基于物聯網技術的智慧茶園控制技術

冷波

【摘要】 本文通過構建基于物聯網技術的智慧茶園控制系統，解決傳統茶葉種植行業的灌溉、施肥、除蟲以及收割等盲目性，實現茶葉種植的精細管理。提出了構建專家系統，對Zigbee網絡采集來的溫濕度、土壤溫濕度及PH值、光照度等物理量進行數據挖掘，并輔以視頻監測，對茶葉種植的各項工作進行適時提醒。

【關鍵詞】 物聯網 zigbee 茶葉種植

茶葉品質受光照、晝夜溫差、土壤溫濕度等條件的影響，優質茶葉對外界環境要求較高。大規模茶葉種植和管理，需要投入大量的人力和財力，優質茶園的管理非常困難。物聯網技術是互聯網之后的又一大科技產業革命，很快就在社會各個領域獲得廣泛應用。從“感知中國”，兩會工作報告中物聯網，再到《“十二五”物聯網發展規劃》，現在的健康發展指導意見，一直是國家政府和資本市場關注的焦點。物聯網特別是Zibgee無線通信技術的已經比較完善，出現了許多像智能家居、智慧城市、智能電網等熱點研究領域。Zibgee無線通信技術為精準農業、智慧茶園成為可能，并將會得到廣泛推廣。

一、茶葉種植物聯網應用分析

茶葉作為傳統農業之一，伴隨著物聯網技術的興起，將會改變現有茶葉種植、生產經營管理方式，提升茶葉的品質。通過物聯網智慧茶園的應用，可實現傳統茶園向現代化茶園的轉變、有效提高茶園綜合生產能力、強化茶葉質量安全管理、提高茶葉質量安全水平、以及提高茶葉產業化程度。

物聯網在茶園管理中有潛在的廣泛應用。從茶葉生產不同的階段來看，無論是從種植的培育階段到收獲階段，從產品的生長到產品的銷售，都可以用物聯網的技術來提高它的品質和精細管理。例如：（1）在茶葉種植之前，可以對茶園的環境情況進行分析，溫濕度、土壤成分進行傳感器檢測，來選取合適品種的茶葉。調用茶葉種植的信息及一些專家數據材料，制定茶葉種植計劃。還可以根據土壤信息，進行合理的改善，例如調節土壤的PH值，為茶葉種植進行準備。（2）在茶葉生長過程中，物聯網終端節點實時采集節點處的溫濕度、照度、土壤濕度、PH值等信息，并通過遠距離攝像頭觀看茶葉的狀態，土壤的干濕，大大減少了傳感器錯誤信息。根據往年茶葉種植信息形成的專家系統，建立各節點處茶葉生長信息庫，可及時發出病蟲害、及時灌水等警告信息，提前做好病蟲害的防疫等工作，保證茶葉在最佳的環境中成長，避免茶葉病蟲害的大面積爆發。（3）在茶葉的收獲階段，通過之前收集的信息，分析茶葉的品質，成長程度，進行收獲階段更為精準的測算，并可以包裝、銷售等信息的跟蹤。

二、物聯網控制系統構建

以物聯網技術為基礎，構建智慧茶園控制管理系統。由物聯網的終端節點進行茶葉生長過程中的溫濕度、照度、土壤濕度、PH值等環境因素的實時測量，對茶葉的生長過程進行監控，通過Zigbee網絡傳輸到網關，并通過網絡傳輸鏈路傳輸到數據處理中心，進行數據分類存儲，建立茶葉生長信息庫。通過之前建立的并且不斷反饋修正的茶葉生長專家庫，進行灌溉、施肥、噴藥等一系列操作，可以實現病蟲害、灌溉、茶葉采摘等信息提醒。形成了終端節點分散收集數據信息，數據處理中心集中管理的兩級分布式控制網絡。

基于物聯網技術的智慧茶園控制系統主要由數據處理中心、數據傳輸網絡和終端設備三部分組成，如圖1所示。

1、服務平臺主要包括數據處理中心、存儲服務器，WEB服務器，專家可完成對茶葉各項指標的分析，還可以切換選擇遠程視頻；茶農可以實時掌握茶園內的環境量數據，得到合理的種植提醒。

2、數據傳輸有線傳輸可采用ADSL、光纖和Internet，也可以采用無線傳輸3G、WLAN等方式。

3、前端設備：茶園信息采集器及傳感設備。茶園信息采集主要通過傳感器信息采集與監測、實時圖像與視頻監控兩種方式。（1）傳感器監測系統：根據無線網絡（包括）獲取的茶樹實時的生長環境信息，如監測茶葉生長相關的溫濕度、光照強度、CO2濃度、土壤溫濕度、土壤PH 值等參數。傳感器系統而且還能將收集各節點發來的數據，進行環境信息的數據積累和挖掘，以及分類存儲。 （2）實時圖像與視頻監控系統：智慧茶園是想通過多維信息與多層次處理實現茶樹的最佳生長環境調理及施肥管理。但是僅僅茶葉的各種數據并不能完全表征茶葉最佳生長條件，視頻與圖像監控提供了更直觀的表達方式。視頻和圖像能直觀地呈現當前茶葉的狀態，茶農可以直觀的觀測到一些有用的信息，茶葉的長勢、茶葉的顏色等等。茶園管理者可以不受地域限制，通過互聯網，使用各類通信終端就可以即時觀看茶園噴灌、采摘、護理等生產情況的現場圖像，以便掌握茶葉生產的詳細情況，因此不必再到茶園現場對每個生產環節進行現場管理。

