肖婷　崔忠偉　趙勇　桑海偉

摘 要：為了更好地管理茶廠，以STM32F103ZET6為主控設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)的茶場(chǎng)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)利用各類氣象傳感器監(jiān)測(cè)茶場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)，通過GPRS與主控通信，由主控對(duì)所有傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、分析、顯示、存儲(chǔ)等操作，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)做出相應(yīng)判斷后將結(jié)果利用無線通信發(fā)送給管理員，之后管理員根據(jù)結(jié)果采取應(yīng)對(duì)措施，以提升茶場(chǎng)生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)效率。

關(guān)鍵詞：傳感器;茶場(chǎng);數(shù)據(jù)采集;生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè);STM32;無線通信

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）03-00-02

0 引 言

隨著茶葉產(chǎn)品種類的增多，種植加工茶葉的企業(yè)亦隨之增長(zhǎng)，為茶場(chǎng)管理帶來困難。目前國(guó)內(nèi)茶場(chǎng)存在的主要問題是管理水平低下、管理不規(guī)范，而造成這些問題的原因在于經(jīng)營(yíng)者對(duì)茶場(chǎng)管理不重視，管理人員未受過專業(yè)培訓(xùn)，傳統(tǒng)茶場(chǎng)難以適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。因此，利用STM32F103芯片作為數(shù)據(jù)采集儀的MCU，結(jié)合GPRS無線通信實(shí)現(xiàn)主控STM32與管理員的遠(yuǎn)程通信，通過氣象傳感器對(duì)茶場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，開發(fā)出基于物聯(lián)網(wǎng)的茶場(chǎng)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

茶場(chǎng)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為五部分，分別為STM32主控制器、太陽(yáng)能電源、傳感器設(shè)備、GPRS無線通信設(shè)備和手機(jī)終端，如圖1所示。

（1）STM32主控制器作為系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)將傳感器采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到芯片中，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

（2）太陽(yáng)能電源將采集的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，負(fù)責(zé)為系統(tǒng)供電以節(jié)省能源。

（3）傳感器設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)茶場(chǎng)環(huán)境中的各項(xiàng)參數(shù)[1-2]，并將環(huán)境參數(shù)傳給主控。

（4）GPRS無線通信作為該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通信工具，可將系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)通過短信告知管理員[3]。

（5）手機(jī)終端負(fù)責(zé)接收茶場(chǎng)生態(tài)環(huán)境的實(shí)時(shí)情況，并顯示采集到的數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)將STM32F103ZET6作為主控芯片，該芯片是最高工作頻率為72 MHz的32位微處理器，擁有8個(gè)定時(shí)器，2個(gè)I2C接口，3個(gè)USART接口，2個(gè)SPI接口。該MCU具有低功耗、低成本、內(nèi)部FLASH容量大、外設(shè)接口數(shù)量多且功能強(qiáng)大、處理速度快等優(yōu)點(diǎn)。按照系統(tǒng)的功能要求將硬件設(shè)計(jì)分為氣象傳感器模塊、通信模塊以及太陽(yáng)能電源模塊。系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。

2.1 傳感器模塊

對(duì)茶葉作物生長(zhǎng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)應(yīng)經(jīng)過實(shí)地考察和研究，并兼顧實(shí)用性與低成本的原則。氣象傳感器模塊集成了大氣溫濕度傳感器，太陽(yáng)光照強(qiáng)度傳感器，土壤pH值、雨量、土壤溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、大氣壓強(qiáng)、空氣溫濕度傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)茶葉作物參數(shù)的實(shí)時(shí)采集[4]。

光照強(qiáng)度傳感器基于BH1750光照強(qiáng)度傳感器芯片開發(fā)設(shè)計(jì)而成，通過I2C協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸;土壤pH值采集通過土壤水分傳感器實(shí)現(xiàn)，其工作電壓為12 V，通過RS 485接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸;雨量傳感器選用工作電壓為12 V的雨量筒型傳感器;采用DS18B20溫度傳感器測(cè)量土壤溫度;采用工作電壓為12 V的三軸風(fēng)杯式風(fēng)速傳感器檢測(cè)風(fēng)速;利用RS 485接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)娘L(fēng)向標(biāo)式風(fēng)向傳感器檢測(cè)風(fēng)向;大氣壓強(qiáng)數(shù)據(jù)的采集基于BMP180大氣壓強(qiáng)傳感器設(shè)計(jì)，通過I2C協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[5];空氣溫濕度的采集選用SHT10大氣溫濕度傳感器，利用I2C協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[6]。

