琚書存，程文杰，徐建鵬，周鹿揚(yáng)，朱雅莉，王 杰，伍 瓊

(1.安徽省農(nóng)村綜合經(jīng)濟(jì)信息中心，安徽 合肥 230031; 2.安徽省農(nóng)業(yè)氣象中心，安徽 合肥 230031)

0 引 言

農(nóng)業(yè)氣象環(huán)境對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)影響巨大[1-2]，研究表明農(nóng)業(yè)氣象主要的參數(shù)指標(biāo)有52種[3]，其中溫度、光照、濕度、CO2濃度是最重要的環(huán)境參數(shù)指標(biāo)[4]。溫濕度與農(nóng)作物的呼吸作用、水分蒸騰、光合作用等新陳代謝都息息相關(guān)[5]；而CO2和光是農(nóng)作物生長(zhǎng)的能量和物質(zhì)來源[6]。因此在農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)中對(duì)溫濕度、CO2以及光照強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)是必不可少的。鑒于此，本文設(shè)計(jì)一套農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取農(nóng)業(yè)主要作物的關(guān)鍵影響因子數(shù)據(jù)信息，并通過無線網(wǎng)將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸給后臺(tái)服務(wù)器。在大量農(nóng)業(yè)氣象數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立安徽省農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)綜合服務(wù)平臺(tái)，為省市縣三級(jí)氣象局用戶、物聯(lián)網(wǎng)示范點(diǎn)農(nóng)企用戶提供農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件整體架構(gòu)如圖1所示。監(jiān)測(cè)站點(diǎn)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)的硬件平臺(tái)以及相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)。硬件平臺(tái)搭建主要考慮其穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)處理能力、功耗、可擴(kuò)展性能等。按照模塊來劃分包括以下幾個(gè)部分：微處理器、系統(tǒng)供電模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、GPS模塊、無線通信模塊、外部Flash存儲(chǔ)器和LCD觸摸顯示屏等。

圖1 農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.1 微處理器

在嵌入式系統(tǒng)中，ARM處理器芯片因其高性價(jià)比、內(nèi)部資源豐富，可移植實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等優(yōu)勢(shì)，被廣泛運(yùn)用于各個(gè)自動(dòng)化領(lǐng)域的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)當(dāng)中[7-8]。目前，ARM微處理器的STM32是被廣泛使用的高性價(jià)比系列芯片，它包括ARM Cortex?-M0、 M0+、 M3、 M4和M7等內(nèi)核。由于本文設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要在野外使用，綜合考慮芯片功耗、運(yùn)算性能、總體成本等要求，故選擇STM32系列的Cortex-M3內(nèi)核，它具有以下特點(diǎn)：功耗小、性價(jià)比高，并且支持Thumb(16位)/ARM(32位)的雙指令集；包含大容量的寄存器，運(yùn)行速率更快；尋址方式靈活、便捷，執(zhí)行更加高效[9-11]。根據(jù)設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求，本文選取意法半導(dǎo)體公司的STM32F103RBT6芯片。它在性能上能夠滿足農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求，并且節(jié)省了系統(tǒng)的硬件成本，縮短了整體的研發(fā)周期[12]。STM32最小系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 STM32最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)供電模塊

供電模塊是一個(gè)電子系統(tǒng)中最基礎(chǔ)也是最重要的部分，尤其是對(duì)于便攜式、無法提供市電的設(shè)備，如何長(zhǎng)時(shí)間為系統(tǒng)提供穩(wěn)定、持續(xù)的電源是設(shè)計(jì)者首要考慮的問題[13]?？紤]到本文農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備是要放在野外農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期使用的，通常處于位置偏遠(yuǎn)的露天環(huán)境下，設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境大多沒有市電，因此系統(tǒng)利用鋰電池來進(jìn)行無間斷供電。為了減少現(xiàn)場(chǎng)更換鋰電池的頻率，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能板對(duì)鋰電池進(jìn)行供電。所以，系統(tǒng)供電模塊可分為3大部分，具體如下。

1.2.1 太陽(yáng)能板給鋰電池充電電路

本文采用先進(jìn)的CN3083芯片設(shè)計(jì)供電電池的充電電路，該芯片內(nèi)部包含功率晶體管，在應(yīng)用的時(shí)候不需要額外增加其他外部器件[14]。充電電路工作過程如下：當(dāng)外部輸入的電壓高于低壓閾值時(shí)，電路開始對(duì)鋰電池進(jìn)行充電。當(dāng)電池的檢測(cè)輸入端FB小于3 V時(shí)，充電電路通過小電流對(duì)電池涓流充電。當(dāng)電池的檢測(cè)輸入端FB大于3 V時(shí)，充電電路采用大電流對(duì)鋰電池恒流充電。當(dāng)鋰電池的檢測(cè)輸入端FB接近調(diào)制電壓時(shí)，充電電路提供的電流逐漸變小，CN3083開始恒壓小電流充電模式。當(dāng)輸入電壓超過4.45 V，且充電電流達(dá)到設(shè)置的閾值(最大電流值的10%)時(shí)，充電過程結(jié)束。鋰電池充電電路圖(CN3083充電管理電路圖)如圖3所示，充電過程如圖4所示。

