基于Zigbee-Wifi技术的茶园自动化实时监控系统建设

党永超

(信阳市农业科学院， 河南 信阳 464000)

茶叶是我国重要特色农产品之一。目前我国茶叶面积和产量稳居世界第一，但茶园日常管理仍旧以人工模式为主，管理粗放、需要大量劳动力，费时、低效，技术手段较落后。极不适应现代农业产业化发展趋势。随着农业物联网技术的飞速发展，一些茶园开始引入基于无线传感器网络的管理系统，基本实现对土壤温度、湿度、肥力等因素监测。本研究设计了一个茶园实时监控系统，采用Zigbee网络和Wifi传输技术分别对土壤温湿度和茶树生长状况进行自动化无线监控，并为上位机设计了一个优秀的人机监控界面，方便茶园管理者进行实时监测和调控，便于茶园精准管理。

1 实时监控管理系统概述

1.1 系统功能分析

我国农业正面临着气候变化带来的虫害和疾病威胁等日益严峻的挑战。植物保护部门通常使用地面监测病害严重程度和害虫种群密度，以及基于气象的灾害预测。但是，它们不能满足科学防治对大面积地区病虫害发生发展的及时性和空间连续性信息的要求。遥感技术作为一种快速获取国家观测数据的方法，已经广泛应用于精细农业的研究领域，特别是农作物病虫害的光谱特征提取、栖息地监测、疫区和灾情预测。许多方法和算法在叶片水平、冠层水平和区域水平上被构建和验证，为全国农作物病虫害绘制提供了技术保障。此外，大量数据和人工智能的发展为大数据分析和信息挖掘提供了强有力的手段。因此，如何在一个智能系统中有效地收集多源数据和分析模型，提供时间序列的病虫害生境监测和国家级空间产品的早期预报是当前农业遥感研究的趋势。为了支持茶园病虫害可持续管理，我们引入并且开展了前沿研究，通过整合多源数据集合，如生态学、昆虫学、植物病理学、地球观测光学、气象学、生境监测和病虫害预测算法和模型、计算平台和自动化系统开发技术，提供国家级别的茶园病虫害的动态生境监测和早期预测信息。研究工作主要包括：

1) 根据病虫害的光谱响应机制和环境特征，构建病虫害生境监测和早期预测的敏感指标，并进行筛选，以促进病虫害的发生和发展;

2) 基于历史数据和优化方法，建立常见茶园病虫害预测模型，并对模型参数进行优化，同时进行验证;

3) 开发一个基于WebGIS平台的自动化系统，有效地收集数据集，通过模型，实现对病虫害生境的动态监测和发生发展信息预测;

4) 制作虫害/疾病专题地图，以显示国家一级的空间分布、受感染地区和破坏程度。

1.2 系统构建思路

在系统的实现过程中，基于多源数据和预测模型，开发了茶园病虫害生境监测与预测自动化系统，动态生成主题图，提供疫区和危害程度，为农业决策提供依据。

系统在符合Java平台企业版规范的数字地球科学平台上开发，构建一个三层浏览器/服务器(B/S)网络体系结构，包括数据层、应用层和客户端层。与C/S体系结构相比，B/S体系结构采用基于浏览器的解决方案，有效地降低系统维护和扩展的难度和成本。B/S架构的客户端不需要在自己的计算机上安装运行系统所需的软件，只需通过浏览器就可以访问网络服务器提供的系统服务。应用层或Web服务器是茶园病虫害监测预报系统的关键部分。该层主要负责从客户端层(Web浏览器)接收HTTP请求，然后选择相应的服务器来处理不同类型的请求。对于与地理信息显示相关的请求，它们将由Arc GIS Server处理，而对于与模型计算相关的请求，它们将通过构建SpringMVC框架由Tomcat服务器处理。应用层首先调用研究区的多源数据，包括地球观测数据、气象数据、生态数据、昆虫数据和植物病理数据，然后根据客户要求调用病虫害生境监测和发生预测模型，最后将病虫害预测专题图返回客户界面显示。客户端层或Web浏览器主要负责提供系统的用户界面，响应用户指令，完成用户交互的相关功能。客户层包括处理接口控件的响应和显示、作物病虫害生境监测和早期预测模型的选择，以及系统服务产品的显示，如病虫害动态预测专题地图。

总之，B/S体系结构系统的这三个层次是相互关联的。首先，客户端层收集用户请求并将它们传输到应用程序层。其次，应用程序层按照用户请求从数据层调用对应的数据和模型进行相关数据分析和处理，并将结果保存于数据层中。最后，应用程序层将用户请求响应反馈到客户端层。

病虫害监测系统涉及大量的多源数据。基于对数据传输效率的要求，选用SQL Server建立系统数据库，实现对多源数据和灾难空间服务产品的存储和管理。数据库引擎不仅为海量的多源数据和病虫害预测产品提供了安全可靠的存储功能，而且还提高了存储效率，改善了数据压缩性能。该系统的数据库包括空间数据库、属性数据库和网络前端相关文件。其中，空间数据库主要用于存储与空间分析和可视化相关的数据。属性数据库主要用于存储和管理与生境监测和作物病虫害早期预报有关的描述性数据。该系统使用网页访问，前端相关文件包括页面样式的CSS文件，功能设计JS文件，以及害虫/疾病产品JPG、PNG、TIF和PDF文件。考虑到数据存储和调用效率，系统将TIF文件存储在空间数据库中，其他前端相关文件以位置索引的形式存储在空间数据库中。

