林科業(yè)

（韓山師范學院 物理與電子工程學院，廣東 潮州 521041）

0 引 言

我國茶葉種植歷史悠久，茶園面積和產(chǎn)量居世界第一，茶葉已經(jīng)成為山區(qū)重要的經(jīng)濟作物，茶產(chǎn)業(yè)也成為某些山區(qū)縣的重要經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)[1]。當前我國茶葉種植主要以粗放型傳統(tǒng)種植為主，傳統(tǒng)種植與管理方法主要依靠個人經(jīng)驗，對氣候、環(huán)境以及相關(guān)變化因素的把握存在一定的局限性，不利于茶葉種植效率的提升，也使得茶葉質(zhì)量缺乏保障[2]。傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)種植模式難以形成機械化規(guī)模，嚴重制約了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

AI技術(shù)近年來飛速發(fā)展，許多發(fā)達國家已經(jīng)把智慧農(nóng)業(yè)引用到了主要農(nóng)作物和蔬菜領(lǐng)域，如：美國智慧農(nóng)業(yè)融合了發(fā)達的農(nóng)業(yè)科技服務體系，在美國中西部地區(qū)，智慧農(nóng)業(yè)主要應用于甜菜、玉米和大豆等作物的種植[3-5]。荷蘭等國家采用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，使設施蔬菜平均年產(chǎn)量達到每畝5萬千克[6]。

我國目前將人工智能應用到茶葉種植的案例還比較少，而茶葉種植及生產(chǎn)過程的影響因素主要有土壤、氣候條件以及地形[7-9]。在茶葉種植及生產(chǎn)過程中，AI技術(shù)的應用能夠幫助工作人員及時發(fā)現(xiàn)問題，明確問題原因，有助于提前做好預防措施，有效避免茶葉生長受到影響[10]。實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)，將人工智能應用到茶葉種植領(lǐng)域以提高生產(chǎn)質(zhì)量很有必要。因此，本項目運用嵌入式系統(tǒng)和云平臺搭建茶葉種植環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集人工智能所需相關(guān)數(shù)據(jù)，為智能化技術(shù)的應用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本項目數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由硬件電路、高清攝像頭采集模塊以及OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺組成。硬件電路主要用來采集茶葉的生長環(huán)境因素，包括環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、光照強度、土壤酸堿度，以及土壤氮磷鉀元素含量。硬件電路通過各傳感器模塊將采集的茶葉生長環(huán)境因素數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，再通過無線收發(fā)模塊發(fā)送給路由中繼器。項目采用的高清攝像頭可以直接連接路由器，通過WiFi進行圖片采集。OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺收集發(fā)送來的茶葉生長環(huán)境數(shù)據(jù)和圖片，進行可視化顯示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要進行高清圖片采集，為后續(xù)茶葉病蟲害識別等提供豐富的圖片數(shù)據(jù)。但由于圖片為實時采集，因此對無線傳輸要求比較高。本項目采用路由器，通過WiFi傳輸，能夠很好解決傳輸數(shù)據(jù)量大的問題。對于傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)，通過路由中繼器可以延長WiFi模塊數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x。傳感器模塊采用RS 485串口傳輸，便于傳感器的擴展，同時還可采集不同的環(huán)境因素。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設計

嵌入式系統(tǒng)主要通過設計硬件電路實現(xiàn)。在硬件電路的設計過程中，需要考慮不同電路模塊的工作電壓；傳感器模塊需要12 V的直流電壓供電；MCU控制模塊采用性價比較高的STM32F103C8T6芯片，其工作電壓為3.3 V；無線通信模塊為ESP-01，其工作電壓可以采用3.3 V和5 V電壓，在本項目設計中選用3.3 V電壓供電。綜合考慮，在電源模塊設計中，采用12 V直流電源，再通過穩(wěn)壓芯片將電壓穩(wěn)壓在3.3 V，提供不同的工作電壓。在穩(wěn)壓設計中，主要解決了電源發(fā)熱和長期工作穩(wěn)定性的問題。

