茶園病蟲害智能監測系統設計

李喬宇 阮懷軍 王磊 李道亮 李振波

摘 要：針對各種優質茶葉（有機茶、無公害茶、綠色食品茶）生產中對農藥及化肥使用的要求，設計了面向茶園環境的病蟲害智能監測系統，旨在通過視頻監視茶園的病蟲害發生，通過傳感器監測影響病蟲害發生的環境因子，以實現茶園病蟲害的針對性防治，避免農藥過量使用，保護茶園生態環境。

關鍵詞：病蟲害；茶園；生態環境；智能監測系統

中圖分類號：S431.9+S435.711 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2014）04-0012-04

中國是茶葉之鄉，茶在人們日常生活中占有重要地位，隨著生活水平的提高，茶葉的需求量日益增加，對茶葉品質的要求日益提高，茶葉經濟正進入快速發展階段。在這個大背景下，茶葉生產有了新的特點：①出現了大規模的茶葉企業。如：安徽省宣郎廣茶業總公司擁有茶園面積1 400 hm2，福安市農墾茶業有限公司的茶園面積超過400 hm2。如何有效管理如此大規模的茶園，是茶企業亟需解決的問題。②社會對優質茶葉的需求日益增加。有機茶、無公害茶、綠色食品茶的生產都對農藥和化肥的使用情況以及生長環境作了嚴格要求，如何在限制農藥、化肥的使用且不破壞茶園生態環境的條件下保證優質茶葉的產出，是茶葉生產面臨的新問題。③茶園病蟲害問題仍然嚴重。病蟲害是優質茶葉生產的重要威脅，據統計，一般病蟲害會導致茶葉減產10%～20%[1]，而大規模病蟲害帶來的損失更大。茶園規模擴大，農藥限制使用，都加大了茶園病蟲害防治的困難性。

本文即針對上述問題設計了茶園病蟲害智能監測系統，以求在智能農業的思路上尋找解決問題的新途徑。該系統將茶園作為一個整體，通過攝像頭、傳感器和氣象站的多方位監測，動態顯示茶園視頻圖像和各環境因子的變化情況，從而對病蟲害進行預測預警，為優質茶葉的生產提供技術支持。

1 智能監測系統的總體設計

目前對大田作物長勢和病蟲害的觀測仍然廣泛依靠人力，這使得茶園企業面臨日益增加的人工成本壓力。另一方面，對病蟲害預測預警的探索集中在GIS（地理信息系統）的應用上[2～4]。通過GIS可以有效地進行病蟲害預測的區域性分析，防止病蟲害的大范圍發生和擴散。但GIS的特點也決定了利用其對病蟲害預測預警具有先天時效性不足的缺陷。因而，GIS更適用于政府部門面向區域農業發布預測信息。

茶園病蟲害智能監測系統則是針對每個茶園的生產管理而設計的，可通過多鏈路視頻監視單元對茶樹長勢、葉表病蟲害情況進行監視，根據病蟲害特征及時調整防治措施。同時，土壤傳感器和氣象站實時監測記錄茶園環境因子的變化動態，當環境條件有利于病蟲害發生時發出預警信息，以方便工作人員加強監測并采取應對措施。

茶園病蟲害智能監測系統按照三層架構[5]，分別為信息感知層、信息傳輸層和應用層（見圖1）。

圖1 茶園病蟲害智能監測系統架構

本文中系統感知層的建設分為視頻監視和環境監測兩部分，包括視頻監視單元、水分傳感器、土壤電導率傳感器、土壤養分檢測儀、生物傳感器、農業氣象站等。此外，該層的建設還包括制定傳感器量程規范、面向茶園應用的傳感器的接口規范以及與各種網絡、總線接口的專用集成電路規范。

傳輸層主要實現信息的可靠和安全傳輸，包括網絡傳輸標準及有線網絡和無線網絡的建設。茶園智能監測系統在視頻監視環節使用有線網絡，在環境監測環節使用無線網絡。

應用層主要實現信息的存儲、利用和服務，按功能分三層架構：①數據中心將傳輸層傳遞來的數據存儲到數據庫，包括數據庫建設、數據標準建設，應用標準接口建設；②分析中心對數據庫中的數據加工利用，分析病蟲害圖像、生態環境指數、病蟲害易發生指標，從而得到直觀的、有價值的信息；③監視中心將信息傳達給用戶，通過多屏幕聯動顯示監測信息，并將預警信息通過App或者短信發送到移動終端。

