1 绪论
1.1 研究背景及意义
我国栽种茶叶已经有 6000 多年的历史，茶叶同瓷器一样，已经成为中国的国家名片。据统计，2019 年全国茶园面积为 4597.87 万亩，干毛茶产量为 279.34 万吨，比上年增加 17.74 万吨，国内销售量达 202.56 万吨，增幅为 6.02%。我国茶叶产地多在南方，随着技术的不断发展，北方茶产区在我国茶产业中所占的比重越来越大。上世纪五十年代，有科研工作者提出“南茶北引”的想法，1966 年前后，茶树被引入泰安。泰山地区，成为中国最北端的茶叶种植区之一。
3 系统设计..................................241.1 研究背景及意义
我国栽种茶叶已经有 6000 多年的历史，茶叶同瓷器一样，已经成为中国的国家名片。据统计，2019 年全国茶园面积为 4597.87 万亩，干毛茶产量为 279.34 万吨，比上年增加 17.74 万吨，国内销售量达 202.56 万吨，增幅为 6.02%。我国茶叶产地多在南方，随着技术的不断发展，北方茶产区在我国茶产业中所占的比重越来越大。上世纪五十年代，有科研工作者提出“南茶北引”的想法，1966 年前后，茶树被引入泰安。泰山地区，成为中国最北端的茶叶种植区之一。
泰山地区茶园群山环绕，空气温暖，土壤肥沃，有机物含量高，生态环境优越，茶区绿树葱葱，降水量适中。2019 年“泰山茶”区域公用品牌建立，泰山茶的种植面积已经达到了五万亩，产值接近 10 亿元。逐步形成了规模化、集约化、体系化齐头并进的泰山茶产业格局。泰山茶种植区域主要分布在泰山及徂徕山周边，有 100 多家生产加工企业。泰安市委市政府高度重视泰山茶产业发展，将其列为乡村振兴十大优势产业之一进行重点培育，大力实施了品质提升、规模提升、服务提升、品牌提升四大工程，全面提高了泰山茶种植标准、加工工艺、泰山茶品质，泰山茶企品牌意识明显增强，多家企业获得“中茶杯”“国饮杯”特等奖、一等奖；两家茶企获山东省著名商标；5 家泰山茶企获得山东省知名农产品企业产品品牌；“泰山绿茶”、“泰山红茶”荣获中华人民共和国农产品地理标志认证；“泰山茶”获得了国家地理标志证明商标。
尽管泰山茶产业发展迅速，但与泰山茶规模化进行高速发展相对应的，是泰山茶业生产栽培、加工没有完全达到标准化、清洁化、连续化，茶园生态差，标准化低，茶类产品质量不稳定。茶企小、散、弱现象突出，茶叶龙头企业增长缓慢，投资热情不高，加上劳动力成本上升过快，与茶叶种植户的利益机制尚未健全，难以形成发展合力，引领作用有限。泰山茶销售基本局限在本地市场，销售手段单一，未能借泰山的名声推向山东、推向全国，鲜有销往周边地区，难以辐射到大众市场，品牌对销售的带动效应不明显。企业还是局限于传统的批发、渠道销售等思路方式，新时代的网络销售渠道、互联网+、体验销售等还没有被充分利用，有待开发，产品的品牌的知名度和影响力不够。
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1.2 研究现状
1.2.1 国外研究现状
早在 20 世纪下半叶，西方发达国家便提出了农业大棚的概念，并率先将计算机技术运用到农业大棚中以实现对环境的有效控制。尤其以美国、以色列、日本为代表的国家积极对该类技术进行研究与发展。技术诞生早期，此类技术主要着力于对实际的农业生产情况进行模拟，存在很大的不足与弊端，控制效果不够精准。20 世纪 70-80 年代，信息化技术的提升极大的拓展了控制技术的应用。如日本在茶叶种植、花卉培养等方面，大量使用信息化手段进行管理；韩国农业信息化管理占总产业的百分之十，该比例还在逐年提升。
进入 21 世纪以后，各种无线通讯技术层出不穷，物联网技术发展尤为迅速，农业大棚管理系统向着信息化、智能化的方向不断发展，实现了对于大棚环境内温度、湿度、二氧化碳浓度，光照强度等的采集与监控，并且通过各种路由协议进行传输，由协调器和微处理器将采集处理后的信息传送给上位机系统，操作人员进而可以远程控制相关设备对环境参数进行调控。
1.2.1 国外研究现状
早在 20 世纪下半叶，西方发达国家便提出了农业大棚的概念，并率先将计算机技术运用到农业大棚中以实现对环境的有效控制。尤其以美国、以色列、日本为代表的国家积极对该类技术进行研究与发展。技术诞生早期，此类技术主要着力于对实际的农业生产情况进行模拟，存在很大的不足与弊端，控制效果不够精准。20 世纪 70-80 年代，信息化技术的提升极大的拓展了控制技术的应用。如日本在茶叶种植、花卉培养等方面，大量使用信息化手段进行管理；韩国农业信息化管理占总产业的百分之十，该比例还在逐年提升。
进入 21 世纪以后，各种无线通讯技术层出不穷，物联网技术发展尤为迅速，农业大棚管理系统向着信息化、智能化的方向不断发展，实现了对于大棚环境内温度、湿度、二氧化碳浓度，光照强度等的采集与监控，并且通过各种路由协议进行传输，由协调器和微处理器将采集处理后的信息传送给上位机系统，操作人员进而可以远程控制相关设备对环境参数进行调控。