無線模塊主要負責與云端進行數(shù)據(jù)的上傳和接收，考慮到選用高清攝像頭進行圖片采集并連接WiFi網(wǎng)絡，同時考慮到WiFi網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸具有速率高、傳輸容量大、擴展性強等特點，故選擇了性價比較高的ESP-01模塊。ESP-01模塊通過串口與STM32F103C8T6通信，通過AT指令進行數(shù)據(jù)的傳輸交互。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在設計時考慮到需要進行多種茶葉種植環(huán)境變量的采集，因此需要用到不同的傳感器設備。從擴展性和電路維護等方面考慮，各類傳感器與STM32F103C8T6之間的數(shù)據(jù)傳輸主要通過串口RS 485通信。各傳感器模塊直接連接到RS 485的差分線上，便于后續(xù)傳感器的擴展。

電路設計了指示燈電路，通過不同的指示燈來識別電路是否正常工作，WiFi模塊是否正常連接，云端是否正常進行數(shù)據(jù)交互，便于電路調(diào)試和維護。

此外，硬件電路的設計采用8 MHz的外部晶振電路給STM32F103C8T6提供外部時鐘；復位電路采用按鍵控制；USB連接STM32F103C8T6串行接口，通過SWD下載程序。具體的硬件電路設計框圖如圖2所示。

圖2 硬件電路設計

4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設計

茶葉種植數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的程序設計主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)上報模塊組成，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序設計示意圖

數(shù)據(jù)采集模塊通過嵌入式系統(tǒng)的硬件電路采集環(huán)境數(shù)據(jù)信息。由于環(huán)境信息隨時間變化不大，在本項目的實際開發(fā)應用中，每隔20 min通過問詢的方式采集一次數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)包括環(huán)境溫度、濕度、光照、土壤濕度、土壤氮磷鉀元素含量，以及土壤酸堿度等。STM32F103C8T6通過RS 485串口采集的數(shù)據(jù)，由于傳感器不同，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)存在不同的格式，需要對數(shù)據(jù)進行校驗。在軟件開發(fā)過程中，數(shù)據(jù)校驗主要包括數(shù)據(jù)地址校驗、數(shù)據(jù)長度校驗、CRC校驗。最后經(jīng)過回傳數(shù)據(jù)的校驗，確保數(shù)據(jù)的準確性。

信息處理模塊主要針對回傳校驗后的信息進行數(shù)據(jù)分割和歸一化處理。由于回傳后的數(shù)據(jù)包含不同的數(shù)據(jù)內(nèi)容，需要進行數(shù)據(jù)分割提取有用的數(shù)據(jù)信息?；貍骱蟮臄?shù)據(jù)經(jīng)過提取獲得的信息可能存在不同的數(shù)值范圍，為了能夠正確顯示，在程序設計中需對數(shù)據(jù)進行歸一化操作。

數(shù)據(jù)上報模塊實現(xiàn)環(huán)境信息的上報。程序設計主要有WiFi的連接以及OneNET數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。WiFi能否連接成功，可以通過硬件電路的LED燈指示。上傳數(shù)據(jù)是否正確，可以通過ESP-01將錯誤信息上報到OneNET云端顯示。OneNET云端顯示界面通過上報信息，在現(xiàn)場調(diào)試和維護中能夠迅速定位故障所在。

5 試驗驗證

在實驗測試階段，數(shù)據(jù)采集時間設置為4 min；每隔4 min嵌入式系統(tǒng)向OneNET平臺發(fā)送數(shù)據(jù)。圖4所示為實驗測試階段采集的部分環(huán)境濕度數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)顯示，該系統(tǒng)能夠正常采集環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖4 OneNET采集的環(huán)境濕度數(shù)據(jù)部分顯示

6 結(jié) 語

茶葉種植系統(tǒng)目前已經(jīng)實地部署一年多，具有較高的數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定性。圖5所示為嵌入式系統(tǒng)的硬件電路板，圖6所示為基于?？低晹z像頭采集的茶葉圖片。本項目設計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，為后續(xù)人工智能研究工作的順利開展提供數(shù)據(jù)支撐。

圖5 數(shù)據(jù)采集電路控制板

圖6 ?？低晹z像頭采集茶葉圖片