塑料大棚茶园无线智能监控系统研发

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摘 要：研究了茶树生长所需的环境要素以及在塑料大棚种植茶树的控制要求，进行了塑料大棚茶园无线传感网络、远程数据传输、监控中心、控制输出和控制策略设计，采用基于MPT的分段控制策略，研建了塑料大棚茶园无线智能监控系统。系统具有环境参数与控制状态实时显示、数据存储、趋势显示、报警显示及处理结果显示等功能，实现了基于无线传输技术的塑料大棚茶园的智能化监控。通过在日照塑料大棚茶园的实际应用，减少了生产成本，改善了茶树生长的状态，减少了病虫害的发生，提高了茶叶的色泽、口感、香气等整体品质。

关键词：塑料大棚；茶园；智能；监控

中图分类号：TP277 文献标识码：A

前言

茶树[Camellia sinensis （L.） Kuntje]属于亚热带常绿植物，大多生于中国亚热带的常绿阔叶雨林和季雨林的森林群落之中，并处于森林林冠层之下，经过长期发育，形成耐荫湿、喜漫射光的生态习性[1]。

为了满足名优茶发展需要，在我国江北茶区，尤其是山东、河南等地，采用塑料大棚进行茶树栽培。塑料大棚茶园是一种用塑料薄膜覆盖茶园的设施栽培形式，自20世纪90年代以来，随着名优绿茶发展的需要，逐渐应用到茶树上，是冬春季温度较低，或易受“倒春寒”危害的茶区为提早名优茶开采期而经常采用的一种新型栽培技术。采用塑料大棚进行茶树栽培，能缩短冬季休眠时间，使茶树提前萌发，增加茶叶采摘轮次，促进新梢生长，从而提高茶叶产量。而且通过大棚创造适宜的环境条件来控制茶树生长发育，还可实现在盐碱地、沙漠等非可耕地上进行生产，大幅度提高土地资源、水资源和光热资源利用率[2]，从而实现农业高产、优质、高效、可持续发展。茶树的大棚栽培已成为江北茶区茶树栽培的基本模式之一[3]。

一般说来，茶叶鲜叶质量的好坏直接决定于其所生长的生态环境[4]。茶园中光照强度、空气温湿度、土壤肥力等生态环境因子的变化都会对茶叶的生长和品质产生一定的影响[5]。塑料大棚属于封闭或半封闭的环境，可利用自动控制、计算机等技术调节和改善茶树生长所需的温度、湿度和光照等参数[6]，创造茶树适宜生长的生态环境。

20世纪90年代后，无线技术的广泛应用使得它在许多国民经济领域的应用研究获得迅速发展。尤其以Zigbee无线技术为主的物联网系统，使得精准农业的技术体系广泛运用于生产实践成为可能。本文根据茶树生长对环境参数的需求，研究设计了基于无线通信技术的塑料大棚茶园智能监控系统。

1 茶树生长的环境参数及控制要求

1.1 温度

茶树原属亚热带植物，适宜生长的温度为17～25℃，过高或过低的温度会造成茶叶减产，甚至绝收。大棚白天温度控制在25℃左右为宜，夜间温度不低于8℃。当大棚内气温在冬季上升到25℃、春季上升到30℃时就应通风降温，当气温下降到20℃以下时再关通风口保温；一般晴天可在上午10∶00左右开启通风口，下午3∶00左右关闭。夜间温度迅速下降时要加盖草苫子保温，必要时要进行人工加温[7]。

1.2 湿度

最有利于茶树生长的土壤含水量为70%～80%，超过90%时，土壤透气性差，不利于茶树生长。棚内的空气湿度白天为65%～75%，夜间为80%左右[8]，最利于茶树生长。开启通风口降低湿度，实施喷灌增加湿度，通过地面覆盖、温度调控等措施，将空气湿度调控在最佳范围内。

1.3 光照

茶树扦插苗的光合速率、最大光合速率、表观量子效率均在自然光强的75%时达到最大值；叶绿素含量随光强的增加而降低，叶绿素a/b则随光强增加而增加；新生物量与最大光合速率一致，在自然光强的75%时达到最大值[9]。棚内由于立柱和拱架的遮挡，以及塑料薄膜的反射、吸收和折射等引起光照强度的减弱，棚内光强仅为棚外自然光强的50%左右，这会影响茶树叶片的光合效率，除了选择向阳的茶园和使用透光、耐老化、防污染的透明塑料薄膜外，人工补光则是改善冬季大棚光照条件最有效的办法。人工补光的方法是在晴天早晚或阴雨天用农用高压汞灯照射茶园[10]。

1.4 CO2

二氧化碳是茶树进行光合作用的重要物质，二氧化碳不足是大棚茶园茶叶产量和品质的主要限制因素。日出前由于夜间茶树呼吸作用、土壤微生物活动和有机物分解释放出CO2，大棚空气中CO2浓度可达0.05%～O.06%（棚外大气中CO2浓度一般为0.03%，且较稳定）。日出后，随着茶树光合作用的增强，棚内CO2浓度显著降低，若晴天不通气，CO2浓度甚至可降到100?g/mL以下，茶树几乎不能进行光合作用。因此，大棚茶园施用CO2气肥，可促进越冬成叶的光合作用，提高茶叶产量和品质[11]。

2 塑料大棚茶园无线智能监控系统

根据茶树生长环境条件和控制要求，可看出影响茶叶品质的环境因素主要有空气温度、空气湿度、土壤湿度、光照度和二氧化碳浓度，因此，监控系统主要的监控参数有：空气温度，空气湿度、土壤湿度、光照度和二氧化碳浓度，这些参数是茶园监控的基本参数，根据实际需要还可以设置室外气象站（主要有室外温度、室外湿度，风向、风速，雨量和光照度）和视频监测。控制输出的设备有通风口、草苫（或棉被）、高压汞灯和CO2施肥机等。

