基于物联网“数字茶园”系统的设计

唐晓艳,黄威荣

(1.贵州经贸职业技术学院,贵州 都匀 558022;2.贵州师范大学教育学院,贵州 贵阳 550025)

0 引言

茶产业是贵州省的重要特色农业产业之一,是围绕“四新”主攻“四化”的主导产业。通过调研茶叶生产环境对信息技术的需求现状,依托物联网技术,从贵州茶园的特点,建设一体化智能环境检测系统、智能灌溉控制系统,构建智慧茶园综合管理平台[1]。通过综合管理平台查看实时监测数据,经过系统数据比对和分析,实现智能远程监测和控制,同时,系统自动保存采集的数据信息,为茶园管理和茶树研究提供有效的技术支撑。除此之外,根据茶园规模和定位,打造除生产实施外集科研、旅游于一体的农业特色项目。

1 需求分析

茶园按规模可以分为大型茶园、中小型茶园。大型茶园拥有较高的知名度,特色鲜明,集生产、管理、科研、茶旅于一体;中小型茶园主要打造茶品牌的名片,以生产、管理、科研为主。为不同规模的茶园建设智慧茶园综合管理平台,使之能在农业物联网方面起到技术引领和示范作用,有着重大的现实意义。

1.1 茶园管理需求方面

传统茶园管理依靠主观经验判断,生产管理环节对劳动力的依赖程度较高,缺失智能化手段的茶园管理,使得对茶叶生产的质量控制困难,管理效率低下,已经不能满足现代化茶园发展的需求。

1.2 茶园科研需求方面

从当前茶树科研体系来看,茶树科研发展需要大量一线生产环境数据,依靠传统人力采集、处理和计算,各方面的成本相对较高,如何提高科研效率是构建智慧茶园综合管理平台需要充分考虑的重要因素之一。

1.3 茶旅融合需求方面

农业旅游是当前旅游新形式,把茶叶产区打造成乡村旅游景区,具有强大生机和广阔前景。以大型茶园为特色农业旅游产品,积极培育观光农业、休闲农业、农家乐旅游为一体的综合性农业发展方式,立足贵州茶文化特色基础展开茶农旅游,让茶旅成为贵州旅游产业化发展重要支撑。

2 “智慧茶园”系统总体设计

基于物联网“数字茶园”系统,主要由主控制器STM32单片机、显示器USART HMI串口显示屏、ZigBee无线通信模块、电源模块、节点数据采集器、温湿度传感器、土壤电导率传感器、土壤酸碱度传感器、光照传感器、微生物传感器、视频监控和外部执行器件-控制系统等构成[2],“数字茶园”系统总体结构如图1所示。

2.1 设计功能分析

a.生产管理方面需要物联网实现以下功能:建设智能环境监测系统,通过传感器采集茶园温湿度、土壤电导率、土壤酸碱度、光照和微生物传感器等信号,经系统数据分析,实现远程对茶树生长实时监控。建设智能灌溉控制系统,结合茶园气象和茶园土壤状况,实现自动化灌溉和远程控制。

b.茶叶科研方面需要物联网实现以下功能:农业物联网技术实现可视化远程诊断,通过PC端、手机端APP观察茶树生长、各节点温湿度、光照、土壤状况和茶树病虫害等信息。云端服务器为各个领域研究人员提供茶树生长的各项核心数据,采集和存储庞大的茶树生长数据信息,这是农业物联网系统建设的重要意义。

c.茶农旅游方面需要物联网实现以下功能:旅游观光人员通过物联网了解茶树的生长环境、生产过程、全景游览和产品采购等,让旅游观光人员近距离接触茶、认识茶、感受茶。

2.2 系统总体设计

本文主要基于ZigBee构建无线传感器网络,数据传感器实时采集茶树生长的环境信息,通过ZigBee、RS485、蓝牙、Wi-Fi等通信方式将其上传至终端控制器,由终端控制器对采集的数据进行初步处理和分类,将数据发送给云端服务存储,根据处理结果分析控制参数,达到对外部执行部件自动化控制的目的[3]。同时,系统可以记录茶园环境相关数据,茶产业基础数据库自动生成,为产生管理和科学研究提供一线真实的数据信息。摄像头将实时采集的图像信息由网络通信发送到云端服务存储,该内容可以通过前端大显示屏随时调取,用于动态展示系统运行的状态及茶树生长实时状态[4],节点控制器系统结构如图2所示。

图2 节点控制器系统结构

3 系统硬件设计

3.1 主控模块

“数字茶园”系统既需要采用网络通信协议(MQTT)方式与云端服务器通信,又需要采用无线通信(ZigBee)方式与节点数据采集控制器通信,完成各节点数据分析处理并下发控制指令,故对通信接口及处理速度能力有较高要求。设计中采用STM32F10RCT6单片机作为主控芯片,ZigBee无线通信模块将信号发送到主控芯片串口1,主控芯片处理的数据通过串口2传输到显示模块,主控芯片DMA通道采用网络通信协议(MQTT)方式与云端服务存储实现网络通信[5]。STM32F103的21个数字通信I/O口,每个I/O引脚都有特殊功能,满足系统的设计要求。

3.2 显示模块

本设计中需要显示各节点的环境数据,“数字茶园”选用USART HMI串口显示屏,支持通信协议、显示、存储和扩展等功能。USART HMI串口显示屏支持多种通信协议,可以与茶园各节点采集控制设备进行通信,实时直观显示采集的茶园环境数据或输出的控制信息。同时,主控模块具有一定的存储容量,可以保存采集到的茶园环境数据。