芬兰的瓦萨大学（University of Vaasa）研究开发了一套基于无线传感器网络的农业智能监测系统。相较于传统的监测系统，该系统不仅仅可以传送文字信息，还可以对图像信息进行获取并且传送，且功耗低，效率高，稳定性好，对于各种极端环境的适应性强。又如以色列农业大棚普遍采用喷灌、滴灌设备，并且配置了检测土壤湿度的传感器：当传感器检测到土壤水分不足时，进行自动灌溉，不但保证了农作物的水分要求而且降低了水资源的浪费。
美国是最早发明计算机的国家，也是将计算机应用于温室控制和管理方面最早的国家之一。美国设施栽培技术十分发达，综合环境控制技术水平非常高。环境控制计算机主要用来对温室环境进行监测和控制。以花卉温室为例，温室内监控项目包括室内气温、水温、土壤温度、锅炉温度、管道温度、相对空气湿度等；室外监控项目包括大气温度、太阳辐射强度、风向风速、相对湿度等。温室专家系统的应用给种植者带来了一定的经济效益，提高了决策水平，减轻了技术管理工作量，同时也为种植带来了很大方便。荷兰的温室面积占其国土面积近十分之一，占全世界玻璃温室面积的四分之一，荷兰温室产业快速发展的主要原因是其高度重视在基础研究中进行耕地、数据模型的各种调查和积累，并积极结合高科技和种植技术（蔡小庆等，2016）。Hogeendorn 公司新推出的 ISI 系统采用了高速安装、方便、灵活、具有强大系统稳定性特征的模块设计。不仅可以直观地理解温室的环境参数，还可以监测植物的生理参数。
美国是最早发明计算机的国家，也是将计算机应用于温室控制和管理方面最早的国家之一。美国设施栽培技术十分发达，综合环境控制技术水平非常高。环境控制计算机主要用来对温室环境进行监测和控制。以花卉温室为例，温室内监控项目包括室内气温、水温、土壤温度、锅炉温度、管道温度、相对空气湿度等；室外监控项目包括大气温度、太阳辐射强度、风向风速、相对湿度等。温室专家系统的应用给种植者带来了一定的经济效益，提高了决策水平，减轻了技术管理工作量，同时也为种植带来了很大方便。荷兰的温室面积占其国土面积近十分之一，占全世界玻璃温室面积的四分之一，荷兰温室产业快速发展的主要原因是其高度重视在基础研究中进行耕地、数据模型的各种调查和积累，并积极结合高科技和种植技术（蔡小庆等，2016）。Hogeendorn 公司新推出的 ISI 系统采用了高速安装、方便、灵活、具有强大系统稳定性特征的模块设计。不仅可以直观地理解温室的环境参数，还可以监测植物的生理参数。
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2 理论与关键技术
2 理论与关键技术
2.1 ZigBee 技术概述
2.1.1 技术发展历程
ZigBee 协议由“Homerflite”技术发展而来，2003 年在美国正式起步。2004 年 12月，ZigBee1.0 标准成为第一个正式标准。美国摩托罗拉、日本三菱电气、中国华为技术有限公司、荷兰飞利浦半导体公司和 IBM 公司都是 ZigBee 联盟的成员。到目前为止，ZigBee 协议共推出了 2004、2006、2007、pro4 个版本。随着我国信息技术高速发展，ZigBee 以其独特的优势被国内越来越多的用户接受（韩华峰等，2019）。
2.1.1 技术发展历程
ZigBee 协议由“Homerflite”技术发展而来，2003 年在美国正式起步。2004 年 12月，ZigBee1.0 标准成为第一个正式标准。美国摩托罗拉、日本三菱电气、中国华为技术有限公司、荷兰飞利浦半导体公司和 IBM 公司都是 ZigBee 联盟的成员。到目前为止，ZigBee 协议共推出了 2004、2006、2007、pro4 个版本。随着我国信息技术高速发展，ZigBee 以其独特的优势被国内越来越多的用户接受（韩华峰等，2019）。
2.1.2 ZigBee 技术无线通信特点分析
ZigBee 技术在适用通信距离、对象、传输速度、传输范围、耗电方面具有明显的优势。主要特征如下：ZigBee 技术在短通信距离、传输速度、传输范围、功耗、成本等方面具有明显的优势。主要特征如下：
（1）工作功率消耗小。通过设定定时器，能够有效地降低系统的功率消耗；
（2）成本低。其模块成本低，易于大规模的布设；
（3）恢复力强。各种节点(传感器获取节点、路由节点、协调器节点等)密集地分散在系统中。可以通过网络拓扑的动态调整来创建响应，该网络拓扑在系统节点受到损害或数字变动时适应环境变化而不影响系统正常监控操作。
（4）容量大。一个星型拓扑结构可以最多容纳 254 个不同的设备连接；
（5）系统网络的工作频段灵活性高。ZigBee 网络的通信频带有三个不同的频带，分别是 2.4GHz，868MHz，915MHz。可以按需切换。
（1）工作功率消耗小。通过设定定时器，能够有效地降低系统的功率消耗；
（2）成本低。其模块成本低，易于大规模的布设；
（3）恢复力强。各种节点(传感器获取节点、路由节点、协调器节点等)密集地分散在系统中。可以通过网络拓扑的动态调整来创建响应，该网络拓扑在系统节点受到损害或数字变动时适应环境变化而不影响系统正常监控操作。