监测预报的自动化系统包括基本功能和应用功能。基本功能包括视图缩放、漫游、信息查询、操作帮助和其他相应的地图操作功能。应用功能包括研究区域选择、参数反演、病虫害生境监测和发生预测以及产品输出。该系统利用Arc GIS Server实现了地理数据的管理、制图、编辑以及地图服务的数据上传和调用。以病虫害预测专题地图的发布为例，首先在ArcMap中打开地图。然后对地图进行坐标处理、渲染和其他基本的图形操作，并通过互联网将地图发送到服务器，同时设置服务名称、总参数、最大和最小缓存比例。最后，利用python语言开发自动上传地图服务模式，提高系统的运行效率。对于上传的地图服务，用户可以通过地图控件中声明的互联网标准资源地址统一资源定位符来访问它，并以层叠的形式显示在系统的前端界面上。应用功能包括研究区选择、参数提取、病虫害生境监测、病虫害发生预测、灾害信息查询和产品输出六个模块。对于研究区域选择模块，为用户提供研究区域的选择和可用数据。该系统支持生境监测所需的PSRI、RVSI、NDVI、MSAVI和LST的计算和分析。在病虫害生境监测模块中，支持WRI、LI、温度、降水、风速和风向的计算和分析。对于灾害信息查询模块，支持在特定时间和特定地区对预测的疫区和病虫害危害程度进行查询和统计分析。并且，查询结果将以弹出框的形式出现在浏览器的右下角。如果这个区域中没有数据，将弹出一个没有数据信息的提示框。产品输出模块包括病虫害专题地图，支持地图显示、缩放、存储等操作。为了提高模型计算效率，在springMVC框架下，利用Java语言在线计算模型。对于SpringMVC框架，它主要由五部分组成，即分派器servlet、处理程序映射、处理程序适配器、处理程序和视图解析器。编写了两个XML文件，一个用于配置分派器servlet和地址访问，另一个用于配置处理程序映射、处理程序适配器、处理程序和视图解析器。需要注意的是，应该相应地使用处理程序映射和处理程序适配器，同时应该导入Spring框架和Java调用Interactive数据语言到项目所需的javaidlb.jar包。模型的调用和计算包括以下步骤。首先，编译后的模型用作处理程序，由处理程序适配器根据来自dispatcherservlet的指令执行。然后处理程序通过运行相应的程序来处理模型和数据，并将处理结果返回给dispatcherservlet。最后视图解析器将处理结果转换为实际视图名称，通过视图地址访问结果，提高模型的计算效率。

2 茶园自动化实时监控管理系统设计

2.1 Zigbee技术分析

ZigBee-Wifi网关模块从终端节点上拆卸IEEE 802.15.4的物理帧，从应用层提取温度和湿度数据，接着以“at”指令的形式将温湿度数据发送给ESP 8266 Wifi模块，实现异构网络间协议数据单元的转换。具体步骤如下:

1) 初始化协议栈。协调节点程序不断查询任务列表。当数据进入时，调用osal_msg_receive()数据接收函数接收数据包。

2) 确定接收到的数据ID是否为af_incoming_msg_cmd，如果是，处理相应的数据，并根据数据包格式解析温度、湿度数据。

3) 解析后的数据包通过串口转发到Wifi模块。使用AT指令配置Wifi模块。

2.2 茶园自动化实时监控管理系统构建

茶园监控系统主要由参数采集模块(包括土壤温湿度传感器和Wifi摄像机)、无线通信模块(ST-MW-09S无线通信模块、协调器CC 2530和路由器CC 2530)、终端设备控制单元(终端设备CC 2530)、灌溉施肥设备和上位机组成,该系统的工作原理如下:

1) 参数采集模块实时采集茶园土壤温湿度和相应图像，并通过终端设备、路由器和协调器将土壤温湿度数据传输到上位机。

2) 上位机对采集到的数据进行分析处理，如果参数值超过正常值范围，将发出报警;将茶园的图像显示在上位机的人机界面上;

