基于ZIG- BEE 技術(shù)的有機茶園監(jiān)測控制系統(tǒng)

張 蘇 陳 婧 趙文昌

(大理大學(xué)工程學(xué)院,云南 大理 671003)

隨著現(xiàn)代人生活品質(zhì)的提升,有機茶葉的消費市場逐年增大。優(yōu)質(zhì)茶園的管理成本高居不下,通信技術(shù),物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使茶園實現(xiàn)智能管理成為可能[1]。有機茶葉的培育是通過創(chuàng)造最為合適的生長環(huán)境,提高茶樹自身抵抗力來抵御病害,通過物理滅殺的方式來防御蟲害。茶葉對土壤酸堿度要求較高,適宜種茶的土壤PH 值為4.5-5.5 之間,同時對土壤濕度的控制也對病蟲害預(yù)防也至關(guān)重要。對相關(guān)環(huán)境的監(jiān)測使用物理設(shè)備與人工監(jiān)測之間顯然自動監(jiān)測設(shè)備的使用更為優(yōu)越[2]。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時啟動控制設(shè)備,將茶樹生長的環(huán)境控制在最佳狀態(tài)是將來有機茶園管理的發(fā)展方向。

1 有機茶園監(jiān)測控制系統(tǒng)總體設(shè)計概述

各區(qū)域傳感器采集到的溫度,土壤濕度,土壤PH 值,蟲害監(jiān)測等數(shù)據(jù)發(fā)送到Mini2440 開發(fā)板系統(tǒng)中,通過計算決定是否開啟滴灌系統(tǒng),蟲害滅殺系統(tǒng),酸堿度調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。灌溉系統(tǒng)分兩部分,一部分為滴灌土壤酸堿度調(diào)節(jié)系統(tǒng),另一部分為噴灑環(huán)境濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)[3]。蟲害滅殺采用紫光誘殺的方式。

2 硬件設(shè)計

控制層是系統(tǒng)的核心層,主要包括傳感器、Zigbee 無線模塊、主控制模塊等控制器。

2.1 主控系統(tǒng)

主要控制系統(tǒng)處理器采用Mini2440 開發(fā)板。數(shù)據(jù)傳輸模塊采用紫蜂無線通信模塊和通用串行總線無線接口模塊組成數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)由紫蜂路由器轉(zhuǎn)發(fā)?？刂撇糠滞ㄟ^通信模塊和茶園遠(yuǎn)程監(jiān)測控制平臺,實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和動態(tài)自動控制系統(tǒng)設(shè)備。用戶可以通過監(jiān)控平臺完成遠(yuǎn)程訪問。實驗的結(jié)果表明,該系統(tǒng)能有效提高茶園用水量的動態(tài)管理水平質(zhì)量,同時能及時有效的防治蟲害,提高優(yōu)質(zhì)茶葉的產(chǎn)量,它具有優(yōu)越的控制性能。

主控模塊主要由Mini2440 組成開發(fā)板和通用串行總線WIFI 模塊Realtek。Mini2440 使用ARM920T 的S3C2440 作為處理器。數(shù)據(jù)存儲使用兩塊外部SDRAM芯片,這種設(shè)計能提高整體訪問響應(yīng)的速度。Mini2440 開發(fā)板如圖1 所示。

圖1 Mini 2440 開發(fā)板

系統(tǒng)軟件軟件是實現(xiàn)遠(yuǎn)程自動化的核心動態(tài)自動控制的控制與強化管理茶園監(jiān)測控制系統(tǒng)。遠(yuǎn)程監(jiān)控,控制系統(tǒng)的自動控制和集約化管理設(shè)備需要通過軟件來實現(xiàn)。

2.2 感知層傳感器模塊

感知層傳感器模塊使用CN0398 帶溫度補償功能的土壤濕度和pH 值測量系統(tǒng)模塊,該系統(tǒng)模塊優(yōu)點在于精度高,相應(yīng)快,能同時反應(yīng)濕度值和PH 值,系統(tǒng)針對不同的濕度值與PH 值作出相應(yīng)的響應(yīng)。PH 值:主要為酸堿比。毫伏電壓信號輸出由PH 組合電極輸入TLC4502 芯片。經(jīng)過翻譯和放大后,它進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器。本部分的電路原理如圖2 所示。

圖2 PH 傳感器采集電路示意圖

2.3 Zigbee 無線通信模塊

Zigbee 無線通信模塊采用CC2530 為核心處理器。它具有射頻 收發(fā)器,可以進(jìn)行無線轉(zhuǎn)發(fā)。Zigbee 無線通信模塊由MC509 數(shù)據(jù)終端接口電路、電路等五個部分組成電源部分,UIM卡電路,Zigbee 模塊啟動電路,串口電路,如圖3 所示。

圖3 CC2530 連接電路圖

在圖中,U3 為MC509 數(shù)據(jù)終端,“1”、“3”、“5”“7”、“9”為電源引針?！?”、“4”、“6”、“8”、“10”為接地銷,“11”為模塊啟動銷?！?2”、“13”是串口引腳?！癉4”、“D5”為網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示器。

2.4 蟲害監(jiān)測系統(tǒng)

蟲害監(jiān)測系統(tǒng)使用帶無線傳輸功能的?？低暩咔寰W(wǎng)絡(luò)攝像頭,具體參數(shù)為300 萬像素以上,分辨率1080p 以上,8 倍以上的光學(xué)變焦,帶太陽能電池板。用于監(jiān)測云南茶樹多發(fā)的鱗翅目蛾類蟲害和同翅目蚧類蟲害。一旦觀測到異常信號則及時提示管理人員進(jìn)一步確認(rèn),進(jìn)而決定是否啟動蟲害滅殺系統(tǒng),抑或是利用其他方式除蟲。安裝后效果如圖4所示。