圖3 鋰電池充電電路圖(CN3083充電管理電路圖)

圖4 鋰電池充電過程圖

1.2.2 鋰電池給單片機(jī)供電電路

本文采用的鋰電池在滿電狀態(tài)下的電壓為4.2 V，放電之后變?yōu)?.5 V，而ARM處理器芯片的供電電壓為3.3 V。為了獲得穩(wěn)定、無噪聲的電源供電，本文在電源的輸入端設(shè)計(jì)了線性穩(wěn)壓器，來達(dá)到穩(wěn)壓和抗噪聲的效果。本文采用的電壓轉(zhuǎn)換芯片型號(hào)為MIC5207-3.3BM5，它具有輸出電壓精度高、噪聲小、低壓差、靜態(tài)電流小等優(yōu)點(diǎn)，具體的電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 單片機(jī)供電電路

1.2.3 DC-DC直流電源轉(zhuǎn)換電路

本文采用的大氣壓力、風(fēng)速、風(fēng)向、濕度、溫度傳感器等數(shù)據(jù)采集設(shè)備均需要12 V供電，而太陽(yáng)能電源穩(wěn)壓處理后提供的是3.3 V電壓，需要設(shè)計(jì)相關(guān)DC-DC電路來進(jìn)行升壓[9]。本文采用的直流12 V電源轉(zhuǎn)換電路如圖6所示。圖中CE管腳是用來觸發(fā)PT1301芯片，當(dāng)CE處于高電平時(shí)PT1301芯片開始正常工作。FB是反饋輸入引腳，與12 V Vcc管腳間連接0.1 μF的電容C6。EXT端和外部開關(guān)驅(qū)動(dòng)連接，LX是內(nèi)部開關(guān)輸出端。輸出電壓Vout大小的計(jì)算方法為Vout=(1+R12/R13)×1.25 V。根據(jù)系統(tǒng)12 V 電源的需求，R12和R13分別選取860 kΩ、 100 kΩ的電阻。

圖6 DC-DC轉(zhuǎn)換電路

1.3 數(shù)據(jù)采集模塊

表1 核心傳感器參數(shù)

濕度傳感器溫度傳感器測(cè)量范圍:0～100%RH(非結(jié)露)準(zhǔn)確度:濕度±3%RH測(cè)量分辯率:8位響應(yīng)時(shí)間:≤4 s(1 m/s風(fēng)速)電路工作溫度:-20 ℃～120 ℃測(cè)量范圍:-20 ℃～120 ℃準(zhǔn)確度:±0.5 ℃長(zhǎng)期穩(wěn)定性:≤0.1 ℃/y響應(yīng)時(shí)間:≤15 s(1 m/s風(fēng)速)工作溫度:-20 ℃～120 ℃

光照度傳感器土壤溫度傳感器響應(yīng)時(shí)間:<1 s測(cè)量范圍:0～200000 Lux準(zhǔn)確度:±1%工作溫度:-20 ℃～120 ℃內(nèi)部具有風(fēng)扇調(diào)節(jié)空氣流速,更精準(zhǔn)地測(cè)量空氣溫濕度量程:-40 ℃～120 ℃測(cè)量精度:±0.2 ℃工作電壓:DC24 V工作電流:<30 mA輸出信號(hào):4～20 mA防護(hù)等級(jí):IP68

土壤水分傳感器CO2傳感器量程:0～100%精度:±2%工作溫度:-40 ℃～120 ℃工作電壓:DC 24 V工作電流:<30 mA輸出信號(hào):4～20 mA響應(yīng)時(shí)間:<1 s電源電壓:12 VCO2測(cè)量范圍:0～2000 ppm精度:±10 ppm穩(wěn)定性:<2%非線性:<1%FS反應(yīng)時(shí)間:<150 s信號(hào)輸出:4～20 mA/RS485

數(shù)據(jù)采集模塊主要是通過各類傳感器來獲取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的各類氣象數(shù)據(jù)，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需要采集周圍環(huán)境的濕度、溫度、光照、土壤溫度、土壤水分、大氣壓力等數(shù)據(jù)。在傳感器選型上結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，從被測(cè)量參數(shù)、應(yīng)用環(huán)境因素、傳感器的精度/靈敏度/穩(wěn)定性等方面進(jìn)行選型，既要滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求，同時(shí)也要盡量降低制作成本。綜合以上因素，本文采用的各類傳感器的關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