（4）容量大。一个星型拓扑结构可以最多容纳 254 个不同的设备连接；
（5）系统网络的工作频段灵活性高。ZigBee 网络的通信频带有三个不同的频带，分别是 2.4GHz，868MHz，915MHz。可以按需切换。
（6）网络具有较强的自组织能力。一个节点可以探知到其他节点，从而可以主动连接；现有的网络可以探知到监控区域内的另一个 ZigBee 网络进而构建系统的控制网络。
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2.2 数据处理算法
数据采集后，需要对采集数据进行降噪处理。重用的滤波算法包括粒子滤波算法、卡尔曼滤波算法以及自适应卡尔曼滤波算法等三种，比较并选择最合适的算法。
2.2.1 粒子滤波算法
粒子滤波器算法主要考虑重采样，粒子样本频率表示事件发生的概率，并且根据特定时间段的发生频率定义收集对象。图 4 为样本例子和目标函数的距离，由此可作为依据来选定预测样本粒子。
粒子滤波在任意状态下的状态方程如下所示：
各参数含义如表 1 所示：
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2.2 数据处理算法
数据采集后，需要对采集数据进行降噪处理。重用的滤波算法包括粒子滤波算法、卡尔曼滤波算法以及自适应卡尔曼滤波算法等三种，比较并选择最合适的算法。
2.2.1 粒子滤波算法
粒子滤波器算法主要考虑重采样，粒子样本频率表示事件发生的概率，并且根据特定时间段的发生频率定义收集对象。图 4 为样本例子和目标函数的距离，由此可作为依据来选定预测样本粒子。
粒子滤波在任意状态下的状态方程如下所示：
各参数含义如表 1 所示：
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3.1 设计思想..................................24
3.2 系统硬件设计.....................................25
4 系统实现与集成优化分析................................... 49
4.1 系统硬件实现......................................49
4.2 系统软件实现............................52
5 总结与展望................................64
5.1 总结..................................64
5.2 展望.................................64
4 系统实现与集成优化分析
4.1 系统硬件实现
系统硬件的实现主要包括采集终端、控制终端和中心处理单元三部分，这三部分通过 ZigBee 无线传输模块相连，以无线通讯的方式实现稳定可靠的交互。其中采集终端包括空气温湿度传感器、土壤温湿度传感、光照度传感器、CO2 传感器、ph 值传感器等；控制终端包括浇灌设备、施肥设备、卷帘设备、通风设备；中心处理单元是整个系统的控制大脑，负责接收采集终端传输来的数据并对所接收数据进行转发、存储和转换，同时实现对采集终端和控制终端指令的收发达到统筹管理采集终端和控制终端的目的。
如图 50 所示为下位机信息采集终端实物展示图，通过下位机安装的传感器设备采集环境信息数据并传输至中心处理单元。
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5 总结与展望
5.1 总结
本文针对泰安本地茶产业实际需求，为解决泰山茶传统种植方式劳动力投入大、自动化程度低等问题，设计了一套茶叶大棚环境控制系统，对大棚内茶树生长环境进行实时监测，进而调整环境因子使之更适合茶树生长。此系统可以大大降低茶园管理成本，尽可能地减少茶叶种植户工作量，释放富余劳动力，同时做到智能、高效、低成本，实用性较强。此课题主要工作总结如下：
（1）研究泰山茶产业现状以及面临的主要问题，介绍了 ZigBee 技术开发过程和趋势，对国内外研发情况进行综合比对，讨论网络拓扑结构，并选择各种类型的传感器。
（2）确定采用 ZigBee 无线传感器网络方案。通过数据采集终端的各种传感器的功能电路、无线通信模块 CC2530 的功能电路、微处理器 STM32 的功能电路、采集终端的功能电路为重点，介绍了系统硬件的设计与实现。
（3）介绍 IAR 软件的开发环境，从软件的角度介绍传感器取得功能的实现、4G模块通信功能、协调器网络等功能，并使用程序流程图进行详细说明。此后通过比较三种滤波算法，使用误差优化算法来优化滤波后的数据错误，成果较好。
（4）通过建立收集所有种类数据的实验平台，开展组网实验，协调器组成网络成功且状态良好。通过 MATLAB 模拟平台，收集的数据和算法处理的数据与传感器测量的准确数据一致进行比较。最后，通过计算，证明可以通过使用两节干电池供电，维持半年以上系统的正常工作，表明低功耗设计实用且有效。
参考文献（略）