基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的茶葉滅蟲控制系統(tǒng)研究

彭煒峰,羅 靜,張洲亞,李光林,余金洋

(1.重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,重慶 402160;2.重慶市工業(yè)技師學(xué)院,重慶 402160;3.西南大學(xué) a.工程技術(shù)學(xué)院;b.丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400715;4.重慶華中數(shù)控技術(shù)有限公司,重慶 402160)

0 引言

2015年,國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)的指導(dǎo)意見》,提出“互聯(lián)網(wǎng)+現(xiàn)代農(nóng)業(yè)”行動(dòng)。要落實(shí)“互聯(lián)網(wǎng)+”現(xiàn)代農(nóng)業(yè)行動(dòng),就要充分運(yùn)用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[1]。目前,農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)多數(shù)采用ZigBee、Bluetooth等無線通信技術(shù),大多存在通信距離短、消耗功率大及終端數(shù)量易飽和等問題。在以往的很長(zhǎng)時(shí)間里,大多采用化學(xué)農(nóng)藥消滅害蟲,長(zhǎng)時(shí)間采用這種方式,存在以下不足:一是使害蟲的抗藥性增強(qiáng);二是農(nóng)藥的殘留物會(huì)遺留在農(nóng)產(chǎn)品上,不僅污染環(huán)境,還會(huì)對(duì)人體造成傷害,三是無法考慮害蟲活動(dòng)習(xí)性,實(shí)施精準(zhǔn)殺蟲[2-4]。

太陽能電源在農(nóng)作物害蟲防治過程中已廣泛使用,特別是在重慶這種以丘陵山地為主的地區(qū)。當(dāng)前常見的太陽能蓄電池主要有三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池及鈦酸鋰電池等,使用壽命在1～3年不等。由于蓄電池后期維護(hù)工作和費(fèi)用存在一定問題,研究?jī)?yōu)化太陽能電源應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中很有必要[5]。

為此,以重慶永川國際名茶“秀芽”為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)了一套基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)的丘陵地區(qū)茶葉滅蟲控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用太陽能超級(jí)電容管理電能供應(yīng),應(yīng)用STM32L151C8與傳感器技術(shù),采集土壤環(huán)境信息,運(yùn)用NB-IoT技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信,可保證傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)完整,降低了數(shù)據(jù)掉包率,實(shí)現(xiàn)了茶葉滅蟲控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程操控。本研究解決了傳統(tǒng)茶葉病蟲害防治存在的不及時(shí)、不精準(zhǔn)、不便捷、浪費(fèi)人力等問題,實(shí)現(xiàn)了茶葉病蟲害發(fā)生前的預(yù)防,從而減少經(jīng)濟(jì)損失,為我國農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測(cè)提供了參考,為我國實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)提供了依據(jù)[6-11]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由太陽能電源模塊、土壤溫濕度監(jiān)測(cè)模塊、通信模塊及中央處理模塊等4部分組成。其中,太陽能電源模塊在中央處理模塊控制下,為整個(gè)系統(tǒng)提供電能,實(shí)現(xiàn)能源按需供給。土壤溫濕度監(jiān)測(cè)模塊對(duì)茶葉種植區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集,研究茶葉主要病蟲害發(fā)生概率監(jiān)測(cè)模型;在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)上,通過通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè),研發(fā)茶葉病蟲害監(jiān)測(cè)微信公眾平臺(tái)與終端監(jiān)測(cè)平臺(tái),滿足用戶多方跟蹤、隨時(shí)隨地查詢、瀏覽實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),監(jiān)測(cè)茶葉病蟲害發(fā)生情況,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新上傳,為茶葉病蟲害防控決策提供參考。

1.1 太陽能電源模塊

采用超級(jí)電容電源管理模式設(shè)計(jì)了太陽能電源模塊,主要由太陽能電池板、保護(hù)電路、蓄電池充電電路、超級(jí)電容充電電路、降壓轉(zhuǎn)換電路及升壓轉(zhuǎn)換電路等組成,如圖1所示。

圖1 太陽能電源模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the solar power module

