腳來接收AT命令進行相應數據收發控制[8-9]。

3 嵌入式軟件設計

主控制器程序首先完成各模塊的初始化：包括溫濕度傳感器DHT11模塊初始化、光照強度傳感器GM5516模塊初始化、OLED顯示初始化、定時器中斷初始化、4G模組EC20初始化以及串口通信（UART）初始化等。終端系統程序流程如圖9所示。

終端設備上電后，4G通信模塊與OneNET云平臺設備進行匹配，若匹配成功，則進入循環檢測模式。若匹配失敗則嘗試重新匹配直至成功。與此同時，攝像頭、溫濕度及光照強度傳感器啟動。主控制器將檢測結果及圖像數據信息按照MQTT協議的publish報文格式和云平臺接收負載數據格式進行封裝，并通過AT命令將數據經4G通信模塊發送到OneNET云平臺。用戶在PC端和移動端可以通過訪問Web網頁實時查看當前檢測信息[10-11]。指令設置見表1。

4 云平臺項目設計

本系統采用中移物聯網有限公司打造的開放平臺—OneNET云平臺進行數據的處理與存儲。該平臺支持各類傳感器智能終端的接入，并提供了大數據分析及可視化等相關服務，具有豐富的API接口和各類應用場景模板，大大縮短了物聯網應用開發周期，降低了軟件開發成本[12]。

4.1 項目建立及設備添加

登錄OneNET云平臺（https：//open.iot.10086.cn/）。本系統采用OneNET平臺提供的多協議接入功能，通過添加產品的方式進行項目創建，并以MQTT協議作為設備接入方式與平臺建立連接。添加產品參數界面如圖10所示。

項目建立后，需要添加項目設備，界面如圖11所示。填寫設備名稱、設備描述等相關信息，并為設備生成ID和設備鑒權信息。在設備詳情頁面，可以配置設備的參數，例如設備類型、鑒權方式等，還可以為設備添加標簽、自定義屬性等[13]。

4.2 數據點查看

4G模組初始化完成后，在OneNET平臺的設備列表-詳情標簽下，可以查看模組的上線狀態。終端節點通過4G模組發送AT指令和數據，云平臺會自動解析并創建數據點和數據流。如圖12所示，在設備數據資源列表欄中，可以觀察到所創建的數據點以及上報的數據實例和屬性等相關信息。

4.3 歷史數據回溯

OneNET平臺提供歷史數據查看和一鍵導出數據等功能。如圖13所示，通過查看歷史數據，可以了解不同時間段內茶園監測點的數據變化趨勢。而一鍵導出數據功能則能夠方便地將數據導入到更專業的數據分析工具中，進一步統計和建模分析，從而提取有價值的研究結論和科學發現。

5 Web網頁的設計及運行

數據可視化（View）是OneNET云平臺提供的一種可視化開發工具，可以通過拖拽組件的方式快速創建設備的可視化Web界面。用戶可以選擇不同的組件，如按鈕、開關、圖表等，并將其與設備的數據進行關聯，實現實時展示和交互操作。圖14所示為Web網頁設計的基本流程。根據開發流程采用JavaScript語言編寫設計數據過濾器，最終保存發布界面。圖15所示為 Web網頁訪問界面，可實現多區域同時監測茶園環境信息。

6 結 語

本文設計了一種基于OneNET云平臺的茶園病蟲害監測系統。該系統包括微控制模塊、信息感知模塊、攝像頭模塊、顯示模塊、無線通信模塊和電源模塊等組件。在STM32的控制下，進行茶園圖像、溫濕度、光照強度、坐標位置等信息的采集和展示，并通過4G模塊將采集的數據發送至OneNET云平臺。系統實現了通過OneNET云平臺對茶園病蟲害發病位置的定位和遠程監控管理，用戶可通過手機端或PC端隨時隨地查看茶園的實時狀況，有助于管理人員對茶葉病蟲害提前防治[14]。未來的優化方向包括系統的穩定性和可靠性提升、數據挖掘算法的改進、用戶界面的優化等，進一步提高系統的性能和用戶體驗，為茶園的健康管理提供更好的支持。

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收稿日期：2024-04-03 修回日期：2024-05-14

基金項目：陜西省教育廳重點科學研究計劃項目（22JY001）；安康市科技局科學技術研究發展計劃項目（AK2021-NY-2）

作者簡介：劉星亮（1985—），男，陜西安康人，碩士，講師，研究方向為無線傳感器網絡、計算機測控等。