茶田生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計

劉 超，邱明輝

（北京郵電大學世紀學院 電子與自動化系，北京 102101）

隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡已深入農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，眾多食用菌、水果、蔬菜的大棚都紛紛引進數(shù)字化監(jiān)測系統(tǒng)，全方位地采集棚中環(huán)境信息，大大提高了蔬菜、水果產(chǎn)量，并節(jié)省了菜農(nóng)們的時間。茶葉作為我國重要的經(jīng)濟作物，對生長環(huán)境的要求極為苛刻，因此對茶田生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測尤為重要，急需設計一個茶田生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)來全天候監(jiān)測茶田的環(huán)境狀況，提高茶葉的產(chǎn)量，從而方便茶農(nóng)的日常管理，將無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)拓展到茶葉種植領(lǐng)域。

從現(xiàn)有的種植環(huán)境來看，茶田中的空氣溫濕度、光照強度、土壤濕度、空氣質(zhì)量等對茶葉的生長有著至關(guān)重要的影響，如果對茶田中的這幾個參數(shù)進行實時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題及時處理，那么茶田的產(chǎn)量和質(zhì)量都會得到提升，一旦茶葉好，產(chǎn)量和質(zhì)量有了提高，那么就意味著茶葉市場會更加有活力，更能帶動“一帶一路”經(jīng)濟的發(fā)展，因此對茶田生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)是十分必要的。景區(qū)茶田的日常管理工作大多都依靠經(jīng)驗豐富的老茶農(nóng)，由于茶田分散較廣，日常環(huán)境監(jiān)測的工作量較大，急需一套便利的茶田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)來協(xié)助茶農(nóng)管理茶田。茶田生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器檢測技術(shù)、無線通信技術(shù)等現(xiàn)代電子技術(shù)應用于茶田的日常管理中。傳感器能夠準確地監(jiān)測到茶田生態(tài)環(huán)境的變化，利用無線網(wǎng)絡傳送至茶農(nóng)的手機終端，以便隨時掌握茶葉生長環(huán)境的變化情況，從而采取措施。

1 總體設計

通過對該系統(tǒng)應用環(huán)境的分析及設計方案的反復論證得出，茶田生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應具有對監(jiān)測范圍內(nèi)空氣、土壤中溫濕度等信息進行精準采集的功能，以及將采集到的各種環(huán)境信息一一發(fā)送至用戶終端的功能，因此該系統(tǒng)要具備采集數(shù)據(jù)精準、處理速度快、發(fā)送速率高等特點，以滿足茶田的日常管理需求。茶田生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)通過利用各種新興電子設備，實時、系統(tǒng)、準確地對茶田生態(tài)環(huán)境的土壤濕度、空氣溫濕度、光照強度、PM2.5空氣質(zhì)量等進行采集，各監(jiān)測模塊采集到的數(shù)據(jù)通過WiFi模塊實時發(fā)送至手機終端上顯示。其主要目的是方便茶農(nóng)了解茶田當前的生態(tài)環(huán)境狀況，判斷是否需要養(yǎng)護。

2 主控器模塊

根據(jù)對茶田生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計分析及各監(jiān)測模塊的需求，主控制器選用STC12C5A60S2單片機，其特點是高速、功耗低、抗干擾性強，自帶8路10位A/D轉(zhuǎn)換電路，A/D采樣精度高，且采樣類型為逐次逼近型，速度較快，滿足外部模擬量、數(shù)字量傳感器的數(shù)據(jù)采集需求，無需再外擴AD轉(zhuǎn)換電路，節(jié)省資源；帶有2個串口，方便數(shù)據(jù)傳輸。

3 土壤濕度監(jiān)測模塊

土壤濕度監(jiān)測模塊主要完成茶田土壤濕潤程度變化的實時監(jiān)測工作。茶樹喜潮濕，土壤濕度低茶樹無法生長，濕度過高會引發(fā)霉病，因此實時準確地采集土壤濕度最為重要，使用模擬量土壤濕度傳感器精確地采集數(shù)據(jù)，確保茶樹生長在適宜的土壤濕度環(huán)境下，模擬量土壤濕度傳感器精度高、實用性強、成本低，滿足茶田土壤濕度監(jiān)測要求。

4 空氣溫濕度監(jiān)測模塊

空氣溫濕度監(jiān)測電路設計主要考慮空氣溫濕度對茶樹生長的影響，茶樹適宜生長在空氣濕度較大的地區(qū)，且溫度在18～25℃之間，溫度過高或過低都不利于茶樹的生長，保證茶田適宜的溫濕度才能生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的茶葉，因此選擇DHT11溫濕度傳感器，其測量范圍是溫度0～50℃，濕度20%～90%，滿足茶田空氣溫濕度的監(jiān)測要求。

5 光照強度監(jiān)測模塊

過強的光照對茶葉中氨基酸的合成不利，影響茶葉的口感。茶樹喜陰，但光照也不可或缺，漫射光是茶樹生長的最佳光源，因此使用16位兩線式串行總線接口的數(shù)字量BH1750FVI光照強度傳感器，以流明為單位，精準地采集茶田光照度，以便在光照過強時警示茶農(nóng)遮擋光線。

6 PM2.5空氣質(zhì)量監(jiān)測模塊

優(yōu)質(zhì)的生態(tài)環(huán)境孕育優(yōu)質(zhì)的茶葉，保持好的空氣質(zhì)量對茶樹的生長十分有益，生產(chǎn)出的茶葉質(zhì)量也自然會有所提高。使用GP2Y1023AU0F空氣質(zhì)量監(jiān)測模塊采集粉塵顆粒的濃度和PM2.5濃度，來判斷空氣質(zhì)量的好壞，保持良好的茶田空氣質(zhì)量才能產(chǎn)出高品質(zhì)的茶葉，從而吸引更多的茶葉愛好者來傳播中國的茶文化。

7 無線通信模塊

因該系統(tǒng)各傳感器采集數(shù)據(jù)量較大，且需要穩(wěn)定地傳輸，因此無線通信模塊選用ESP8266無線收發(fā)模塊，ESP8266內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，支持802.11 b/g/n協(xié)議，可自組網(wǎng)絡，具有傳輸距離遠、速率高、傳輸穩(wěn)定、功耗低等特點，滿足系統(tǒng)中各傳感器數(shù)據(jù)快速、穩(wěn)定的發(fā)送需求。

8 結(jié)束語

茶田生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可以大大節(jié)省人力、物力，且采集數(shù)據(jù)精準，有助于茶葉生產(chǎn)質(zhì)量的提升。該系統(tǒng)實現(xiàn)了茶田中土壤濕度、空氣溫濕度、光照強度及PM2.5空氣質(zhì)量的監(jiān)測，并通過無線通信模塊實時發(fā)送至手機上，使茶農(nóng)足不出戶便可知道準確的茶田生態(tài)環(huán)境信息，以便在需要時采取相應措施，保證茶樹在適宜的環(huán)境下生長。該系統(tǒng)可以根據(jù)不同的茶田需求，自由擴展或裁剪傳感器的種類，其具有體積小、功耗低、精度高、使用方便等特點。茶田生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動化中的又一個應用，現(xiàn)如今物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)等現(xiàn)代電子技術(shù)正在被快速地應用到生活中的各個領(lǐng)域，這有助于我國科技創(chuàng)新的進步，促進科技產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，為“一帶一路”提供動力。

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