根據設計目標，茶園病蟲害智能監測系統可實現兩個功能：病蟲害的視頻監視和環境因子的動態監測。

2 病蟲害視頻監視

病蟲害視頻監視模塊通過分散布置于茶園中的高清監視節點實時觀察茶樹葉表疾病和蟲害跡象。該模塊按照智能監測系統的三層架構進行建設：信息感知層進行監視節點的建設，信息傳輸層進行有線傳輸網絡的建設，應用層建設服務平臺以展示視頻監視結果。

2.1 監視節點的布設

設置的監視節點要能充分觀察到茶園病蟲害的發生跡象，因此，需依照茶園病蟲害的特征進行科學布置。

茶園常見病蟲害，如假眼小綠葉蟬、茶尺蠖、茶毛蟲、茶橙癭螨、茶芽枯病、茶炭疽病等[6]，存在4個顯著特征：多數害蟲具有群居性；幼蟲多居于葉片背面；蟲害發生時葉子呈焦枯、萎縮或被啃食狀，蟲害越嚴重越明顯；病害發生時葉子出現病斑，隨著病害加重特征越明顯。

根據上述特征，可以在茶園定點安放攝像裝置，觀察局域茶葉背面病蟲害發生跡象，從而對大范圍病蟲害發生情況進行推理。葉子焦枯、萎縮和被啃食狀的情況可以通過大范圍的監視節點發現。因此，本系統將監視節點分為遠景監視節點和近景監視節點。遠景監視節點（見圖2）采用可旋轉、高變焦攝像裝置，布置在高4～5 m的立桿上，用于觀察大范圍的茶樹生長狀況及病蟲害發

圖2 遠景監視節點

生時葉子的異常情況。近景監視節點采用高微距攝像裝置，布置在高0.5～1.0 m的支架上，用于觀察葉片背面和莖部出現的害蟲蟲卵和幼蟲。預期在每6 667 m2茶園面積中布設遠景監視節點3個，近景監視節點9個（見圖3）。

圖3 茶園監控節點設計

2.2 有線傳輸網絡

視頻監視數據量大，且要求監視節點傳送高精度、高質量的視頻圖像，這提高了系統對網絡帶寬的要求。

CAN（Controller Area Network，控制器局域網）總線是目前國內外大型農機設備普遍采用的一種標準總線，是一種有效支持分布式或實時控制的串行通信網絡。CAN總線實時性強，可靠性高，抗干擾能力強。茶園病蟲害視頻監視系統使用基于CAN總線的數據采集技術和基于Internet的遠程數據傳輸技術以實現遠程茶園視頻監視（見圖4）。

圖4 CAN總線控制系統總體結構[7]

2.3 服務平臺

茶園病蟲害視頻監視系統的服務平臺建設包括數據庫、知識庫以及圖像分析系統、監視中心的建設。

數據庫抽樣記錄監視視頻中的典型茶葉圖像，注明記錄日期和時間；知識庫記錄典型的病蟲害信息及應對措施。圖像分析系統按照機器視覺方法自動分析數據庫中的茶葉圖像，將結果在知識庫中進行比對，根據知識庫檢索的結果向監視中心發送反饋信息。監視中心通過多路顯示屏實時顯示現場監視節點傳來的圖像及圖像分析系統的分析結果，并通過短信平臺及時向負責人發送預警信息。

3 生態環境因子的動態監測

人們對茶葉品質要求的不斷提升促使茶葉生產更加規范，并對生產環境及田間管理各環節提出了更高的要求。

通過視頻監視可以及時了解茶園病蟲害的發生情況，并采取相應的防治措施，從而避免大規模的大量用藥。而對茶園生態環境因子的監測可以使茶園的田間管理更具針對性，滿足高品質茶葉生產的生態要求，并且能在環境條件易于發生病蟲害時發出預警。

茶園生態環境監測模塊包括監測節點、無線傳感網絡、服務平臺。

3.1 監測節點

包括傳感器和氣象站。傳感器又分為：①土壤水分傳感器：監測土壤水分變化，對茶樹生長、農田小氣候以及土壤的機械性能有重要作用。②土壤電導率傳感器：獲取土壤電導率值，對分析土壤環境具有一定意義。土壤電導率與土壤有機物含量、粘土層深度、水分保持能力有密切關系[5]。③土壤養分檢測儀：主要檢測土壤中氮（N）、磷（P）、鉀（K）的含量。這三種元素是作物生長的必需營養元素，也是肥料的主要組成成分，對其含量的檢測不僅能夠保證茶樹生長所需的養分，也能防止過度使用化肥，減輕對生態環境的破壞。④生物傳感器：可用于農藥的檢測和分析[8]，有利于保護茶園生態環境，生產高品質茶葉。

