華劍 吳琦 祝青芳 姜汶良 彭士驍

（四川工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川省都江堰市 611830）

1 果蔬環(huán)境數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實時采集系統(tǒng)的設(shè)計背景

近年來，隨著農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級，蔬菜大棚已成為農(nóng)民致富的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之一，采取有效措施提高果蔬生產(chǎn)的經(jīng)濟效益，促進(jìn)果蔬產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，對果蔬產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展具有積極意義[1]。以溫室大棚為例，果蔬溫室種植對環(huán)境要求比較高，穩(wěn)定、適宜的生長環(huán)境將直接決定了果蔬生長，而溫室的作用就是消除外界自然因素的影響[2]，從而提高果蔬的成品率和優(yōu)品率；以果蔬采摘后的儲藏為例，果蔬在超市儲藏方式主要以低溫冷藏為主，注重對溫濕度的控制[3]，從而提高果蔬的保鮮保質(zhì)時間。

由此可見，果蔬無論是在種植生長階段還是在采摘儲藏階段，環(huán)境因素都會對果蔬產(chǎn)生直接的影響，本文擬設(shè)計一款能同時適用于果蔬種植生長階段和采摘儲藏階段的環(huán)境數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實時采集系統(tǒng)，實現(xiàn)采集環(huán)境數(shù)據(jù)、實時報警、歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計和計算等功能，從而提高果蔬種植品質(zhì)，降低果蔬儲藏?fù)p耗。

2 果蔬環(huán)境數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實時采集系統(tǒng)的架構(gòu)

2.1 果蔬環(huán)境數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實時采集系統(tǒng)的整體架構(gòu)

果蔬環(huán)境數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實時采集系統(tǒng)主要由多組環(huán)境數(shù)據(jù)采集傳感器和采集節(jié)點、無線數(shù)據(jù)通信中繼系統(tǒng)以及果蔬環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺三大部分組成，如圖1 所示。

其中，各組環(huán)境數(shù)據(jù)采集傳感器和采集節(jié)點，主要實現(xiàn)多個不同地點的環(huán)境數(shù)據(jù)采集和匯總，并根據(jù)通信指令依次與中繼系統(tǒng)進(jìn)行信息交互；而無線數(shù)據(jù)通信中繼系統(tǒng)，則用于收集、匯總并預(yù)處理各組環(huán)境數(shù)據(jù)采集節(jié)點的各項數(shù)據(jù)，并向平臺網(wǎng)絡(luò)發(fā)送；果蔬環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺用于顯示在不同地方的各個節(jié)點的環(huán)境數(shù)據(jù)，例如：環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、環(huán)境光照度、環(huán)境CO2濃度等等。

2.2 無線數(shù)據(jù)通信中繼系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計

無線數(shù)據(jù)通信中繼系統(tǒng)，主要由STC 核心處理模塊、485 通信模塊、LORA 無線通信模塊、4G 通信模塊、存儲模塊、TFTLCD液晶屏以及多組供電電源電路組成，如圖2 所示。

其中，無線中繼系統(tǒng)的STC 核心處理模塊，主要實現(xiàn)對環(huán)境數(shù)據(jù)采集節(jié)點的數(shù)據(jù)匯總、預(yù)處理以及數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)上傳，485 通信模塊主要實現(xiàn)與環(huán)境數(shù)據(jù)采集節(jié)點之間的通信和數(shù)據(jù)交互，LORA無線通信模塊主要實現(xiàn)中繼系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓展和距離延伸，4G 通信模塊主要實現(xiàn)中繼系統(tǒng)與果蔬環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺之間的數(shù)據(jù)交互，存儲模塊主要實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)采集節(jié)點的數(shù)據(jù)臨時備份；除此外，供電電源電路為無線中繼系統(tǒng)和環(huán)境數(shù)據(jù)采集節(jié)點提供了多組不同方式的供電選擇。

2.3 環(huán)境數(shù)據(jù)采集節(jié)點的架構(gòu)設(shè)計

環(huán)境數(shù)據(jù)采集節(jié)點，主要由STC 核心處理模塊、環(huán)境數(shù)據(jù)采集傳感器組（包括：空氣溫濕度、土壤溫濕度、空氣CO2、光照度等等）、多組485 通信模塊以及2 組不同電壓的供電電路組成，如圖3 所示。

圖1：果蔬環(huán)境數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實時采集系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖2：無線數(shù)據(jù)通信中繼系統(tǒng)的架構(gòu)圖

圖3：環(huán)境數(shù)據(jù)采集節(jié)點的架構(gòu)圖

其中，環(huán)境數(shù)據(jù)采集節(jié)點的STC 核心處理模塊，主要實現(xiàn)根據(jù)中繼系統(tǒng)的指令對多種環(huán)境數(shù)據(jù)采集傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和上傳，而環(huán)境數(shù)據(jù)采集傳感器組則根據(jù)實際的需求提供不同組合的傳感器組，多組485 通信模塊分別實現(xiàn)與傳感器組的通信和與中繼系統(tǒng)的通信；此外，12V～24V 供電電路實現(xiàn)為環(huán)境數(shù)據(jù)采集傳感器組提供電源，3.3V 供電電路則為核心處理模塊實現(xiàn)供電。