茶园无线智能监控系统主要包括无线传感网络、远程数据传输、监控中心、无线控制输出以及控制策略五大模块。图1为茶园无线智能监控系统结构图。

2.1 无线传感网络

根据茶园的环境监测参数，无线传感网络模块主要完成空气温度、空气湿度、土壤湿度、光照度和二氧化碳浓度以及视频信息的自动采集，并将采集到的信息通过无线网络迅速高效可靠地传输到总节点。

无线传感网络主要由传感器、分节点和汇聚节点组成。传感器感知茶园的空气温湿度、土壤湿度、光照和二氧化碳等环境信息，具有高稳定性、抗干扰能力强、测量精度高以及响应速度快等特点。

分节点和汇聚节点采用Zigbee技术，一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。具有以下特点：

（1）低功耗。2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长，这是ZigBee的突出优势。

（2）响应快。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms（蓝牙需要3～10s），节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。

（3）网络容量大。可采用星状、树状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。

因系统采用的传感器数量少，通信距离较近，网络组建采用星型拓扑结构算法相对简单，又可以在很大程度上满足茶园监控的需求。

2.2 远程数据传输

现场传感器采集到的数据，通过ZigBee无线通信技术将其发送到总节点，总节点通过GPRS网络和INTERNET对接，将数据发送至远程数据监控中心，同时监控中心发出的指令信息，也通过GPRS网络发送至控制输出的无线总节点，进而至控制设备，实现茶园环境信息的无线智能调控。

2.3 监控中心

监控中心是数据管理的核心，实现环境信息采集数据以及视频信息在工控机上的分析、处理、显示、存储与控制输出，并可进行网络。具有以下功能：

2.3.1可在线实时地连续采集和记录塑料大棚茶园监测点位的温度、湿度、光照强度、CO2浓度等各项参数情况，以数字、图形和图像等多种方式进行实时显示和记录存储监测信息。

2.3.2可设定各监控点位的温湿度报警限值，当出现被监控点位数据异常时可自动发出报警信号，报警方式包括：现场多媒体声光报警、网络客户端报警、手机短信息报警等。上传报警信息并进行本地及远程监测，系统可在不同的时刻通知不同的值班人员。

2.3.3智能网关提供具有信号输出协议的端口，可接通信设备进行无线传输。

2.3.4温湿度监控软件采用B/S结构，能够实时在线地显示、记录各监测点的温湿度值和曲线变化，统计温度、湿度、光照、CO2等参数的历史数据、最大值、最小值及平均值，显示数据曲线，可以设定报警上下限，并可对硬件的部分参数进行远程设置（如：将数据采样频率由10min调整至30min）。

2.3.5只要能够成功连接互联网的任何一台电脑都可以访问数据监测中心，在线查看监控点位的温湿度变化情况，实现远程监测。系统不但能够在值班室监测，还可以随时随地非常方便地观看和监控。

2.3.6系统能够在监测中心对数据进行分析，形成实时曲线，并可以柱状图、饼状图等形式进行体现，可按Excel表格相关格式输出，并提供下载，还可以形成报表并打印。

2.3.7系统设计时预留有接口，可随时增减硬软件设备，系统只要做少量的改动即可在很短的时间内完成配置。

2.4 控制输出模块

控制输出模块将分析处理的结果输出至茶园控制设备，如通风口、草苫（或棉被）、高压汞灯和CO2施肥机等，进行环境参数调节，以创造茶树适宜的生长环境。

2.5 控制策略

智能监控系统的控制对象为塑料大棚内的环境系统，其结构如图2所示。图中描述了塑料大棚环境的温度、湿度和CO2浓度等因素受外界气候的影响，塑料大棚环境与茶树相互作用的影响，以及塑料大棚环境受控制作用的影响[12]。从图中可以看出塑料大棚环境控制系统是一个多输入、多输出、强耦合的复杂系统，受外界环境的干扰非常大。

塑料大棚控制系统的控制精度除了与系统硬件有关以外，与其控制算法有着密切关系。只有采用合理的控制策略，才能使塑料大棚环境的综合因子达到最优的控制效果，才能使塑料大棚控制系统达到智能化的水平[13]。

在控制系统中，采用PID控制算法，可以实现精细控制，使系统准确跟踪设定值，但减小超调和提高控制精度是难以两全其美的。模糊控制可充分利用现场及专家的经验， 具有响应速度快、超调小、过渡时间短等优点。比PID控制调节速度快、鲁棒性好，但模糊控制稳态精度欠佳，只能实现粗略控制。

在本控制系统中，采用PID控制算法与模糊控制相结合的分段控制策略，当误差较小时，使用PID控制算法，使系统准确跟踪设定值；当误差较大时，使用模糊控制规则确定输出，系统响应速度快，超调小，取得理想的控制效果。

3 结语

茶园无线智能监控系统，运用最新微功率无线通信技术，数字化温度和湿度传感技术，可实时自动监测茶园的关键点，通过在日照塑料大棚茶园的应用，大幅度降低了人工巡查的工作量和成本，并对不安全状况提前预警，改善了茶树生长的状态，减少了病虫害的发生，提高了茶叶的色泽、口感、香气等整体品质，全面提升了茶园生产管理水平。调节了茶叶的采摘周期，提高了经济效益。

参考文献

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作者简介：王风云（1974-），女，山东肥城，副研究员，从事农业信息技术研究。