氣象站可以對空氣溫度、濕度及光照強度、風速、風向、降雨量等農業氣象情況進行監測。這些信息的獲取有助于掌握茶園作物生長環境，對病蟲害預測預警。

3.2 無線傳感網絡

WSN（無線傳感器網絡）是一種無中心節點的全分布系統。通過隨機投放的方式，眾多傳感器節點被密集部署于監控區域。這些傳感器節點集成有傳感器、數據處理單元、通信模塊和能源單元，它們通過無線信道相連，自組織地構成網絡系統[5]。

本研究在茶園生態環境監測模塊中使用ZigBee技術布置無線傳感網絡。ZigBee技術具有自動組網、網絡容量大、工作頻段靈活、數據傳輸速率低、模塊功耗低、成本低的特點[9]，十分適于對茶園環境的監測。

3.3 服務平臺

茶園生態環境監測模塊與茶園病蟲害視頻監視模塊共用服務平臺，包括數據庫和知識庫、環境與病蟲害分析系統、監視中心。數據庫記錄傳感網絡監測的環境數據。知識庫記錄環境模型與相應方案。環境與病蟲害分析系統根據監測數據在知識庫中檢索，得到分析結果。監視中心展示監測數據和分析結果，對重點情況通過短信平臺向農戶發送預警短信。

4 結 語

本文針對茶園環境設計了一套茶園病蟲害智能監測系統。該系統面向優質茶園，旨在通過對病蟲害發生狀況的監測，有針對性的防治，避免過量使用農藥而造成的污染和生態破壞。該系統的病蟲害視頻監視模塊通過視頻監視及時發現病蟲害跡象，生態環境監測模塊通過傳感器和氣象站獲取茶園環境信息，合理運籌水肥管理，預測病蟲害。該系統具有一定的先進性，但在視頻監視節點的布置上仍需進一步實驗。

參 考 文 獻：

[1] 潘超婭，張午，童浚超，等.茶園病蟲害標本系統的實現與意義[J].計算機光盤軟件與應用，2012（19）：26-28.

[2] 洪波，張鋒，李英梅，等.GIS在農業病蟲害預警研究中的應用[J]. 陜西農業科學，2011（3）：170-173.

[3] 羅菊花，黃文江，韋朝領，等.基于GIS的農作物病蟲害預警系統的初步建立[J]. 農業工程學報，2008，24（12）：127-131.

[4] 張谷豐，朱葉芹，翟保平.基于WebGIS的農作物病蟲害預警系統[J].農業工程學報，2007，23（12）：176-181.

[5] 李道亮.農業物聯網導論[M].北京：科學出版社，2012.

[6] 盧振輝. 有機茶生產技術——有機茶園病蟲害的控制[J].林業科技開發，2002，16（3）：67.

[7] 張恩亮， 曹少華.基于CAN總線監控系統設計[J].大壩與安全，2009（2）：38-45.

[8] 周仕林，劉冬. 生物傳感器在環境監測中的應用[J].理化檢驗（化學分冊），2011，47（1）：120-124.

[9] 趙景宏，李英凡，許純信. Zigbee技術簡介[J]. 電力系統通信， 2006，27（7）： 54-56.

圖4 CAN總線控制系統總體結構[7]

2.3 服務平臺

茶園病蟲害視頻監視系統的服務平臺建設包括數據庫、知識庫以及圖像分析系統、監視中心的建設。

數據庫抽樣記錄監視視頻中的典型茶葉圖像，注明記錄日期和時間；知識庫記錄典型的病蟲害信息及應對措施。圖像分析系統按照機器視覺方法自動分析數據庫中的茶葉圖像，將結果在知識庫中進行比對，根據知識庫檢索的結果向監視中心發送反饋信息。監視中心通過多路顯示屏實時顯示現場監視節點傳來的圖像及圖像分析系統的分析結果，并通過短信平臺及時向負責人發送預警信息。

3 生態環境因子的動態監測

人們對茶葉品質要求的不斷提升促使茶葉生產更加規范，并對生產環境及田間管理各環節提出了更高的要求。

通過視頻監視可以及時了解茶園病蟲害的發生情況，并采取相應的防治措施，從而避免大規模的大量用藥。而對茶園生態環境因子的監測可以使茶園的田間管理更具針對性，滿足高品質茶葉生產的生態要求，并且能在環境條件易于發生病蟲害時發出預警。

