基于物聯(lián)網(wǎng)的茶場生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計

肖婷　崔忠偉　趙勇　桑海偉

摘 要：為了更好地管理茶廠，以STM32F103ZET6為主控設計了一款基于物聯(lián)網(wǎng)的茶場生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)利用各類氣象傳感器監(jiān)測茶場的環(huán)境參數(shù)，通過GPRS與主控通信，由主控對所有傳感器采集的數(shù)據(jù)進行匯總、分析、顯示、存儲等操作，對實時數(shù)據(jù)做出相應判斷后將結(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)果采取應對措施，以提升茶場生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測效率。

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

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：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，為茶場管理帶來困難。目前國內(nèi)茶場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)營者對茶場管理不重視，管理人員未受過專業(yè)培訓，傳統(tǒng)茶場難以適應市場競爭。因此，利用STM32F103芯片作為數(shù)據(jù)采集儀的MCU，結(jié)合GPRS無線通信實現(xiàn)主控STM32與管理員的遠程通信，通過氣象傳感器對茶場環(huán)境進行監(jiān)測，開發(fā)出基于物聯(lián)網(wǎng)的茶場生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設計

茶場生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)分為五部分，分別為STM32主控制器、太陽能電源、傳感器設備、GPRS無線通信設備和手機終端，如圖1所示。

（1）STM32主控制器作為系統(tǒng)的核心，負責將傳感器采集的數(shù)據(jù)存儲到芯片中，并對采集的數(shù)據(jù)進行分析。

（2）太陽能電源將采集的太陽能轉(zhuǎn)換為電能，負責為系統(tǒng)供電以節(jié)省能源。

（3）傳感器設備實時監(jiān)測茶場環(huán)境中的各項參數(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)測系統(tǒng)的通信工具，可將系統(tǒng)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過短信告知管理員[3]。

（5）手機終端負責接收茶場生態(tài)環(huán)境的實時情況，并顯示采集到的數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)硬件設計

本設計將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個定時器，2個I2C接口，3個USART接口，2個SPI接口。該MCU具有低功耗、低成本、內(nèi)部FLASH容量大、外設接口數(shù)量多且功能強大、處理速度快等優(yōu)點。按照系統(tǒng)的功能要求將硬件設計分為氣象傳感器模塊、通信模塊以及太陽能電源模塊。系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。

2.1 傳感器模塊

對茶葉作物生長環(huán)境的監(jiān)測應經(jīng)過實地考察和研究，并兼顧實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，太陽光照強度傳感器，土壤pH值、雨量、土壤溫濕度、風速、風向、大氣壓強、空氣溫濕度傳感器來實現(xiàn)對茶葉作物參數(shù)的實時采集[4]。

光照強度傳感器基于BH1750光照強度傳感器芯片開發(fā)設計而成，通過I2C協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸;土壤pH值采集通過土壤水分傳感器實現(xiàn)，其工作電壓為12 V，通過RS 485接口實現(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溫度傳感器測量土壤溫度;采用工作電壓為12 V的三軸風杯式風速傳感器檢測風速;利用RS 485接口進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)娘L向標式風向傳感器檢測風向;大氣壓強數(shù)據(jù)的采集基于BMP180大氣壓強傳感器設計，通過I2C協(xié)議實現(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)議進行數(shù)據(jù)傳輸[6]。

2.2 電源模塊

該監(jiān)測系統(tǒng)的供電裝置為太陽能蓄電池，其輸出電壓為12 V。當開關(guān)電路閉合時，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的傳感器設備。太陽能蓄電的原理是當太陽照射到太陽能組件后，組件將產(chǎn)生直流電壓，并將采集的光能轉(zhuǎn)換為電能。選擇太陽能蓄電池的原因在于太陽能蓄電池具有較長的使用壽命與較強的循環(huán)能力，同時充放能力優(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[7]。該遠程通信系統(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，可開機自啟動。GPRS通信模塊具有成本低、性能可靠、使用方便、工作模式簡單等優(yōu)點，只需將管理員的SIM卡插入GPRS模塊即可接收茶場的環(huán)境參數(shù)，并通過串口與主控連接，實現(xiàn)與管理員的遠程通信。

3 系統(tǒng)軟件設計

通過傳感器采集茶場環(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，由STM32單片機中的微處理器對采集到的數(shù)據(jù)進行處理并判斷，之后系統(tǒng)會發(fā)出相應的處理命令，經(jīng)GPRS通信模塊將信息傳送至手機，管理員執(zhí)行相應操作。軟件程序流程如圖3所示。

4 結(jié) 語

該系統(tǒng)主要實現(xiàn)了茶葉生長過程中環(huán)境參數(shù)的實時遠程監(jiān)測和預警，針對茶葉的生長環(huán)境特點，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、實時性強、成本低等優(yōu)點，充分滿足了茶場的需求。同時，該系統(tǒng)還可用于其他農(nóng)作物的監(jiān)測。

參 考 文 獻

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