2.2 電源模塊

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的供電裝置為太陽(yáng)能蓄電池，其輸出電壓為12 V。當(dāng)開關(guān)電路閉合時(shí)，其中一路使用LM-7805穩(wěn)壓芯片將電壓穩(wěn)定在5 V左右輸出，以使工作電壓為5 V的傳感器設(shè)備能夠正常工作。另一路直接供給工作電壓為12 V的傳感器設(shè)備。太陽(yáng)能蓄電的原理是當(dāng)太陽(yáng)照射到太陽(yáng)能組件后，組件將產(chǎn)生直流電壓，并將采集的光能轉(zhuǎn)換為電能。選擇太陽(yáng)能蓄電池的原因在于太陽(yáng)能蓄電池具有較長(zhǎng)的使用壽命與較強(qiáng)的循環(huán)能力，同時(shí)充放能力優(yōu)異，能夠在不同的環(huán)境下正常使用。

2.3 通信模塊

通信模塊適用于信息化程度不高、交通環(huán)境較差等條件下的茶場(chǎng)[7]。該遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)采用GPRS模塊通信，該模塊由Goouuu_A6模組組成，采用5～9 V電壓供電，可開機(jī)自啟動(dòng)。GPRS通信模塊具有成本低、性能可靠、使用方便、工作模式簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，只需將管理員的SIM卡插入GPRS模塊即可接收茶場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)，并通過串口與主控連接，實(shí)現(xiàn)與管理員的遠(yuǎn)程通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

通過傳感器采集茶場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)[8]，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至STM32單片機(jī)，由STM32單片機(jī)中的微處理器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并判斷，之后系統(tǒng)會(huì)發(fā)出相應(yīng)的處理命令，經(jīng)GPRS通信模塊將信息傳送至手機(jī)，管理員執(zhí)行相應(yīng)操作。軟件程序流程如圖3所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了茶葉生長(zhǎng)過程中環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和預(yù)警，針對(duì)茶葉的生長(zhǎng)環(huán)境特點(diǎn)，系統(tǒng)結(jié)合傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)完成了監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)。解決了目前市面上同類產(chǎn)品存在的成本高、維修不易、通用能力差等一系列問題，具有使用方便、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，充分滿足了茶場(chǎng)的需求。同時(shí)，該系統(tǒng)還可用于其他農(nóng)作物的監(jiān)測(cè)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]華馳，姜彬，王輝.一種可聯(lián)網(wǎng)的在線農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（4）：345-349.

[2]吳丹.關(guān)于農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)的作用的分析[J].北京農(nóng)業(yè)，2012（6）：188.

[3]馬從國(guó)，胡應(yīng)占，王建國(guó).國(guó)內(nèi)雞舍小氣候環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)研究[J].黑龍江畜牧獸醫(yī)，2015（2）：85-87.

[4] CHEN Y W，XIE Y J，WANG Z，et al. Analysis and application on sensitivity factors of cross validation of fill rate of CPR1000 unit reactor core coolant monitoring system [J]. Annals of nuclear energy，2019.

[5]李旭，花元濤，劉韜，等.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的果園環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2019（14）：254-256.

[6]鄭貴林，曾志威.基于QQ物聯(lián)平臺(tái)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019（5）：187-191.

[7]方和平，朱家沅.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)農(nóng)業(yè)環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2018，8（9）：14-16.

[8]安明明.基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D].上海：上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，2017.

[9]高同輝，郭蕊.基于ARM的家用智能垃圾桶設(shè)計(jì)[J].電子科技，2012，25（11）：55-58.

[10]劉方，林素敏，單魚洋.基于LabVIEW的農(nóng)業(yè)微環(huán)境多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2019，27（5）：91-95.

[11]朱均超，張強(qiáng)，趙巖.基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2018，39（9）：76-80.

[12]王恩亮，華馳.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2016，24（5）：18-20.

[13]胡躍鑫.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)小氣候環(huán)境中的研究及其應(yīng)用[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)建筑大學(xué)，2017.

[14]丁倩.湄潭縣茶葉產(chǎn)業(yè)化的實(shí)踐與成效分析[J].山西農(nóng)經(jīng)，2019（7）：78-80.