基于物联网技术的智慧茶园控制技术

冷波

【摘要】 本文通过构建基于物联网技术的智慧茶园控制系统，解决传统茶叶种植行业的灌溉、施肥、除虫以及收割等盲目性，实现茶叶种植的精细管理。提出了构建专家系统，对Zigbee网络采集来的温湿度、土壤温湿度及PH值、光照度等物理量进行数据挖掘，并辅以视频监测，对茶叶种植的各项工作进行适时提醒。

【关键词】 物联网 zigbee 茶叶种植

茶叶品质受光照、昼夜温差、土壤温湿度等条件的影响，优质茶叶对外界环境要求较高。大规模茶叶种植和管理，需要投入大量的人力和财力，优质茶园的管理非常困难。物联网技术是互联网之后的又一大科技产业革命，很快就在社会各个领域获得广泛应用。从“感知中国”，两会工作报告中物联网，再到《“十二五”物联网发展规划》，现在的健康发展指导意见，一直是国家政府和资本市场关注的焦点。物联网特别是Zibgee无线通信技术的已经比较完善，出现了许多像智能家居、智慧城市、智能电网等热点研究领域。Zibgee无线通信技术为精准农业、智慧茶园成为可能，并将会得到广泛推广。

一、茶叶种植物联网应用分析

茶叶作为传统农业之一，伴随着物联网技术的兴起，将会改变现有茶叶种植、生产经营管理方式，提升茶叶的品质。通过物联网智慧茶园的应用，可实现传统茶园向现代化茶园的转变、有效提高茶园综合生产能力、强化茶叶质量安全管理、提高茶叶质量安全水平、以及提高茶叶产业化程度。

物联网在茶园管理中有潜在的广泛应用。从茶叶生产不同的阶段来看，无论是从种植的培育阶段到收获阶段，从产品的生长到产品的销售，都可以用物联网的技术来提高它的品质和精细管理。例如：（1）在茶叶种植之前，可以对茶园的环境情况进行分析，温湿度、土壤成分进行传感器检测，来选取合适品种的茶叶。调用茶叶种植的信息及一些专家数据材料，制定茶叶种植计划。还可以根据土壤信息，进行合理的改善，例如调节土壤的PH值，为茶叶种植进行准备。（2）在茶叶生长过程中，物联网终端节点实时采集节点处的温湿度、照度、土壤湿度、PH值等信息，并通过远距离摄像头观看茶叶的状态，土壤的干湿，大大减少了传感器错误信息。根据往年茶叶种植信息形成的专家系统，建立各节点处茶叶生长信息库，可及时发出病虫害、及时灌水等警告信息，提前做好病虫害的防疫等工作，保证茶叶在最佳的环境中成长，避免茶叶病虫害的大面积爆发。（3）在茶叶的收获阶段，通过之前收集的信息，分析茶叶的品质，成长程度，进行收获阶段更为精准的测算，并可以包装、销售等信息的跟踪。

二、物联网控制系统构建

以物联网技术为基础，构建智慧茶园控制管理系统。由物联网的终端节点进行茶叶生长过程中的温湿度、照度、土壤湿度、PH值等环境因素的实时测量，对茶叶的生长过程进行监控，通过Zigbee网络传输到网关，并通过网络传输链路传输到数据处理中心，进行数据分类存储，建立茶叶生长信息库。通过之前建立的并且不断反馈修正的茶叶生长专家库，进行灌溉、施肥、喷药等一系列操作，可以实现病虫害、灌溉、茶叶采摘等信息提醒。形成了终端节点分散收集数据信息，数据处理中心集中管理的两级分布式控制网络。

基于物联网技术的智慧茶园控制系统主要由数据处理中心、数据传输网络和终端设备三部分组成，如图1所示。

1、服务平台主要包括数据处理中心、存储服务器，WEB服务器，专家可完成对茶叶各项指标的分析，还可以切换选择远程视频；茶农可以实时掌握茶园内的环境量数据，得到合理的种植提醒。

2、数据传输有线传输可采用ADSL、光纤和Internet，也可以采用无线传输3G、WLAN等方式。

3、前端设备：茶园信息采集器及传感设备。茶园信息采集主要通过传感器信息采集与监测、实时图像与视频监控两种方式。（1）传感器监测系统：根据无线网络（包括）获取的茶树实时的生长环境信息，如监测茶叶生长相关的温湿度、光照强度、CO2浓度、土壤温湿度、土壤PH 值等参数。传感器系统而且还能将收集各节点发来的数据，进行环境信息的数据积累和挖掘，以及分类存储。 （2）实时图像与视频监控系统：智慧茶园是想通过多维信息与多层次处理实现茶树的最佳生长环境调理及施肥管理。但是仅仅茶叶的各种数据并不能完全表征茶叶最佳生长条件，视频与图像监控提供了更直观的表达方式。视频和图像能直观地呈现当前茶叶的状态，茶农可以直观的观测到一些有用的信息，茶叶的长势、茶叶的颜色等等。茶园管理者可以不受地域限制，通过互联网，使用各类通信终端就可以即时观看茶园喷灌、采摘、护理等生产情况的现场图像，以便掌握茶叶生产的详细情况，因此不必再到茶园现场对每个生产环节进行现场管理。