太陽能電池板通過保護(hù)電路、充電管理電路后,給超級(jí)電容和蓄電池充電,超級(jí)電容輸出連接升壓轉(zhuǎn)換電路輸入端,蓄電池輸出連接的降壓轉(zhuǎn)換電路輸入端。當(dāng)太陽能電池板正常工作時(shí),超級(jí)電容電壓大于設(shè)定截止電壓,此時(shí)升壓轉(zhuǎn)換電路使能端有效,系統(tǒng)由超級(jí)電容供應(yīng)電能;當(dāng)太陽能電池板短時(shí)間不工作時(shí),超級(jí)電容深度放電,發(fā)揮超級(jí)電容儲(chǔ)能特性,超級(jí)電容電壓大于設(shè)定截止電壓,以此保證系統(tǒng)正常運(yùn)行;當(dāng)太陽能電池板長(zhǎng)時(shí)間不工作時(shí),超級(jí)電容經(jīng)過深度放電后,超級(jí)電容電壓小于設(shè)定截止電壓,此時(shí)蓄電池降壓轉(zhuǎn)換電路使能端有效,系統(tǒng)由蓄電池供應(yīng)電能[12-14]。

1.2 土壤溫濕度監(jiān)測(cè)模塊

通過土壤溫濕度監(jiān)測(cè)模塊,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)茶葉種植區(qū)域土壤溫濕度參數(shù),并構(gòu)建病蟲害發(fā)生概率監(jiān)測(cè)模型。土壤溫濕度監(jiān)測(cè)模塊主要由驅(qū)動(dòng)電源、土壤溫度傳感器、土壤水分傳感器及中央處理器等構(gòu)成。土壤水分傳感器和溫度傳感器皆采用CMOS技術(shù)進(jìn)行安裝設(shè)計(jì):土壤溫度傳感器采用美國Dallas公司研制的型號(hào)為DS18B20數(shù)字化溫度傳感器;土壤水分傳感器采用重慶艾輯公司生產(chǎn)的型號(hào)為ARN-100傳感器,對(duì)土壤溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)[15-19]。

1.3 通信模塊

通過對(duì)中央處理模塊編程控制,進(jìn)而控制NB-IoT芯片,利用NB模組對(duì)土壤溫濕度實(shí)時(shí)參數(shù)進(jìn)行接收與轉(zhuǎn)發(fā)。監(jiān)測(cè)到的實(shí)時(shí)參數(shù)編碼后發(fā)送出去,并判斷SIM卡信息讀取是否正確、完全,是否匹配相對(duì)應(yīng)的狀態(tài)。本系統(tǒng)采用型號(hào)為BC95B5的無線通信模塊[4]。通信模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 通信模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Communication module structure diagram

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 太能源電源模塊

為實(shí)現(xiàn)太陽能電池板對(duì)蓄電池充電電路管理和控制,系統(tǒng)采用型號(hào)為BQ24650的太陽能充電管理芯片。該芯片對(duì)蓄電池充電主要分3個(gè)階段:預(yù)充電、恒流充電和恒壓充電。其中,預(yù)充電階段中,充電電流是恒流充電電流的1/10,低于1/10時(shí),則系統(tǒng)自動(dòng)終止充電;蓄電池電壓小于設(shè)置電壓時(shí),則系統(tǒng)自動(dòng)重啟充電;太陽能電池板電壓低于蓄電池電壓時(shí),則系統(tǒng)進(jìn)入休眠模式。

因系統(tǒng)太陽能電池板輸出電壓達(dá)18V,故在超級(jí)電容組件充電過程中需進(jìn)行降壓處理。系統(tǒng)采用DC/DC轉(zhuǎn)換芯片為MP2303A,輸入范圍滿足18V的輸入標(biāo)準(zhǔn)。在此,轉(zhuǎn)換電路主要調(diào)整輸出為5.4V,需要兩個(gè)單體2.7V的超級(jí)電容進(jìn)行并聯(lián),選擇單體電容均壓電路設(shè)計(jì)。超級(jí)電容充電電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.2 土壤溫濕度監(jiān)測(cè)模塊

土壤溫度監(jiān)測(cè)采用DS18B20傳感器,內(nèi)部由低溫系數(shù)晶振、高溫系數(shù)晶振、溫度報(bào)警觸發(fā)器、64位ROM及配置寄存器等組成,溫度監(jiān)測(cè)精度為±0.5℃,以實(shí)現(xiàn)土壤溫度精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。土壤濕度監(jiān)測(cè)采用ARN-100傳感器,深埋土壤下層30cm處,以實(shí)現(xiàn)土壤濕度實(shí)時(shí)測(cè)量。土壤溫濕度監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)如圖4和圖5所示。

