茶葉種植環境大數據采集平臺

林科業

（韓山師范學院 物理與電子工程學院，廣東 潮州 521041）

0 引 言

我國茶葉種植歷史悠久，茶園面積和產量居世界第一，茶葉已經成為山區重要的經濟作物，茶產業也成為某些山區縣的重要經濟支柱產業[1]。當前我國茶葉種植主要以粗放型傳統種植為主，傳統種植與管理方法主要依靠個人經驗，對氣候、環境以及相關變化因素的把握存在一定的局限性，不利于茶葉種植效率的提升，也使得茶葉質量缺乏保障[2]。傳統產業種植模式難以形成機械化規模，嚴重制約了產業化發展。

AI技術近年來飛速發展，許多發達國家已經把智慧農業引用到了主要農作物和蔬菜領域，如：美國智慧農業融合了發達的農業科技服務體系，在美國中西部地區，智慧農業主要應用于甜菜、玉米和大豆等作物的種植[3-5]。荷蘭等國家采用物聯網相關技術，使設施蔬菜平均年產量達到每畝5萬千克[6]。

我國目前將人工智能應用到茶葉種植的案例還比較少，而茶葉種植及生產過程的影響因素主要有土壤、氣候條件以及地形[7-9]。在茶葉種植及生產過程中，AI技術的應用能夠幫助工作人員及時發現問題，明確問題原因，有助于提前做好預防措施，有效避免茶葉生長受到影響[10]。實現智慧農業，將人工智能應用到茶葉種植領域以提高生產質量很有必要。因此，本項目運用嵌入式系統和云平臺搭建茶葉種植環境數據采集系統，采集人工智能所需相關數據，為智能化技術的應用提供數據支撐。

1 數據采集系統

本項目數據采集系統主要由硬件電路、高清攝像頭采集模塊以及OneNET物聯網平臺組成。硬件電路主要用來采集茶葉的生長環境因素，包括環境溫度、環境濕度、光照強度、土壤酸堿度，以及土壤氮磷鉀元素含量。硬件電路通過各傳感器模塊將采集的茶葉生長環境因素數據經過處理后，再通過無線收發模塊發送給路由中繼器。項目采用的高清攝像頭可以直接連接路由器，通過WiFi進行圖片采集。OneNET物聯網平臺收集發送來的茶葉生長環境數據和圖片，進行可視化顯示。數據采集系統框圖如圖1所示。

圖1 數據采集系統框圖

2 數據采集系統關鍵技術

數據采集系統需要進行高清圖片采集，為后續茶葉病蟲害識別等提供豐富的圖片數據。但由于圖片為實時采集，因此對無線傳輸要求比較高。本項目采用路由器，通過WiFi傳輸，能夠很好解決傳輸數據量大的問題。對于傳感器模塊采集的數據，通過路由中繼器可以延長WiFi模塊數據傳輸的距離。傳感器模塊采用RS 485串口傳輸，便于傳感器的擴展，同時還可采集不同的環境因素。

3 數據采集系統硬件設計

嵌入式系統主要通過設計硬件電路實現。在硬件電路的設計過程中，需要考慮不同電路模塊的工作電壓；傳感器模塊需要12 V的直流電壓供電；MCU控制模塊采用性價比較高的STM32F103C8T6芯片，其工作電壓為3.3 V；無線通信模塊為ESP-01，其工作電壓可以采用3.3 V和5 V電壓，在本項目設計中選用3.3 V電壓供電。綜合考慮，在電源模塊設計中，采用12 V直流電源，再通過穩壓芯片將電壓穩壓在3.3 V，提供不同的工作電壓。在穩壓設計中，主要解決了電源發熱和長期工作穩定性的問題。

無線模塊主要負責與云端進行數據的上傳和接收，考慮到選用高清攝像頭進行圖片采集并連接WiFi網絡，同時考慮到WiFi網絡數據傳輸具有速率高、傳輸容量大、擴展性強等特點，故選擇了性價比較高的ESP-01模塊。ESP-01模塊通過串口與STM32F103C8T6通信，通過AT指令進行數據的傳輸交互。

數據采集系統在設計時考慮到需要進行多種茶葉種植環境變量的采集，因此需要用到不同的傳感器設備。從擴展性和電路維護等方面考慮，各類傳感器與STM32F103C8T6之間的數據傳輸主要通過串口RS 485通信。各傳感器模塊直接連接到RS 485的差分線上，便于后續傳感器的擴展。

電路設計了指示燈電路，通過不同的指示燈來識別電路是否正常工作，WiFi模塊是否正常連接，云端是否正常進行數據交互，便于電路調試和維護。

此外，硬件電路的設計采用8 MHz的外部晶振電路給STM32F103C8T6提供外部時鐘；復位電路采用按鍵控制；USB連接STM32F103C8T6串行接口，通過SWD下載程序。具體的硬件電路設計框圖如圖2所示。

圖2 硬件電路設計

4 數據采集系統軟件設計

茶葉種植數據采集系統的程序設計主要由數據采集模塊、數據處理模塊、數據上報模塊組成，如圖3所示。

圖3 數據采集系統程序設計示意圖

數據采集模塊通過嵌入式系統的硬件電路采集環境數據信息。由于環境信息隨時間變化不大，在本項目的實際開發應用中，每隔20 min通過問詢的方式采集一次數據。采集的數據包括環境溫度、濕度、光照、土壤濕度、土壤氮磷鉀元素含量，以及土壤酸堿度等。STM32F103C8T6通過RS 485串口采集的數據，由于傳感器不同，傳輸的數據存在不同的格式，需要對數據進行校驗。在軟件開發過程中，數據校驗主要包括數據地址校驗、數據長度校驗、CRC校驗。最后經過回傳數據的校驗，確保數據的準確性。

信息處理模塊主要針對回傳校驗后的信息進行數據分割和歸一化處理。由于回傳后的數據包含不同的數據內容，需要進行數據分割提取有用的數據信息。回傳后的數據經過提取獲得的信息可能存在不同的數值范圍，為了能夠正確顯示，在程序設計中需對數據進行歸一化操作。

數據上報模塊實現環境信息的上報。程序設計主要有WiFi的連接以及OneNET數據的發送與接收。WiFi能否連接成功，可以通過硬件電路的LED燈指示。上傳數據是否正確，可以通過ESP-01將錯誤信息上報到OneNET云端顯示。OneNET云端顯示界面通過上報信息，在現場調試和維護中能夠迅速定位故障所在。

5 試驗驗證

在實驗測試階段，數據采集時間設置為4 min；每隔4 min嵌入式系統向OneNET平臺發送數據。圖4所示為實驗測試階段采集的部分環境濕度數據。通過數據顯示，該系統能夠正常采集環境相關數據。

圖4 OneNET采集的環境濕度數據部分顯示

6 結 語

茶葉種植系統目前已經實地部署一年多，具有較高的數據采集穩定性。圖5所示為嵌入式系統的硬件電路板，圖6所示為基于海康威視攝像頭采集的茶葉圖片。本項目設計的數據采集系統能夠實現相關數據的采集，為后續人工智能研究工作的順利開展提供數據支撐。

圖5 數據采集電路控制板

圖6 海康威視攝像頭采集茶葉圖片