茶園生態環境監測模塊包括監測節點、無線傳感網絡、服務平臺。

3.1 監測節點

包括傳感器和氣象站。傳感器又分為：①土壤水分傳感器：監測土壤水分變化，對茶樹生長、農田小氣候以及土壤的機械性能有重要作用。②土壤電導率傳感器：獲取土壤電導率值，對分析土壤環境具有一定意義。土壤電導率與土壤有機物含量、粘土層深度、水分保持能力有密切關系[5]。③土壤養分檢測儀：主要檢測土壤中氮（N）、磷（P）、鉀（K）的含量。這三種元素是作物生長的必需營養元素，也是肥料的主要組成成分，對其含量的檢測不僅能夠保證茶樹生長所需的養分，也能防止過度使用化肥，減輕對生態環境的破壞。④生物傳感器：可用于農藥的檢測和分析[8]，有利于保護茶園生態環境，生產高品質茶葉。

氣象站可以對空氣溫度、濕度及光照強度、風速、風向、降雨量等農業氣象情況進行監測。這些信息的獲取有助于掌握茶園作物生長環境，對病蟲害預測預警。

3.2 無線傳感網絡

WSN（無線傳感器網絡）是一種無中心節點的全分布系統。通過隨機投放的方式，眾多傳感器節點被密集部署于監控區域。這些傳感器節點集成有傳感器、數據處理單元、通信模塊和能源單元，它們通過無線信道相連，自組織地構成網絡系統[5]。

本研究在茶園生態環境監測模塊中使用ZigBee技術布置無線傳感網絡。ZigBee技術具有自動組網、網絡容量大、工作頻段靈活、數據傳輸速率低、模塊功耗低、成本低的特點[9]，十分適于對茶園環境的監測。

3.3 服務平臺

茶園生態環境監測模塊與茶園病蟲害視頻監視模塊共用服務平臺，包括數據庫和知識庫、環境與病蟲害分析系統、監視中心。數據庫記錄傳感網絡監測的環境數據。知識庫記錄環境模型與相應方案。環境與病蟲害分析系統根據監測數據在知識庫中檢索，得到分析結果。監視中心展示監測數據和分析結果，對重點情況通過短信平臺向農戶發送預警短信。

4 結 語

本文針對茶園環境設計了一套茶園病蟲害智能監測系統。該系統面向優質茶園，旨在通過對病蟲害發生狀況的監測，有針對性的防治，避免過量使用農藥而造成的污染和生態破壞。該系統的病蟲害視頻監視模塊通過視頻監視及時發現病蟲害跡象，生態環境監測模塊通過傳感器和氣象站獲取茶園環境信息，合理運籌水肥管理，預測病蟲害。該系統具有一定的先進性，但在視頻監視節點的布置上仍需進一步實驗。

參 考 文 獻：

[1] 潘超婭，張午，童浚超，等.茶園病蟲害標本系統的實現與意義[J].計算機光盤軟件與應用，2012（19）：26-28.

[2] 洪波，張鋒，李英梅，等.GIS在農業病蟲害預警研究中的應用[J]. 陜西農業科學，2011（3）：170-173.

[3] 羅菊花，黃文江，韋朝領，等.基于GIS的農作物病蟲害預警系統的初步建立[J]. 農業工程學報，2008，24（12）：127-131.

[4] 張谷豐，朱葉芹，翟保平.基于WebGIS的農作物病蟲害預警系統[J].農業工程學報，2007，23（12）：176-181.

[5] 李道亮.農業物聯網導論[M].北京：科學出版社，2012.

[6] 盧振輝. 有機茶生產技術——有機茶園病蟲害的控制[J].林業科技開發，2002，16（3）：67.

[7] 張恩亮， 曹少華.基于CAN總線監控系統設計[J].大壩與安全，2009（2）：38-45.

[8] 周仕林，劉冬. 生物傳感器在環境監測中的應用[J].理化檢驗（化學分冊），2011，47（1）：120-124.

[9] 趙景宏，李英凡，許純信. Zigbee技術簡介[J]. 電力系統通信， 2006，27（7）： 54-56.

圖4 CAN總線控制系統總體結構[7]

2.3 服務平臺

茶園病蟲害視頻監視系統的服務平臺建設包括數據庫、知識庫以及圖像分析系統、監視中心的建設。

數據庫抽樣記錄監視視頻中的典型茶葉圖像，注明記錄日期和時間；知識庫記錄典型的病蟲害信息及應對措施。圖像分析系統按照機器視覺方法自動分析數據庫中的茶葉圖像，將結果在知識庫中進行比對，根據知識庫檢索的結果向監視中心發送反饋信息。監視中心通過多路顯示屏實時顯示現場監視節點傳來的圖像及圖像分析系統的分析結果，并通過短信平臺及時向負責人發送預警信息。