3) 上位机的控制命令通过协调器CC 2530和路由器CC 2530发送到终端设备CC 2530，控制灌溉施肥设备的灌溉动作。

在进行数据采集的过程中，温度、湿度数据和相对应的茶园图像分别通过CC 2530和Zigbee模块组成的无线通信网络和ST-MW-09S无线通信模块发送的Wifi信号传输到上位机。Zigbee无线网络还负责将控制命令从上位机传送到终端设备CC 2530，以控制灌溉和施肥设备。温湿度采集土壤传感器采用数字温湿度传感器SHT 11。采集的数据被传输到终端设备CC 2530，然后通过Zigbee无线网络传输到上位机。茶园图像采集系统采用CS-R 5110无线高清网络摄像机，由镜头、图像传感器、声学传感器和编码器组成，与有线摄像机相比，避免了复杂布线的缺点。系统利用内置的数字压缩控制器对视频数据进行压缩和加密，并通过Wifi无线网络传输到上位机的人机交互界面。ZigBee传输技术由路由器CC 2530(Router)、协调器CC 2530(Coordinator)和终端设备CC 2530(EndDevice)组成。协调器CC 2530通过USB串行口将接收到的数据传输到上位机并显示在人机监控接口上。上位机对温、湿度参数进行分析，并将控制指令信息发送给协调器，协调器通过ZigBee无线网络将控制指令发送给终端设备节点，从而实现对茶园温湿度数据的无线采集和控制。

系统上位机的展示区包括温度、湿度、视频图像和报警信息，从协调器CC 2530接收到的土壤温度和湿度值以数值和动态图形两种方式显示，使用户可以直接实时查看茶园的土壤参数;茶园图像是以视频形式反映茶园的立地条件，使茶农能够准确了解茶树的生长状况;系统采集到一定数量时，报警信息以指示器和表格的形式显示。该功能区包括湿度、肥水灌溉、清水灌溉和人工灌溉模式的上下限设置;根据自身经验，茶农可以设计适合茶树生长的湿度上下限;必要时，茶农可以通过上位机发送控制指令进行茶树肥水灌溉或淡水灌溉;茶园分为多个区域，每个区域对应安装一个传感器节点，由两个SHT 11温湿度传感器组成，根据每个传感器节点实测的数据对茶园子区域进行无线监测和管理。上位机的控制命令主要基于土壤水分和茶树图像信息进行设计。

2.3 系统评估

本文设计了一个面积为60 m2的茶园自动化无线监控系统，该茶园平均分为两个区域，每个区域配备3个sht 11温湿度传感器。肥水比例装置被设计成长60 cm，宽30 cm，高120 cm，在人工灌溉模式下，茶园土壤的初始湿度为42%，湿度上限设置为70%，在这种模式下，有四个按钮，包括所有区域、区域1、区域2和停止。上位机向终端设备CC 2530发送滴灌控制命令;当传感器获得的湿度高于设定的湿度上限70%时，报警系统的上限灯亮;手动按下停止按钮时，上位机向终端设备CC 2530发送停止指令，终止相应区域的滴灌。

对于肥水灌溉，滴灌和排水时间分别设置为60 s和30 s。当到达设定时间点时，上位机根据三种不同情况自动发出指令进行滴灌施肥:指令“m”表示各地区施肥，指令“e”表示1地区施肥，指令“f”表示2地区施肥;指令到达时间点时，上位机自动发出停止指令终止相应地区的滴灌。对于淡水灌溉，湿度下限设置为35%，上限设置为70%。当传感器获得的湿度连续三次低于设定下限时，上位机自动发送滴灌命令执行相应区域的滴灌;当传感器获得的湿度连续三次高于设定上限时，上位机自动发送停止命令终止相应区域的滴灌。

人工灌溉模式和清水灌溉模式的试验结果显示：在湿度达到设定值之前需要人工灌溉3 min;根据系统的几次试验，在按下肥水灌溉按钮或达到肥水滴灌设定时间点之后，灌溉施肥装置工作;在湿度达到设定值之前需要淡水灌溉5 min。手动开关窗口可用于检查茶树生长和茶园病虫害情况。这表明该系统具有很强的无线监控能力。

3 小 结

本研究设计的茶园自动化监控管理系统提供了茶园温度、湿度、病虫害的无线监测，并可在上位机的Labview监测界面上实时显示。自行设计的灌溉施肥装置结构简单，易于控制，提高了灌溉效率。该系统能够自动检测环境参数进行分析处理，并根据检测结果自动调节和控制，能够及时为茶园提供水分和养分，显著提高效率。病虫害的实时监测预报对于茶园日常管理和环境保护具有重要意义。为了实现动态生境监测和病虫害发生预测，该自动化系统可以有效地收集多源数据、灾害监测和预测模型和算法以及专题地图。该系统综合运用了互联网、遥感、GIS等技术，构建了高内聚、低耦合的多功能模块，有助于有效地计算病虫害生境监测和早期预测所需的模型，减少数据储存和系统计算的费用。目前我国农业正面临着日益严峻病虫草害的威胁和对土壤环境保护的迫切需要。

本系统作为一种快速获取观测数据的方法，无论应用于水稻、小麦、玉米、高粱等主要农作物，还是用于油菜、花生、油茶、花卉等优质精细化农业管理中均能够有效地收集数据集，建立分析模型，为决策者和管理人员提供时间序列的温湿度、病虫害生境监测早期预报，并通过模型，实现对病虫害生境的动态监测和发生信息预测，方便农业管理者进行实时调控，极大降低了无效人力物力投入，减少对土壤环境的压力，同时提高大田管理的准确度、精确度，便于农田标准化管理，提高农业现代化管理水平，应用前景光明。