茶葉種植環(huán)境大數(shù)據(jù)采集平臺(tái)

林科業(yè)

（韓山師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，廣東 潮州 521041）

0 引 言

我國(guó)茶葉種植歷史悠久，茶園面積和產(chǎn)量居世界第一，茶葉已經(jīng)成為山區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)作物，茶產(chǎn)業(yè)也成為某些山區(qū)縣的重要經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)[1]。當(dāng)前我國(guó)茶葉種植主要以粗放型傳統(tǒng)種植為主，傳統(tǒng)種植與管理方法主要依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，對(duì)氣候、環(huán)境以及相關(guān)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(zhì)量缺乏保障[2]。傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)種植模式難以形成機(jī)械化規(guī)模，嚴(yán)重制約了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

AI技術(shù)近年來(lái)飛速發(fā)展，許多發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)把智慧農(nóng)業(yè)引用到了主要農(nóng)作物和蔬菜領(lǐng)域，如：美國(guó)智慧農(nóng)業(yè)融合了發(fā)達(dá)的農(nóng)業(yè)科技服務(wù)體系，在美國(guó)中西部地區(qū)，智慧農(nóng)業(yè)主要應(yīng)用于甜菜、玉米和大豆等作物的種植[3-5]。荷蘭等國(guó)家采用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，使設(shè)施蔬菜平均年產(chǎn)量達(dá)到每畝5萬(wàn)千克[6]。

我國(guó)目前將人工智能應(yīng)用到茶葉種植的案例還比較少，而茶葉種植及生產(chǎn)過(guò)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(chǎn)過(guò)程中，AI技術(shù)的應(yīng)用能夠幫助工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，明確問(wèn)題原因，有助于提前做好預(yù)防措施，有效避免茶葉生長(zhǎng)受到影響[10]。實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)，將人工智能應(yīng)用到茶葉種植領(lǐng)域以提高生產(chǎn)質(zhì)量很有必要。因此，本項(xiàng)目運(yùn)用嵌入式系統(tǒng)和云平臺(tái)搭建茶葉種植環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集人工智能所需相關(guān)數(shù)據(jù)，為智能化技術(shù)的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本項(xiàng)目數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由硬件電路、高清攝像頭采集模塊以及OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)組成。硬件電路主要用來(lái)采集茶葉的生長(zhǎng)環(huán)境因素，包括環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、光照強(qiáng)度、土壤酸堿度，以及土壤氮磷鉀元素含量。硬件電路通過(guò)各傳感器模塊將采集的茶葉生長(zhǎng)環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后，再通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)送給路由中繼器。項(xiàng)目采用的高清攝像頭可以直接連接路由器，通過(guò)WiFi進(jìn)行圖片采集。OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)收集發(fā)送來(lái)的茶葉生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)和圖片，進(jìn)行可視化顯示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要進(jìn)行高清圖片采集，為后續(xù)茶葉病蟲(chóng)害識(shí)別等提供豐富的圖片數(shù)據(jù)。但由于圖片為實(shí)時(shí)采集，因此對(duì)無(wú)線傳輸要求比較高。本項(xiàng)目采用路由器，通過(guò)WiFi傳輸，能夠很好解決傳輸數(shù)據(jù)量大的問(wèn)題。對(duì)于傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)，通過(guò)路由中繼器可以延長(zhǎng)WiFi模塊數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x。傳感器模塊采用RS 485串口傳輸，便于傳感器的擴(kuò)展，同時(shí)還可采集不同的環(huán)境因素。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)主要通過(guò)設(shè)計(jì)硬件電路實(shí)現(xiàn)。在硬件電路的設(shè)計(jì)過(guò)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(jià)比較高的STM32F103C8T6芯片，其工作電壓為3.3 V；無(wú)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(xiàng)目設(shè)計(jì)中選用3.3 V電壓供電。綜合考慮，在電源模塊設(shè)計(jì)中，采用12 V直流電源，再通過(guò)穩(wěn)壓芯片將電壓穩(wěn)壓在3.3 V，提供不同的工作電壓。在穩(wěn)壓設(shè)計(jì)中，主要解決了電源發(fā)熱和長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性的問(wèn)題。