3 生態環境因子的動態監測

人們對茶葉品質要求的不斷提升促使茶葉生產更加規范，并對生產環境及田間管理各環節提出了更高的要求。

通過視頻監視可以及時了解茶園病蟲害的發生情況，并采取相應的防治措施，從而避免大規模的大量用藥。而對茶園生態環境因子的監測可以使茶園的田間管理更具針對性，滿足高品質茶葉生產的生態要求，并且能在環境條件易于發生病蟲害時發出預警。

茶園生態環境監測模塊包括監測節點、無線傳感網絡、服務平臺。

3.1 監測節點

包括傳感器和氣象站。傳感器又分為：①土壤水分傳感器：監測土壤水分變化，對茶樹生長、農田小氣候以及土壤的機械性能有重要作用。②土壤電導率傳感器：獲取土壤電導率值，對分析土壤環境具有一定意義。土壤電導率與土壤有機物含量、粘土層深度、水分保持能力有密切關系[5]。③土壤養分檢測儀：主要檢測土壤中氮（N）、磷（P）、鉀（K）的含量。這三種元素是作物生長的必需營養元素，也是肥料的主要組成成分，對其含量的檢測不僅能夠保證茶樹生長所需的養分，也能防止過度使用化肥，減輕對生態環境的破壞。④生物傳感器：可用于農藥的檢測和分析[8]，有利于保護茶園生態環境，生產高品質茶葉。

氣象站可以對空氣溫度、濕度及光照強度、風速、風向、降雨量等農業氣象情況進行監測。這些信息的獲取有助于掌握茶園作物生長環境，對病蟲害預測預警。

3.2 無線傳感網絡

WSN（無線傳感器網絡）是一種無中心節點的全分布系統。通過隨機投放的方式，眾多傳感器節點被密集部署于監控區域。這些傳感器節點集成有傳感器、數據處理單元、通信模塊和能源單元，它們通過無線信道相連，自組織地構成網絡系統[5]。

本研究在茶園生態環境監測模塊中使用ZigBee技術布置無線傳感網絡。ZigBee技術具有自動組網、網絡容量大、工作頻段靈活、數據傳輸速率低、模塊功耗低、成本低的特點[9]，十分適于對茶園環境的監測。

3.3 服務平臺

茶園生態環境監測模塊與茶園病蟲害視頻監視模塊共用服務平臺，包括數據庫和知識庫、環境與病蟲害分析系統、監視中心。數據庫記錄傳感網絡監測的環境數據。知識庫記錄環境模型與相應方案。環境與病蟲害分析系統根據監測數據在知識庫中檢索，得到分析結果。監視中心展示監測數據和分析結果，對重點情況通過短信平臺向農戶發送預警短信。

4 結 語

本文針對茶園環境設計了一套茶園病蟲害智能監測系統。該系統面向優質茶園，旨在通過對病蟲害發生狀況的監測，有針對性的防治，避免過量使用農藥而造成的污染和生態破壞。該系統的病蟲害視頻監視模塊通過視頻監視及時發現病蟲害跡象，生態環境監測模塊通過傳感器和氣象站獲取茶園環境信息，合理運籌水肥管理，預測病蟲害。該系統具有一定的先進性，但在視頻監視節點的布置上仍需進一步實驗。

參 考 文 獻：

[1] 潘超婭，張午，童浚超，等.茶園病蟲害標本系統的實現與意義[J].計算機光盤軟件與應用，2012（19）：26-28.

[2] 洪波，張鋒，李英梅，等.GIS在農業病蟲害預警研究中的應用[J]. 陜西農業科學，2011（3）：170-173.

[3] 羅菊花，黃文江，韋朝領，等.基于GIS的農作物病蟲害預警系統的初步建立[J]. 農業工程學報，2008，24（12）：127-131.

[4] 張谷豐，朱葉芹，翟保平.基于WebGIS的農作物病蟲害預警系統[J].農業工程學報，2007，23（12）：176-181.

[5] 李道亮.農業物聯網導論[M].北京：科學出版社，2012.

[6] 盧振輝. 有機茶生產技術——有機茶園病蟲害的控制[J].林業科技開發，2002，16（3）：67.

[7] 張恩亮， 曹少華.基于CAN總線監控系統設計[J].大壩與安全，2009（2）：38-45.

[8] 周仕林，劉冬. 生物傳感器在環境監測中的應用[J].理化檢驗（化學分冊），2011，47（1）：120-124.

[9] 趙景宏，李英凡，許純信. Zigbee技術簡介[J]. 電力系統通信， 2006，27（7）： 54-56.