3.3 网络传输模块

ZigBee是一种可靠性高的无线传输网络协议,可以支持从几十米到几百米不等的传输距离,具有极好的扩展性。它是一个含有约6 500个传输模块的无线网络传输平台,在几百米的巨大网络范围内,数千个传感器之间相互协调传输通信,每个节点之间的距离可以从标准的75 m扩展到几百米甚至几公里[6]。具有简单、方便、可靠且造价便宜的优点。在数字茶园的设计中采用无线传输方式进行数据采集,可以根据茶园实际情况增加或者删除节点进行自由组网,既适用于大型茶园,又适用于中小型茶园。

3.4 数据采集模块

a.土壤电导率传感器。了解土壤的质量和营养状况,更好地管理和维护植物的生长环境,采用RK500-03土壤电导率传感器。RK500-03石墨电极探头,具有性能稳定、灵敏度高和适用范围广等特点[7]。该传感器结构简单,性能稳定,操作方便。

b.温湿度传感器。温湿度一体化传感器配以数字集成电路、微处理器芯片,温湿度传感器性能稳定、多重防护、安全可靠,通过云平台实时监控,支持温湿度超限报警,实现茶园灾害的自动预警,提前做好防御措施,减少茶园生产的损失[8]。

3.5 执行部件

执行器件--水泵是智能灌溉控制系统的重要组成部分,设计中云端服务存储根据各节点数据分析处理,反馈对应的控制指令给自动控制设备。控制设备根据收到的信号执行命令[9]。如:自动灌溉控制系统使用电磁继电器驱动水泵工作,继电器通过低电压控制高电压,控制水泵中断或连接。

4 系统软件设计

系统软件可以实现管理人员在触摸屏上输入汇聚节点的IP地址进入系统,茶园内的数据及图像可实时显示;以及分析比较实现数字茶园自动控制等功能。系统上电先对各功能部分初始化,包括终端控制器串口1、串口2及网络传输模块。系统自检完成后,通过ZigBee、RS485、蓝牙、Wi-Fi等通信方式将其上传至终端控制器,终端控制器接收到数据后经单片机进行初步处理并将数据发给云端服务器,云端服务存储接收到数据后进行比较,根据比较结果判断终端控制器是否执行命令[10]。整个系统工作流程如图3所示。

图3 系统工作流程

4.1 数据采集环节

单片机通过读取外部传感器(温湿度、土壤电导率、土壤酸碱度、光照、微生物传感器)数据,采用多次采集去掉最大最小值后计算平均的方法,且温度数据采集前后2次采集数据不应相差10℃以上,确保系统数据的可靠性。实现实时采集茶园内环境信息和视频及图像画面。

4.2 网络传输环节

以Web服务器作为信息处理中心,以互联网作为通信载体的数据采集监控系统,远程获取传感器、摄像头等设备采集的数据,设计时匹配一定的硬件和特定的通信协议。ZigBee具有很好扩展性,方便添加或删除节点数量,在节点数据采集中采用ZigBee组网。主控模块与云端通信则采用主流的网络通信协议MQTT方式,向MQTT服务器实时发送采集的数据,并订阅相关的控制服务。数据采集优势明显,集中管理、降低成本、稳定性高。

4.3 控制服务环节

茶园的数据采集设备均支持PC端、手机端APP,并能够将采集到的茶园环境信息实时返回到管理终端,作为茶园环境监控系统的终端云平台,收集所有监测系统上传的茶树情况,便于实时查看、下载和打印历史数据[11]。如:当监测到茶园的土壤湿度低于或高于预设值,系统通过自动控制或手动控制开启或关闭喷淋装置,保证土壤湿度符合茶树生长的要求。

5 系统整体测试

为了验证“数字茶园”系统的有效性,搭建智能控制电路进行实验,主控模块PA9/PA10串口1连接网络通信模块,各节点数据汇聚云端服务存储。主控模块PA1/PA2串口2连接无线传输模块ZigBee的TX/RX端,实现与节点数据采集器数据通信,节点数据采集器采集茶园环境数据,通过无线传输模块ZigBee发送到终端控制器并显示在HMI显示屏,节点数据采集器显示信息如表1所示。

表1 节点数据采集器信息表

茶园管理员通过HMI显示屏查看到各节点传感器采集到的温湿度数据,各节点及传感器正常工作。云端服务存储接收数据,完成各节点数据分析处理并下发控制指令,实现对控制机构手动或者自动控制。手动控制模式参数如表2所示,自动控制模式参数如表3所示,目标值设置为:温度=20.5℃,湿度=80%。在手动工作模式下,通过调节PID系数及对应该节点工作状态的开启与关闭来控制节点电机的工作,在自动工作模式下,由系统根据设置的目标数据自动控制,自动调节PID系数。经过大量的数据读取和控制操作,结果表明基于物联网“数字茶园”系统能够稳定的完成正常工作,满足茶园管理、科研、茶旅融合的需求,具有广泛的推广价值。

表2 手动控制模式参数

表3 自动控制模式参数

6 结束语

基于物联网“数字茶园”系统综合性较强,管理人员既可以通过信息终端实时查询茶园数据,又可以通过信息终端远程控制智能灌溉等设备。物联网系统的建设对茶园数据的采集、整理和分析为生产决策提供合理依据,提升茶叶产量与品质。除此之外,实现科学研究、茶旅融合协同发展,数字赋能茶产业,物联网智能化、自动化技术在茶园管理的应用推广,促进茶产业现代化的转型和升级。