無(wú)線模塊主要負(fù)責(zé)與云端進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳和接收，考慮到選用高清攝像頭進(jìn)行圖片采集并連接WiFi網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)考慮到WiFi網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸具有速率高、傳輸容量大、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，故選擇了性價(jià)比較高的ESP-01模塊。ESP-01模塊通過(guò)串口與STM32F103C8T6通信，通過(guò)AT指令進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸交互。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到需要進(jìn)行多種茶葉種植環(huán)境變量的采集，因此需要用到不同的傳感器設(shè)備。從擴(kuò)展性和電路維護(hù)等方面考慮，各類傳感器與STM32F103C8T6之間的數(shù)據(jù)傳輸主要通過(guò)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(xù)傳感器的擴(kuò)展。

電路設(shè)計(jì)了指示燈電路，通過(guò)不同的指示燈來(lái)識(shí)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(jìn)行數(shù)據(jù)交互，便于電路調(diào)試和維護(hù)。

此外，硬件電路的設(shè)計(jì)采用8 MHz的外部晶振電路給STM32F103C8T6提供外部時(shí)鐘；復(fù)位電路采用按鍵控制；USB連接STM32F103C8T6串行接口，通過(guò)SWD下載程序。具體的硬件電路設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 硬件電路設(shè)計(jì)

4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

茶葉種植數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)上報(bào)模塊組成，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)示意圖

數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)嵌入式系統(tǒng)的硬件電路采集環(huán)境數(shù)據(jù)信息。由于環(huán)境信息隨時(shí)間變化不大，在本項(xiàng)目的實(shí)際開(kāi)發(fā)應(yīng)用中，每隔20 min通過(guò)問(wèn)詢的方式采集一次數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)包括環(huán)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(guò)RS 485串口采集的數(shù)據(jù)，由于傳感器不同，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)存在不同的格式，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，數(shù)據(jù)校驗(yàn)主要包括數(shù)據(jù)地址校驗(yàn)、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度校驗(yàn)、CRC校驗(yàn)。最后經(jīng)過(guò)回傳數(shù)據(jù)的校驗(yàn)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

信息處理模塊主要針對(duì)回傳校驗(yàn)后的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分割和歸一化處理。由于回傳后的數(shù)據(jù)包含不同的數(shù)據(jù)內(nèi)容，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)分割提取有用的數(shù)據(jù)信息?；貍骱蟮臄?shù)據(jù)經(jīng)過(guò)提取獲得的信息可能存在不同的數(shù)值范圍，為了能夠正確顯示，在程序設(shè)計(jì)中需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化操作。

數(shù)據(jù)上報(bào)模塊實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息的上報(bào)。程序設(shè)計(jì)主要有WiFi的連接以及OneNET數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。WiFi能否連接成功，可以通過(guò)硬件電路的LED燈指示。上傳數(shù)據(jù)是否正確，可以通過(guò)ESP-01將錯(cuò)誤信息上報(bào)到OneNET云端顯示。OneNET云端顯示界面通過(guò)上報(bào)信息，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)中能夠迅速定位故障所在。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)測(cè)試階段，數(shù)據(jù)采集時(shí)間設(shè)置為4 min；每隔4 min嵌入式系統(tǒng)向OneNET平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)。圖4所示為實(shí)驗(yàn)測(cè)試階段采集的部分環(huán)境濕度數(shù)據(jù)。通過(guò)數(shù)據(jù)顯示，該系統(tǒng)能夠正常采集環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖4 OneNET采集的環(huán)境濕度數(shù)據(jù)部分顯示

6 結(jié) 語(yǔ)

茶葉種植系統(tǒng)目前已經(jīng)實(shí)地部署一年多，具有較高的數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定性。圖5所示為嵌入式系統(tǒng)的硬件電路板，圖6所示為基于?？低晹z像頭采集的茶葉圖片。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，為后續(xù)人工智能研究工作的順利開(kāi)展提供數(shù)據(jù)支撐。

圖5 數(shù)據(jù)采集電路控制板

圖6 ?？低晹z像頭采集茶葉圖片