茶叶种植环境大数据采集平台

2023-03-06林科业

物联网技术 2023年2期

林科业

（韩山师范学院物理与电子工程学院，广东潮州 521041）

0 引言

我国茶叶种植历史悠久，茶园面积和产量居世界第一，茶叶已经成为山区重要的经济作物，茶产业也成为某些山区县的重要经济支柱产业[1]。当前我国茶叶种植主要以粗放型传统种植为主，传统种植与管理方法主要依靠个人经验，对气候、环境以及相关变化因素的把握存在一定的局限性，不利于茶叶种植效率的提升，也使得茶叶质量缺乏保障[2]。传统产业种植模式难以形成机械化规模，严重制约了产业化发展。

AI技术近年来飞速发展，许多发达国家已经把智慧农业引用到了主要农作物和蔬菜领域，如：美国智慧农业融合了发达的农业科技服务体系，在美国中西部地区，智慧农业主要应用于甜菜、玉米和大豆等作物的种植[3-5]。荷兰等国家采用物联网相关技术，使设施蔬菜平均年产量达到每亩5万千克[6]。

我国目前将人工智能应用到茶叶种植的案例还比较少，而茶叶种植及生产过程的影响因素主要有土壤、气候条件以及地形[7-9]。在茶叶种植及生产过程中，AI技术的应用能够帮助工作人员及时发现问题，明确问题原因，有助于提前做好预防措施，有效避免茶叶生长受到影响[10]。实现智慧农业，将人工智能应用到茶叶种植领域以提高生产质量很有必要。因此，本项目运用嵌入式系统和云平台搭建茶叶种植环境数据采集系统，采集人工智能所需相关数据，为智能化技术的应用提供数据支撑。

1 数据采集系统

本项目数据采集系统主要由硬件电路、高清摄像头采集模块以及OneNET物联网平台组成。硬件电路主要用来采集茶叶的生长环境因素，包括环境温度、环境湿度、光照强度、土壤酸碱度，以及土壤氮磷钾元素含量。硬件电路通过各传感器模块将采集的茶叶生长环境因素数据经过处理后，再通过无线收发模块发送给路由中继器。项目采用的高清摄像头可以直接连接路由器，通过WiFi进行图片采集。OneNET物联网平台收集发送来的茶叶生长环境数据和图片，进行可视化显示。数据采集系统框图如图1所示。

图1 数据采集系统框图

2 数据采集系统关键技术

数据采集系统需要进行高清图片采集，为后续茶叶病虫害识别等提供丰富的图片数据。但由于图片为实时采集，因此对无线传输要求比较高。本项目采用路由器，通过WiFi传输，能够很好解决传输数据量大的问题。对于传感器模块采集的数据，通过路由中继器可以延长WiFi模块数据传输的距离。传感器模块采用RS 485串口传输，便于传感器的扩展，同时还可采集不同的环境因素。

3 数据采集系统硬件设计

嵌入式系统主要通过设计硬件电路实现。在硬件电路的设计过程中，需要考虑不同电路模块的工作电压；传感器模块需要12 V的直流电压供电；MCU控制模块采用性价比较高的STM32F103C8T6芯片，其工作电压为3.3 V；无线通信模块为ESP-01，其工作电压可以采用3.3 V和5 V电压，在本项目设计中选用3.3 V电压供电。综合考虑，在电源模块设计中，采用12 V直流电源，再通过稳压芯片将电压稳压在3.3 V，提供不同的工作电压。在稳压设计中，主要解决了电源发热和长期工作稳定性的问题。

无线模块主要负责与云端进行数据的上传和接收，考虑到选用高清摄像头进行图片采集并连接WiFi网络，同时考虑到WiFi网络数据传输具有速率高、传输容量大、扩展性强等特点，故选择了性价比较高的ESP-01模块。ESP-01模块通过串口与STM32F103C8T6通信，通过AT指令进行数据的传输交互。

数据采集系统在设计时考虑到需要进行多种茶叶种植环境变量的采集，因此需要用到不同的传感器设备。从扩展性和电路维护等方面考虑，各类传感器与STM32F103C8T6之间的数据传输主要通过串口RS 485通信。各传感器模块直接连接到RS 485的差分线上，便于后续传感器的扩展。

电路设计了指示灯电路，通过不同的指示灯来识别电路是否正常工作，WiFi模块是否正常连接，云端是否正常进行数据交互，便于电路调试和维护。

此外，硬件电路的设计采用8 MHz的外部晶振电路给STM32F103C8T6提供外部时钟；复位电路采用按键控制；USB连接STM32F103C8T6串行接口，通过SWD下载程序。具体的硬件电路设计框图如图2所示。

图2 硬件电路设计

4 数据采集系统软件设计

茶叶种植数据采集系统的程序设计主要由数据采集模块、数据处理模块、数据上报模块组成，如图3所示。

图3 数据采集系统程序设计示意图

数据采集模块通过嵌入式系统的硬件电路采集环境数据信息。由于环境信息随时间变化不大，在本项目的实际开发应用中，每隔20 min通过问询的方式采集一次数据。采集的数据包括环境温度、湿度、光照、土壤湿度、土壤氮磷钾元素含量，以及土壤酸碱度等。STM32F103C8T6通过RS 485串口采集的数据，由于传感器不同，传输的数据存在不同的格式，需要对数据进行校验。在软件开发过程中，数据校验主要包括数据地址校验、数据长度校验、CRC校验。最后经过回传数据的校验，确保数据的准确性。

信息处理模块主要针对回传校验后的信息进行数据分割和归一化处理。由于回传后的数据包含不同的数据内容，需要进行数据分割提取有用的数据信息。回传后的数据经过提取获得的信息可能存在不同的数值范围，为了能够正确显示，在程序设计中需对数据进行归一化操作。

数据上报模块实现环境信息的上报。程序设计主要有WiFi的连接以及OneNET数据的发送与接收。WiFi能否连接成功，可以通过硬件电路的LED灯指示。上传数据是否正确，可以通过ESP-01将错误信息上报到OneNET云端显示。OneNET云端显示界面通过上报信息，在现场调试和维护中能够迅速定位故障所在。