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)效果圖

2.5 系統(tǒng)軟件

該軟件是實現(xiàn)茶園監(jiān)測控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程自動控制和集約化管理的核心。農(nóng)業(yè)設(shè)備系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動控制和密集管理需要通過軟件來實現(xiàn).系統(tǒng)設(shè)計框架如圖5 所示。

圖5 軟件結(jié)構(gòu)示意圖

3 系統(tǒng)測試

為了測試該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,該系統(tǒng)從安裝之日起至今一直在穩(wěn)定運行。在運行期間,對土壤濕度,土壤PH值,蟲害圖像參數(shù)的監(jiān)測穩(wěn)定可靠。數(shù)據(jù)的傳輸和存儲都比較及時。當(dāng)濕度及PH 值不符合茶樹生長需求時,控制系統(tǒng)啟動及時。觀測發(fā)現(xiàn),在系統(tǒng)工作的區(qū)域,茶樹一直處于最佳的生長環(huán)境中,其茶病的發(fā)生率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人工照看的區(qū)域,同時蟲害的發(fā)生也明顯低于系統(tǒng)以外區(qū)域。

3.1 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包丟失率的測試

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包丟失率的測試是為了驗證系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn) 定 性 和 可 靠 性 。 我 們 以 每 次 發(fā) 送300,400,500,600,700,800,900,1000 個數(shù)據(jù)包在不同的環(huán)境下來進(jìn)行測試,結(jié)果如圖6 所示。發(fā)現(xiàn)在雷雨天情況下系統(tǒng)丟包率教高,最高的400 個包丟了7 個達(dá)到1.75%,其余情況均在1%以下。由于工作系統(tǒng)只分布在約三畝茶園的范圍內(nèi),由于傳輸距離而導(dǎo)致丟包的概率較低。

圖6 丟包率測試圖

3.2 系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)與實際測量數(shù)據(jù)對比測試

在系統(tǒng)運行期間,我們在不同天氣條件下對土壤濕度,環(huán)境濕度,土壤PH 值實地測量,與同時間段終端收集到的對應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,結(jié)果如圖7(實心圓點為儀器測量值,空心三角為系統(tǒng)測量值)。實測值與系統(tǒng)終端顯示數(shù)據(jù)非常一致,無偏離。

圖7 PH 值測試對比圖

3.3 控制系統(tǒng)可靠性測試

由于適合茶樹生長的土壤環(huán)境PH 值為4.5-5.5,我們將啟動閾值設(shè)定為PH＜4.6 或PH＞5.4。將傳感器分別置于PH＜4.6 和PH＞5.4 兩種環(huán)境中實驗1000 次,PH＜4.6 環(huán)境,10分鐘內(nèi)啟動867 次,10-20 分鐘內(nèi)啟動131 次,不啟動2 次,不啟動的2 次均在50 分鐘后發(fā)出報警信號。同樣PH＞5.4 環(huán)境中,10 分鐘內(nèi)啟動916 次,10-20 分鐘內(nèi)啟動93 次,不啟動1 次,不啟動1 次在43 分鐘時發(fā)出報警信號。兩個環(huán)境中的測試均在PH 值達(dá)到5.0 后10 分鐘內(nèi)關(guān)閉滴灌系統(tǒng)。系統(tǒng)可靠性測試通過。

4 結(jié)論

系統(tǒng)自2019 年4 月16 日第一輪春茶采摘后在鳳凰茶廠外包農(nóng)戶李某的茶園隨機選取約三畝面積的茶田投入使用。2020 年第一輪春茶產(chǎn)量尖茶為36 斤/畝,與2019 年相差不大。粗茶為362 斤/畝,產(chǎn)量與2019 年相比提升約2%。與同期未使用系統(tǒng)茶田相比,茶尖與粗茶畝產(chǎn)量分別高出2%和3%,且茶葉品質(zhì)亦有一定的提升。系統(tǒng)運行近兩年來,啟動PH 值調(diào)節(jié)系統(tǒng)3 次,環(huán)境濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)27 次,物理滅蟲系統(tǒng)1 次。報警系統(tǒng)啟動0 次,系統(tǒng)可靠性極高。春、秋兩季茶葉產(chǎn)量與品質(zhì)均高于不使用監(jiān)測控制系統(tǒng)的茶田。

人工管理發(fā)現(xiàn)土壤PH 值偏高亦或偏低往往是根據(jù)茶樹的生長狀況判斷,得到的判定都比較滯后。濕度環(huán)境的控制對茶樹生長至關(guān)重要,人工管理由于管理者的能力,經(jīng)驗等因素會對不同的環(huán)境產(chǎn)生不同的判斷,得到的是一個大概的估計值,使用濕度傳感器則能使系統(tǒng)響應(yīng)及時,不會出現(xiàn)茶樹由于環(huán)境濕度低于50%而停止生長的情況。

5 討論

經(jīng)實際投入運行,使用茶園監(jiān)測控制系統(tǒng)的茶田,無論從管理效率還是管理效果均優(yōu)于人工管理,同時系統(tǒng)管理的茶田產(chǎn)茶數(shù)量與產(chǎn)茶質(zhì)量也高于人工管理茶田,能進(jìn)一步提高生產(chǎn)率降低管理成本。但其間也存在兩個問題:

5.1 實驗茶田面積過小,一旦大面積鋪開使用,系統(tǒng)信號傳輸是否還能保證如此高的可靠性。

5.2 PH 傳感器電極使用壽命約為一年,在差的環(huán)境中工作會更短,頻繁更換電極會造成成本的增加和效率的降低,如何解決這兩個問題是我們未來工作研究的重點。