3 果蔬環(huán)境數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實時采集系統(tǒng)的主要元器件選型分析

3.1 無線數(shù)據(jù)通信中繼系統(tǒng)和環(huán)境數(shù)據(jù)采集節(jié)點的核心處理器的選型分析

無線數(shù)據(jù)通信中繼系統(tǒng)和環(huán)境數(shù)據(jù)采集節(jié)點2 個部件核心處理器的選擇,主要考慮編程特點、價格、處理速度、串行接口數(shù)量、功耗情況等諸多因素；最終選用宏晶科技公司的STC 單片機系列STC15W4K64S4 芯片，該芯片有4 路串行口，能支持系統(tǒng)的多組485 通信和無線通信；同時，該芯片F(xiàn)lash ROM 有56K Byte，SRAM 有4K Byte，能滿足本系統(tǒng)的代碼空間和運行要求；此外，該芯片供電范圍為2.5V 至5.5V，具備低功耗模式，能滿足本系統(tǒng)對電源和耗電情況的要求。

3.2 主要傳感器的選型分析

本系統(tǒng)中的傳感器主要涉及空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、空氣CO2濃度、環(huán)境光照度等多種，傳感器的選擇與系統(tǒng)具體使用場景有關(guān)，不同的場景所選的傳感器都有所差異；因此，主要考慮傳感器的穩(wěn)定性、可靠性以及通信協(xié)議的一致性等因素，同時結(jié)合具體的應(yīng)用場景考慮具體傳感器的檢測量程、測量精度、供電范圍、通信方式以及響應(yīng)時間等因素進(jìn)行選型。本系統(tǒng)用于環(huán)境數(shù)據(jù)檢測的傳感器組，選用的是精訊暢通公司的傳感器系列，通信方式均選用485 通信，供電范圍選擇直流12V～24V。

3.3 其他主要元器件的選型分析

系統(tǒng)的其它主要元器件主要涉及供電電路、無線LORA 通信模塊以及4G 模塊。本系統(tǒng)的供電電路主要選用TI 公司的同步降壓轉(zhuǎn)換芯片LMR33630，該芯片輸入電壓范圍和輸出電壓范圍均寬，分別為輸入3.8V 至 36V、輸出1V 至24V，同時該芯片輸出電流可達(dá)到3A，適用于條件嚴(yán)苛的工業(yè)應(yīng)用；本系統(tǒng)的無線LORA 通信模塊選用億佰通公司的E22-400T22D 模塊，該模塊工作頻段為433MHZ，發(fā)射功率22dBm，采用UART 方式通信，空中通信速率為0.3k 至62.5kbps，通信距離可達(dá)5km，而且工作電壓范圍與核心處理器芯片一致，都為2.5V～5.5V DC；本系統(tǒng)的4G 模塊選用有人公司的USR-G780 V2 模塊，該模塊不僅支持聯(lián)通、移動和電信的4G 通信，也支持聯(lián)通和移動的2G/3G 通信，支持RS485 和RS232兩種接口，通信速率可從1200bps 到460800bps，同時支持TCP Client、TCP Server、UDP Client、UDP Server 四種透傳方式，方便編程配置和交互。

4 果蔬環(huán)境數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實時采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)選用Keil C 作為系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境、選用STC-ISP 作為系統(tǒng)的下載燒錄軟件，軟件主要包括采集指令的交互、環(huán)境數(shù)據(jù)循環(huán)采集、節(jié)點數(shù)據(jù)的處理和上傳、中繼系統(tǒng)的數(shù)據(jù)預(yù)處理和顯示、中繼系統(tǒng)數(shù)據(jù)的匯總和網(wǎng)絡(luò)上傳、系統(tǒng)的無線通信擴展、采集數(shù)據(jù)的備份等多個部分，本文僅介紹環(huán)境數(shù)據(jù)采集節(jié)點和無線數(shù)據(jù)通信中繼系統(tǒng)的整體軟件設(shè)計思路。

4.1 環(huán)境數(shù)據(jù)采集節(jié)點的軟件設(shè)計

環(huán)境數(shù)據(jù)采集節(jié)點主要實現(xiàn)接收中繼系統(tǒng)的指令進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、分析和反饋，主要流程為：啟動485 通信，等待中繼系統(tǒng)下發(fā)指令→接收指令，進(jìn)行指令解析并判斷（包括：節(jié)點ID 的解析、指令具體命令的解析等等）→確認(rèn)指令是向該節(jié)點發(fā)布的（例如：指令與節(jié)點ID 匹配），則啟動另一組485 通信，依次向具體的傳感器下發(fā)傳感器的ID 和指令→依次等待并接收傳感器的反饋數(shù)據(jù)→循環(huán)一遍傳感器組后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的打包處理，等待中繼系統(tǒng)下發(fā)數(shù)據(jù)上傳指令→接收到上傳指令，發(fā)送打包數(shù)據(jù)，完成后進(jìn)入待機狀態(tài)。