1.4 GPS和GPRS模塊

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在安徽省范圍內(nèi)多個(gè)市縣開展了監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，需根據(jù)每個(gè)地方的具體農(nóng)業(yè)氣象情況來分析與預(yù)測(cè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)，因此每個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)必須反饋地理位置信息，以便于后期的數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用。全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS)是近年發(fā)展較為成熟的定位技術(shù)，它可以向全球的用戶實(shí)時(shí)發(fā)送高精度的三維位置坐標(biāo)信息，GPS模塊是全球定位系統(tǒng)的實(shí)用型產(chǎn)品，它內(nèi)部包含RF射頻芯片、基帶芯片以及CPU處理芯片[15]。目前GPS模塊種類繁多，性能和價(jià)格也差異較大，考慮性價(jià)比問題，本文采用NEO-6M GPS模塊來進(jìn)行設(shè)計(jì)。該模塊采用UBLOXNEO-6M芯片設(shè)計(jì)，具有性能高效、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，能滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定位要求。具體電路見圖7。

圖7 NEO-6M GPS電路連接圖

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)運(yùn)行主要集中在野外環(huán)境，大多沒有寬帶網(wǎng)絡(luò)覆蓋，需要采用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。DTU是一種實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)闹匾K，其主要功能是為用戶的數(shù)據(jù)采集設(shè)備與遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備之間建立一個(gè)透明的無線數(shù)據(jù)通信通道。本文選用的是深圳三火通信的DTU模塊，它通過中國(guó)電信的NB-IOT網(wǎng)絡(luò)為終端用戶提供遠(yuǎn)距離的無線數(shù)據(jù)傳輸功能。該DTU通過高性能的無線通信處理器，采用超低功耗的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸功能。

2 系統(tǒng)運(yùn)行與測(cè)試

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基站的硬件基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)接到安徽省農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)服務(wù)平臺(tái)(見圖8)，平臺(tái)為省市縣三級(jí)氣象局用戶、物聯(lián)網(wǎng)示范點(diǎn)企業(yè)用戶提供農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。系統(tǒng)先后在安徽省各市縣的56個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行了部署，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每2分鐘采集一次數(shù)據(jù)，在經(jīng)過3年多的24小時(shí)全天候測(cè)試結(jié)果表明：

1)本文設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以穩(wěn)定采集環(huán)境中的各類農(nóng)業(yè)氣象參數(shù)，采集的數(shù)據(jù)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)儀器的檢測(cè)結(jié)果一致。

2)56個(gè)站點(diǎn)同時(shí)與后臺(tái)軟件建立連接，無連接失敗站點(diǎn)，可以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)多個(gè)站點(diǎn)同時(shí)向后臺(tái)發(fā)出連接請(qǐng)求。

3)Web端進(jìn)行壓力測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行良好穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)時(shí)性滿足農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)全天候的監(jiān)測(cè)要求。

經(jīng)過3年多的運(yùn)營(yíng)，農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)穩(wěn)定采集了大量的農(nóng)業(yè)氣象數(shù)據(jù)。圖9為廬江縣“白云春毫”茶葉基地的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)量太大，為了方便圖表顯示，集中選取2018年1月份的數(shù)據(jù)為例說明?；久糠昼姴杉淮螖?shù)據(jù)，共計(jì)有44640條數(shù)據(jù)，包括：空氣溫度/濕度、土壤溫度/水分、CO2濃度、光照強(qiáng)度等6種參數(shù)。從圖中可以看出：數(shù)據(jù)基本完整，未出現(xiàn)明顯丟包情況；數(shù)據(jù)變化的趨勢(shì)與當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)氣象信息一致。此外，利用實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)儀器，隨機(jī)檢測(cè)了2018年1月6日11:25、2018年1月14日15:05、2018年1月24日18:10這3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)，與監(jiān)測(cè)基站返回的數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果為平均誤差<0.5%，所以該系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確反映基地的農(nóng)業(yè)氣象情況。

(a) 空氣溫度

(b) 空氣濕度

(c) 土壤溫度

(d) 土壤濕度

(e) CO2濃度

(f) 光照強(qiáng)度圖9 2018年1月份廬江縣“白云春毫”茶葉基地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一套農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，詳細(xì)分析了監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的整體硬件架構(gòu)，逐一介紹了系統(tǒng)的主要模塊，對(duì)各模塊的器件選型進(jìn)行詳細(xì)分析，設(shè)計(jì)了應(yīng)用電路。本文的農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在56個(gè)市縣進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)監(jiān)測(cè)硬件設(shè)備與軟件平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定，采集的數(shù)據(jù)基本完整，未出現(xiàn)明顯丟包情況；采集的農(nóng)業(yè)氣象數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)與當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)氣象情況一致，且與利用實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)儀器的檢測(cè)結(jié)果偏差較小。該系統(tǒng)滿足了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的農(nóng)業(yè)氣象信息在線監(jiān)測(cè)的需求。