三、主要物聯網傳感器的選擇

1、溫濕度監測，如圖2所示。

溫濕度環境是茶葉健康生長最為重要的條件之一。在本系統中采用采用2.4G Zigbee協議的無線溫度濕度傳感器JZH-101，這種無線傳感器，抗干擾能力強，可設有65535個網絡ID，組網能力強，采集與傳輸信息于一體。無線溫濕度傳感器可實時檢測茶園該節點對應的溫濕度，數據信息通過無線Zigbee技術，自動上傳到智慧茶園數據處理中心的數據庫中。

2、光照強度監測，如圖3所示。

采用昆侖海岸的ZD-6型照度傳感器，采用了高靈敏度的光敏元件，光照度測量區間大、多種輸出形式、易使用、安裝方便、可長距離傳輸等特點。無線光照傳感器能實施監測該節點處光照的強度，根據專家系統中光照強度的數值，進行照明系統、遮光系統的動作，實現光照強度的補償，達到最優的生長環境。

3、土壤監測，如圖4所示。

土壤是茶葉生長、吸收養分和水分的載體。茶葉適合疏松通氣排水、具有一定保水和保肥能力的土壤。茶葉對土壤酸堿度要求比較高，適宜種茶的土壤pH值為4.5-5.5，酸性土壤為茶葉生長提供適應條件，為茶樹根部提供理想的環境。但是當土表裸露且嚴重酸化時，應該進行酸堿中和，土壤會影響著茶樹對營養物質的吸收。

本系統通過傳感器和圖像資料獲得茶葉的環境信息、生長特征等信息。當土壤水分、PH值等因素超出作為適宜生長的范圍時，向茶園管理員進行預警，提醒進行灌溉、噴肥，或者采取別的措施，保證茶葉有一個舒適的生長環境，從而提升產量、改善茶葉品質。

四、智慧茶園自動灌溉及施肥系統

自動灌溉系統大大減少了茶園勞作。采用昆侖海岸的300PH-2無線電磁閥，能夠實現較大面積灌溉系統的自動化。根據土壤水分含量的檢測，分析茶葉需水要求，編寫不同的灌溉程序，進行自動灌溉。有線灌溉系統對于大面積灌溉來說，成本太高，而且維護麻煩，擴展也很困難。為了避免這些缺點，我們采用了無線電磁閥通斷的無線灌溉系統，實現茶園灌溉的自動控制，又大大節約了灌溉用水，如圖5所示。

進行施肥改革，建立施肥專家系統，在進行土壤營養成分分析后，自動制定施肥計劃，適時施以農家肥和科學合理使用配方施肥相結合，提高土壤營養成分。另外還會將肥料融入水中，通過微灌溉的方式，把肥料融入到茶園土壤。

五、智慧茶園Zigbee軟硬件設計

1、智慧茶園Zigbee網絡中硬件設計，如圖6所示。

智慧茶園各節點采用的是CC2430芯片，芯片是Zigbee網絡技術中非常典型的芯片，包括微處理器、收發器、128KB存儲器、8路輸入8～14位ADC，具有強大的開發功能。在每個節點處，可增加液晶顯示和功能鍵等外圍的設備，供電可由電池提供。

2、智慧茶園物聯網Zigbee無線通信軟件設計

首先由一個FFD（全功能設備），建立一個新網絡，該節點成為Zigbee網絡中的網絡協調器，如圖7所示。

然后其他終端設備（如FFD、RFD、以及無線溫濕度傳感器等設備）被激活，在允許范圍內搜索可用的網絡協調器，獲得短地址后，加入到網絡中。將節點與網絡協調器綁定后，就可以進行數據通信，如圖8所示。

六、項目展望

物聯網具有廣闊的發展前景，將物聯網應用在茶葉的生產管理，實現精細管理，也是茶園種植的大勢所趨。面對日益激烈的市場競爭，面對茶葉生產在資金、管理和人才方面資源匱乏的劣勢威脅，發展智慧茶園，才能提升茶葉的質量和競爭力，而且大大解放茶葉管理者、生產者的勞動。物聯網智慧茶園的推廣也促使茶葉生產結構在轉變，由小規模的茶農生產，將逐漸過渡到大面積智慧茶園生產。

參 考 文 獻

[1] 史品，鄭萍. 基于ZigBee的PLC無線數據采集系統設計，西華大學學報（自然科學版）[M]. 第29卷第6期

[2] 李文仲. 段朝玉. ZigBe無線網絡技術. 北京：北京航空航天大學出版社，2007

[3] 邴春秋，鄭萍. 基于ZigBee的遠程無線I/O模塊設計及應用. 碩士論文. 西華大學，2008

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[5] 崔莉等. 無線傳感器網絡標準化工作進展. 信息技術快報. 2008（3）