摘 要：為實現(xiàn)對山地茶園茶葉病蟲害的遠程監(jiān)測，設(shè)計了一款基于OneNET云平臺的在線遠程監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用STM32F407作為主控芯片，通過高清CMOS攝像頭、衛(wèi)星定位模塊、光照度和溫濕度傳感器等，將采集的葉片圖像信息、位置信息以及茶園環(huán)境信息等，按照MQTT協(xié)議封裝為Publish報文，經(jīng)4G通信模塊EC20發(fā)送至OneNET云平臺進行數(shù)據(jù)分析和存儲，用戶可以通過PC端和移動端進行實時查看和歷史回溯。經(jīng)現(xiàn)場實驗，該系統(tǒng)具有高實時性、準確性和可靠性等優(yōu)點，不僅減輕了病蟲害對茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，還有效降低了茶園的管護成本，為安康地區(qū)茶產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展提供了有力的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：OneNET；MQTT；4G通信；茶園病蟲害；STM32；遠程監(jiān)測

中圖分類號：TP39；TN876.3 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）06-00-06

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2025.06.003

0 引 言

茶葉生長過程中受到包括土壤成分、溫濕度、光照、施肥和病蟲害防治等多種因素的影響，若土壤成分、溫濕度、光照等出現(xiàn)問題，會嚴重威脅茶葉的健康生長[1]。這其中，茶葉病蟲害防治尤為重要，及早發(fā)現(xiàn)病蟲害發(fā)生的位置和程度，是解決這一問題的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的茶葉病蟲害監(jiān)測主要以人工巡視為主，成本高且效率低下，往往無法精確掌控具體情況，若防治不及時可能引發(fā)一系列問題，嚴重影響茶葉的產(chǎn)量和品質(zhì)[2-3]。

隨著移動通信技術(shù)的不斷發(fā)展，本文提出了一種基于OneNET云平臺的茶園病蟲害遠程監(jiān)測系統(tǒng)。通過準確、實時的數(shù)據(jù)采集和遠程監(jiān)測，茶葉種植者可以更好地掌握茶葉生長環(huán)境和病蟲害情況，及時采取措施保障茶葉健康生長。該系統(tǒng)利用傳感器采集茶園環(huán)境數(shù)據(jù)，利用高清攝像頭定期采集茶葉葉片病蟲害信息，利用衛(wèi)星定位模塊采集監(jiān)測點位置信息，通過4G通信技術(shù)將數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器，實現(xiàn)對茶園病蟲害信息的實時監(jiān)測和預(yù)警。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

本項目研究旨在設(shè)計一種基于OneNET云平臺的茶園病蟲害遠程監(jiān)測系統(tǒng)，以實現(xiàn)對茶園環(huán)境、地理位置和葉片病蟲害情況的實時監(jiān)測。該系統(tǒng)采用傳感器、計算機測控和移動通信技術(shù)，結(jié)合云平臺的數(shù)據(jù)處理和分析能力，實現(xiàn)了對茶園環(huán)境參數(shù)（如溫度、濕度、光照等）和病蟲害指標（如病害類型、嚴重程度等）的準確監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸。通過OneNET平臺，用戶可以遠程查看茶園的實時數(shù)據(jù)、接收預(yù)警信息，為茶園管理者的決策提供有效的數(shù)據(jù)支持。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要包含微控制器模塊、環(huán)境信息感知模塊、顯示模塊、衛(wèi)星定位模塊、無線通信模塊、電源模塊、云平臺、遠程監(jiān)測中心。

微控制器作為中央控制單元，配備高性能處理器和多種接口，可實現(xiàn)對信息感知模塊和顯示模塊的精確控制。通過與信息感知模塊和攝像頭模塊的連接，獲取茶園的環(huán)境信息（如溫濕度、光照強度）和葉片圖像信息，以便將檢測結(jié)果發(fā)送至云平臺進行進一步處理和存儲[4]。

環(huán)境信息感知是茶園病蟲害監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，它包括溫/濕度檢測模塊、光照強度檢測模塊以及CMOS攝像頭模塊。溫濕度檢測模塊能夠?qū)崟r監(jiān)測茶園環(huán)境溫度和濕度變化，為研究病蟲害發(fā)生規(guī)律與環(huán)境的關(guān)系提供數(shù)據(jù)參考。光照強度檢測模塊通過光敏元件感知茶園現(xiàn)場的光照情況，收集茶樹生長的光照條件信息。攝像頭模塊是茶園病蟲害監(jiān)測系統(tǒng)的核心，通過高清攝像頭采集茶園的葉片圖像數(shù)據(jù)，以便后期通過圖像識別算法對茶樹的病蟲害情況進行自動識別和分析。

衛(wèi)星定位模塊的主要功能是接收全球定位系統(tǒng)（GPS）和北斗衛(wèi)星發(fā)射的位置信號，通過解析準確的位置信息，使茶園管理人員能夠及時掌握病蟲害發(fā)生的地理位置。