圖3 超級(jí)電容充電電路圖Fig.3 Super capacitor charging circuit diagram

圖4 土壤溫度監(jiān)測(cè)電路圖Fig.4 Soil temperature monitoring circuit diagram

圖5 土壤濕度監(jiān)測(cè)電路圖Fig.5 Soil moisture monitoring circuit diagram

2.3 通信模塊

系統(tǒng)采用BC95B5作為無線通信模塊,通過NB-IoT通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商設(shè)備建立通信連接,模塊深度休眠電流最低可達(dá)5μA,主要工作的授權(quán)頻段為850MHz。SIM卡選用中國電信4G卡,滿足智能控制和智慧農(nóng)業(yè)的管理需求[15]。通信模塊電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 通信模塊電路圖Fig.6 Communication module circuit diagram

2.4 電磁閥模塊

系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的土壤溫濕度數(shù)據(jù)信息,進(jìn)行啟停對(duì)應(yīng)區(qū)域滅蟲控制操作,故在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)電磁閥控制電路,遠(yuǎn)程操作滅蟲控制。根據(jù)系統(tǒng)采集的土壤溫濕度參數(shù),與系統(tǒng)設(shè)置閾值進(jìn)行對(duì)比分析,對(duì)比結(jié)果決定單片機(jī)輸出電平性質(zhì),從而控制電磁閥的工作狀態(tài)。電磁閥控制電路設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 電磁閥控制電路圖Fig.7 Solenoid valve control circuit diagram

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為主程序及土壤溫濕度監(jiān)測(cè)程序等部分,如圖8和圖9所示。

圖8 系統(tǒng)主程序圖Fig.8 System main program diagram

圖9 土壤溫濕度監(jiān)測(cè)程序圖Fig.9 Soil temperature and humidity monitoring program diagram

4 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

4.1 土壤濕度監(jiān)測(cè)標(biāo)定

選取適量野外土壤樣品進(jìn)行土壤濕度監(jiān)測(cè)標(biāo)定,采用烘干法以獲取土壤濕度。工作時(shí),用烘干裝置將土壤質(zhì)量烘干至恒定值,添加適量水均勻攪拌,形成已知土壤濕度的實(shí)驗(yàn)土壤,并測(cè)量水分傳感器實(shí)時(shí)輸出電壓,形成對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù);以此重復(fù),多次試驗(yàn),采集數(shù)據(jù),如表1所示。

表1 土壤濕度標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Soil moisture calibration experiment data

依據(jù)表1數(shù)據(jù),分析得出土壤濕度監(jiān)測(cè)函數(shù),有

y=-1.32u2+14.03u-5.1

其中,y為土壤濕度(%);u為水分傳感器輸出電壓(V)。

4.2 土壤溫度監(jiān)測(cè)標(biāo)定

本研究采用的土壤溫度傳感器是密封封裝的金屬熱敏電阻,當(dāng)溫度為0時(shí),其電阻阻值為1000Ω。電阻阻值隨著溫度變化而變化,呈線性關(guān)系,電阻阻值變化將引起電阻兩端輸出電壓變化[15]。經(jīng)過多次試驗(yàn),得出溫度傳感器輸出電壓和溫度變化之間的函數(shù)關(guān)系,即

其中,T為溫度(℃);u為輸出電壓(mV)。

4.3 系統(tǒng)操作層設(shè)計(jì)

系統(tǒng)操作層需要實(shí)現(xiàn)兩大功能,即查閱茶葉種植區(qū)域?qū)崟r(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)(土壤溫濕度)和下達(dá)命令控制電磁閥模塊工作,以此實(shí)現(xiàn)茶葉滅蟲系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制。應(yīng)用server,采用HTTP協(xié)議和系統(tǒng)平臺(tái)通訊,通過調(diào)用平臺(tái)API實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制,并把設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)推送到通訊終端。平臺(tái)可以對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析,轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)json數(shù)據(jù):

String appid=Constant.APPID;

//設(shè)置系統(tǒng)應(yīng)用ID

String secret=Constant.SECRET;