4.2 無線數(shù)據(jù)通信中繼系統(tǒng)的軟件設(shè)計

無線數(shù)據(jù)通信中繼系統(tǒng)主要起數(shù)據(jù)橋梁作用，實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)采集節(jié)點與果蔬環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺之間的數(shù)據(jù)傳遞和預(yù)處理，主要流程為：啟動485 通信，定時依次向各節(jié)點下發(fā)數(shù)據(jù)采集指令→等待節(jié)點的指令完成信號→依次向節(jié)點下發(fā)數(shù)據(jù)的上傳指令→依次接收各節(jié)點的打包數(shù)據(jù)，進(jìn)行解析和預(yù)處理，將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行本地液晶屏實時顯示→啟動無線LORA 通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)擴展通信→針對有疑問的數(shù)據(jù)（例如：超限等），與該節(jié)點重新進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、上傳、解析和預(yù)處理→收集完各個節(jié)點的數(shù)據(jù)后，啟動數(shù)據(jù)備份程序進(jìn)行備份→啟動4G 通信模塊，將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包向網(wǎng)絡(luò)后臺發(fā)送。

5 果蔬環(huán)境數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實時采集系統(tǒng)的應(yīng)用

5.1 系統(tǒng)在溫室大棚中的應(yīng)用

本系統(tǒng)在學(xué)校對口扶貧的丹巴縣投入了試點運用，試點基地位于丹巴縣丹東鎮(zhèn)的云心草莓園內(nèi)。系統(tǒng)針對當(dāng)?shù)胤N植高原草莓的大棚環(huán)境數(shù)據(jù)采集，在傳感器選型上做了具體的選擇和變化，例如：增加了與草莓生長關(guān)聯(lián)度較大的土壤電導(dǎo)率傳感器，由于大棚內(nèi)濕度較高因此棚內(nèi)的空氣溫濕度選用了小型百葉箱樣式的集成傳感器，同時由于在戶外白天光亮明顯因此光照度傳感器量程選用的是20 萬ulx。此外，系統(tǒng)針對當(dāng)?shù)厝照展饩€足、大棚數(shù)量較多、距離相對分散以及偶爾會停電等特點，在原有的電源供電電路基礎(chǔ)上，增加了太陽能供電電路以及市電與太陽能供電切換電路，以便系統(tǒng)對高原草莓大棚的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實時采集能長期持續(xù)進(jìn)行。

系統(tǒng)根據(jù)丹巴高原草莓大棚的實際應(yīng)用場景和現(xiàn)場因素，經(jīng)過以上針對性優(yōu)化，已投入當(dāng)?shù)貙嶋H運行，能實時采集高原草莓生長環(huán)境數(shù)據(jù)，不僅有助于夏季高原草莓科學(xué)種植，有助于提高草莓品質(zhì)和數(shù)量，相對2020年高原草莓產(chǎn)量，預(yù)期能提高產(chǎn)量20%以上；而且能減少農(nóng)戶勞動強度，增加農(nóng)戶種植數(shù)量和農(nóng)戶收益，相對2020年高原草莓農(nóng)戶種植數(shù)量，預(yù)期能擴大農(nóng)戶種植數(shù)量20%以上，相對2020年高原草莓項目農(nóng)戶收益，預(yù)期能增加農(nóng)戶收益30%以上。

5.2 系統(tǒng)在果蔬保鮮中的應(yīng)用

本系統(tǒng)也應(yīng)用在果蔬保鮮裝置之中，在校內(nèi)進(jìn)行了測試。針對果蔬室內(nèi)保鮮的應(yīng)用場景，系統(tǒng)也做了相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化，例如：傳感器選型上選擇了成本相對較低的塑料封裝形式，同時取消了土壤溫濕度傳感器，增加了其他類型的氣敏傳感器；由于在室內(nèi)光亮度遠(yuǎn)低于戶外，因此光照度傳感器的量程選用了常規(guī)的65535ulx。電源電路方面，針對未來果蔬保鮮運輸，增加了汽車供電電路以及市電切換電路，以便系統(tǒng)能隨果蔬運輸，能在運輸過程中依然保障系統(tǒng)能可靠運行。經(jīng)過校內(nèi)的測試，系統(tǒng)在果蔬保鮮儲藏和運輸過程中，能穩(wěn)定運行。

6 結(jié)束語

系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)果顯示系統(tǒng)不僅可以適用于果蔬種植生長的大棚，也可適用于果蔬采摘儲藏保鮮，但針對不同的應(yīng)用場景，系統(tǒng)的傳感器選型、供電以及其他部件要做一定的調(diào)整，此外，還需要進(jìn)一步對實時采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用，提升系統(tǒng)的實用性。