三、主要物联网传感器的选择

1、温湿度监测，如图2所示。

温湿度环境是茶叶健康生长最为重要的条件之一。在本系统中采用采用2.4G Zigbee协议的无线温度湿度传感器JZH-101，这种无线传感器，抗干扰能力强，可设有65535个网络ID，组网能力强，采集与传输信息于一体。无线温湿度传感器可实时检测茶园该节点对应的温湿度，数据信息通过无线Zigbee技术，自动上传到智慧茶园数据处理中心的数据库中。

2、光照强度监测，如图3所示。

采用昆仑海岸的ZD-6型照度传感器，采用了高灵敏度的光敏元件，光照度测量区间大、多种输出形式、易使用、安装方便、可长距离传输等特点。无线光照传感器能实施监测该节点处光照的强度，根据专家系统中光照强度的数值，进行照明系统、遮光系统的动作，实现光照强度的补偿，达到最优的生长环境。

3、土壤监测，如图4所示。

土壤是茶叶生长、吸收养分和水分的载体。茶叶适合疏松通气排水、具有一定保水和保肥能力的土壤。茶叶对土壤酸碱度要求比较高，适宜种茶的土壤pH值为4.5-5.5，酸性土壤为茶叶生长提供适应条件，为茶树根部提供理想的环境。但是当土表裸露且严重酸化时，应该进行酸碱中和，土壤会影响着茶树对营养物质的吸收。

本系统通过传感器和图像资料获得茶叶的环境信息、生长特征等信息。当土壤水分、PH值等因素超出作为适宜生长的范围时，向茶园管理员进行预警，提醒进行灌溉、喷肥，或者采取别的措施，保证茶叶有一个舒适的生长环境，从而提升产量、改善茶叶品质。

四、智慧茶园自动灌溉及施肥系统

自动灌溉系统大大减少了茶园劳作。采用昆仑海岸的300PH-2无线电磁阀，能够实现较大面积灌溉系统的自动化。根据土壤水分含量的检测，分析茶叶需水要求，编写不同的灌溉程序，进行自动灌溉。有线灌溉系统对于大面积灌溉来说，成本太高，而且维护麻烦，扩展也很困难。为了避免这些缺点，我们采用了无线电磁阀通断的无线灌溉系统，实现茶园灌溉的自动控制，又大大节约了灌溉用水，如图5所示。

进行施肥改革，建立施肥专家系统，在进行土壤营养成分分析后，自动制定施肥计划，适时施以农家肥和科学合理使用配方施肥相结合，提高土壤营养成分。另外还会将肥料融入水中，通过微灌溉的方式，把肥料融入到茶园土壤。

五、智慧茶园Zigbee软硬件设计

1、智慧茶园Zigbee网络中硬件设计，如图6所示。

智慧茶园各节点采用的是CC2430芯片，芯片是Zigbee网络技术中非常典型的芯片，包括微处理器、收发器、128KB存储器、8路输入8～14位ADC，具有强大的开发功能。在每个节点处，可增加液晶显示和功能键等外围的设备，供电可由电池提供。

2、智慧茶园物联网Zigbee无线通信软件设计

首先由一个FFD（全功能设备），建立一个新网络，该节点成为Zigbee网络中的网络协调器，如图7所示。

然后其他终端设备（如FFD、RFD、以及无线温湿度传感器等设备）被激活，在允许范围内搜索可用的网络协调器，获得短地址后，加入到网络中。将节点与网络协调器绑定后，就可以进行数据通信，如图8所示。

六、项目展望

物联网具有广阔的发展前景，将物联网应用在茶叶的生产管理，实现精细管理，也是茶园种植的大势所趋。面对日益激烈的市场竞争，面对茶叶生产在资金、管理和人才方面资源匮乏的劣势威胁，发展智慧茶园，才能提升茶叶的质量和竞争力，而且大大解放茶叶管理者、生产者的劳动。物联网智慧茶园的推广也促使茶叶生产结构在转变，由小规模的茶农生产，将逐渐过渡到大面积智慧茶园生产。