//設(shè)置系統(tǒng)應(yīng)用密碼

String urLogin=Constant.APP_AUTH;

//設(shè)置系統(tǒng)鑒權(quán)序列號(hào)

QueryDeviceHistoryData data = new

QueryDeviceHistoryData();

//獲取系統(tǒng)云平臺(tái)數(shù)據(jù)

PostAsynCommand command = new

PostAsynCommand();

//向系統(tǒng)采集端下達(dá)命令

系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)茶葉種植區(qū)域土壤溫濕度監(jiān)測(cè),并上傳至數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)操作層,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)對(duì)比分析,進(jìn)而通過操作層下達(dá)操作命令對(duì)滅蟲系統(tǒng)電磁閥進(jìn)行遠(yuǎn)程操控,即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)啟停,實(shí)時(shí)滅蟲。

5 系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

選在具有丘陵地域?qū)傩缘闹貞c市永川區(qū)箕山山脈茶葉種植基地,并選取不同天氣、不同時(shí)間、不同區(qū)域進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)。

5.1 無線傳輸數(shù)據(jù)丟包率測(cè)試

數(shù)據(jù)無線傳輸丟包率測(cè)試,采用多次檢測(cè)求平均值方法進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)試驗(yàn)基地的實(shí)際情況,試驗(yàn)時(shí)在多個(gè)區(qū)域安排1個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)(根據(jù)山地實(shí)際面積大小,以確定傳感器具體數(shù)量)。為保證系統(tǒng)試驗(yàn)精度,對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)定隔30min進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集、發(fā)送,分析計(jì)算無線傳輸過程中數(shù)據(jù)丟包率,進(jìn)行多次試驗(yàn)來確保系統(tǒng)性能穩(wěn)定。試驗(yàn)得出測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。通過分析,系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)平均丟包率為0.49%,通信穩(wěn)定,如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)丟包率試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表Table 2 Data packet loss rate test statistical table

5.2 系統(tǒng)誤差測(cè)試

為驗(yàn)證土壤溫濕度檢測(cè)穩(wěn)定性和精度,2021年9月,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地樣品檢測(cè)試驗(yàn)。在野外取實(shí)驗(yàn)樣品土壤,通過烘干法確定土壤濕度檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)值,采用JC-TW土壤溫度測(cè)定儀測(cè)得參數(shù)為土壤溫度檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)值,采用不均勻人工加水進(jìn)行隔天試驗(yàn),分別將系統(tǒng)檢測(cè)采集的土壤溫濕度參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比分析,具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 系統(tǒng)檢測(cè)值分析Table 3 System test value analysis

續(xù)表3

綜合表2、表3可得出:系統(tǒng)溫度檢測(cè)平均誤差0.26%,濕度檢測(cè)平均誤差0.38%,符合系統(tǒng)監(jiān)測(cè)要求;系統(tǒng)檢測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值相對(duì)誤差較小,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo),滿足農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)要求。

6 系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)

1)系統(tǒng)將窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于茶葉生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程通信和遠(yuǎn)程控制滅蟲等研究,以此揭示窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)害蟲防治中的有效運(yùn)用,不斷豐富和完善農(nóng)業(yè)害蟲防治理論基礎(chǔ)。

2)利用超級(jí)電容進(jìn)行太陽能電能互補(bǔ)管理,不同天氣由蓄電池和超級(jí)電容互補(bǔ)供應(yīng)電能,延長(zhǎng)蓄電池使用壽命,優(yōu)化了太陽能電源管理系統(tǒng),提高了太陽能電源使用效率,可節(jié)約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。

7 結(jié)論

為克服當(dāng)前農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信距離短、消耗功率大、終端數(shù)量易飽和等問題,融合窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),優(yōu)化太陽能電源管理,對(duì)丘陵地區(qū)茶葉種植區(qū)域土壤信息實(shí)時(shí)采集、分析,遠(yuǎn)程控制茶葉滅蟲裝置,有效預(yù)防茶葉病蟲害,設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明:系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定,遠(yuǎn)程操控反應(yīng)靈敏,整體運(yùn)行平穩(wěn),達(dá)到了預(yù)期目的,完成了窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有機(jī)融合,提高了丘陵地區(qū)太陽能使用效率,可為智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展提供參考價(jià)值。