顯示模塊通過0.96英寸OLED屏顯示本地檢測的實時溫濕度和光照強度，方便現(xiàn)場數(shù)據(jù)查看和調(diào)試。

無線通信模塊采用4G移動通信技術(shù)，系統(tǒng)將采集的溫濕度、光照強度和茶園圖像數(shù)據(jù)進行封裝處理，通過AT命令進行控制并分段發(fā)送至OneNET云平臺服務(wù)器[5]。

電源模塊為包括微控制器模塊、傳感器模塊、攝像頭模塊、無線通信模塊、顯示模塊等在內(nèi)的各模塊供電。電源模塊采用太陽能鋰電池供電的方式，以保證系統(tǒng)在茶園環(huán)境中長時間穩(wěn)定運行。

云平臺是茶園病蟲害監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，它負責(zé)接收、存儲和展示茶園的環(huán)境信息和病蟲害檢測結(jié)果。通過云平臺，茶園管理人員可以實時監(jiān)測茶園的狀況，并進行數(shù)據(jù)分析和決策。

遠程監(jiān)測模塊通過PC端和手機端訪問云平臺，便捷地獲取茶園環(huán)境信息。茶園管理人員可以通過遠程監(jiān)測模塊隨時了解茶園的狀況，及時采取措施來應(yīng)對病蟲害威脅。

為便于安裝和使用，以上所有模塊均集成在一個終端。從系統(tǒng)設(shè)計的角度看，在中型及大型茶園中，單個感知識別模塊及攝像頭范圍難以覆蓋整個茶園。因此，可以考慮在園區(qū)內(nèi)部署多個系統(tǒng)終端來擴大信息檢測范圍。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

茶園病蟲害監(jiān)測系統(tǒng)硬件模塊框圖如圖2所示。主控制器模塊主要基于STM32F407單片機模塊進行信息采集和處理、本地顯示、4G模塊的無線通信控制等；供電電源采用鋰電池結(jié)合太陽能充電的方式供電；傳感器模塊主要包含DHT11溫濕度傳感器、GM5516光照強度傳感器；圖像采集模塊采用OV5640 CMOS攝像頭，位置信息采集模塊采用GPS/北斗衛(wèi)星接收模組；無線通信模塊采用4G模組EC20；顯示模塊采用0.96英寸的OLED屏。

圖3為主控芯片電路原理。由于篇幅限制，晶振電路、復(fù)位電路、下載電路等模塊的電路原理不再贅述。

圖4為電源電路原理。電源模塊使用鋰電池提供12 V電源，經(jīng)過LM2596S-5/DC-DC降壓穩(wěn)壓器將電壓降至5 V，以供系統(tǒng)使用。同時，MIC29302WU LDO穩(wěn)壓器為EC20 4G模塊提供電源。此外，使用AMS1117-3.3正向低壓降穩(wěn)壓器和RT9193-1.8線性穩(wěn)壓器將電源電壓從5 V降至3.3 V和1.8 V，以滿足其他模塊的供電需求[6]。

圖5為DHT11溫濕度檢測模塊接口電路。單總線數(shù)據(jù)DQ引腳連接主控芯片的PD3引腳作為系統(tǒng)輸入，通過對數(shù)據(jù)格式進行拆分重組就可以得到真實的溫濕度數(shù)值。

圖6為GM5516光照強度檢測模塊接口電路。模擬信號輸出引腳AO連接主控芯片的PC3引腳作為ADC的信號輸入端。GM5516產(chǎn)生的模擬信號經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，后根據(jù)光敏電阻阻值與光照強度線性關(guān)系計算得到光照強度值[7]。

圖7為OV5640攝像頭模塊電路原理。連接DCMI接口的攝像頭將采集的JPEG圖像壓縮數(shù)據(jù)經(jīng)DMA傳輸至SRAM，處理器通過對JPEG圖像起始標志的判斷進一步得到一幀完整的圖像數(shù)據(jù)。

圖8為EC20-4G通信模塊連接電路。該模塊通過 RXD/TXD引腳連接主控芯片的串行通信復(fù)用引腳來接收AT命令進行相應(yīng)數(shù)據(jù)收發(fā)控制[8-9]。

3 嵌入式軟件設(shè)計

主控制器程序首先完成各模塊的初始化：包括溫濕度傳感器DHT11模塊初始化、光照強度傳感器GM5516模塊初始化、OLED顯示初始化、定時器中斷初始化、4G模組EC20初始化以及串口通信（UART）初始化等。終端系統(tǒng)程序流程如圖9所示。

終端設(shè)備上電后，4G通信模塊與OneNET云平臺設(shè)備進行匹配，若匹配成功，則進入循環(huán)檢測模式。若匹配失敗則嘗試重新匹配直至成功。與此同時，攝像頭、溫濕度及光照強度傳感器啟動。主控制器將檢測結(jié)果及圖像數(shù)據(jù)信息按照MQTT協(xié)議的publish報文格式和云平臺接收負載數(shù)據(jù)格式進行封裝，并通過AT命令將數(shù)據(jù)經(jīng)4G通信模塊發(fā)送到OneNET云平臺。用戶在PC端和移動端可以通過訪問Web網(wǎng)頁實時查看當(dāng)前檢測信息[10-11]。指令設(shè)置見表1。

4 云平臺項目設(shè)計

本系統(tǒng)采用中移物聯(lián)網(wǎng)有限公司打造的開放平臺—OneNET云平臺進行數(shù)據(jù)的處理與存儲。該平臺支持各類傳感器智能終端的接入，并提供了大數(shù)據(jù)分析及可視化等相關(guān)服務(wù)，具有豐富的API接口和各類應(yīng)用場景模板，大大縮短了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)周期，降低了軟件開發(fā)成本[12]。

4.1 項目建立及設(shè)備添加

登錄OneNET云平臺（https：//open.iot.10086.cn/）。本系統(tǒng)采用OneNET平臺提供的多協(xié)議接入功能，通過添加產(chǎn)品的方式進行項目創(chuàng)建，并以MQTT協(xié)議作為設(shè)備接入方式與平臺建立連接。添加產(chǎn)品參數(shù)界面如圖10所示。

項目建立后，需要添加項目設(shè)備，界面如圖11所示。填寫設(shè)備名稱、設(shè)備描述等相關(guān)信息，并為設(shè)備生成ID和設(shè)備鑒權(quán)信息。在設(shè)備詳情頁面，可以配置設(shè)備的參數(shù)，例如設(shè)備類型、鑒權(quán)方式等，還可以為設(shè)備添加標簽、自定義屬性等[13]。

4.2 數(shù)據(jù)點查看

4G模組初始化完成后，在OneNET平臺的設(shè)備列表-詳情標簽下，可以查看模組的上線狀態(tài)。終端節(jié)點通過4G模組發(fā)送AT指令和數(shù)據(jù)，云平臺會自動解析并創(chuàng)建數(shù)據(jù)點和數(shù)據(jù)流。如圖12所示，在設(shè)備數(shù)據(jù)資源列表欄中，可以觀察到所創(chuàng)建的數(shù)據(jù)點以及上報的數(shù)據(jù)實例和屬性等相關(guān)信息。

4.3 歷史數(shù)據(jù)回溯

OneNET平臺提供歷史數(shù)據(jù)查看和一鍵導(dǎo)出數(shù)據(jù)等功能。如圖13所示，通過查看歷史數(shù)據(jù)，可以了解不同時間段內(nèi)茶園監(jiān)測點的數(shù)據(jù)變化趨勢。而一鍵導(dǎo)出數(shù)據(jù)功能則能夠方便地將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到更專業(yè)的數(shù)據(jù)分析工具中，進一步統(tǒng)計和建模分析，從而提取有價值的研究結(jié)論和科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

5 Web網(wǎng)頁的設(shè)計及運行

數(shù)據(jù)可視化（View）是OneNET云平臺提供的一種可視化開發(fā)工具，可以通過拖拽組件的方式快速創(chuàng)建設(shè)備的可視化Web界面。用戶可以選擇不同的組件，如按鈕、開關(guān)、圖表等，并將其與設(shè)備的數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)實時展示和交互操作。圖14所示為Web網(wǎng)頁設(shè)計的基本流程。根據(jù)開發(fā)流程采用JavaScript語言編寫設(shè)計數(shù)據(jù)過濾器，最終保存發(fā)布界面。圖15所示為 Web網(wǎng)頁訪問界面，可實現(xiàn)多區(qū)域同時監(jiān)測茶園環(huán)境信息。

6 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種基于OneNET云平臺的茶園病蟲害監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括微控制模塊、信息感知模塊、攝像頭模塊、顯示模塊、無線通信模塊和電源模塊等組件。在STM32的控制下，進行茶園圖像、溫濕度、光照強度、坐標位置等信息的采集和展示，并通過4G模塊將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至OneNET云平臺。系統(tǒng)實現(xiàn)了通過OneNET云平臺對茶園病蟲害發(fā)病位置的定位和遠程監(jiān)控管理，用戶可通過手機端或PC端隨時隨地查看茶園的實時狀況，有助于管理人員對茶葉病蟲害提前防治[14]。未來的優(yōu)化方向包括系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性提升、數(shù)據(jù)挖掘算法的改進、用戶界面的優(yōu)化等，進一步提高系統(tǒng)的性能和用戶體驗，為茶園的健康管理提供更好的支持。

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收稿日期：2024-04-03 修回日期：2024-05-14

基金項目：陜西省教育廳重點科學(xué)研究計劃項目（22JY001）；安康市科技局科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計劃項目（AK2021-NY-2）

作者簡介：劉星亮（1985—），男，陜西安康人，碩士，講師，研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、計算機測控等。