基于物聯網的茶場生態環境監測系統設計

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網的茶場生態環境監測系統。系統利用各類氣象傳感器監測茶場的環境參數，通過GPRS與主控通信，由主控對所有傳感器采集的數據進行匯總、分析、顯示、存儲等操作，對實時數據做出相應判斷后將結果利用無線通信發送給管理員，之后管理員根據結果采取應對措施，以提升茶場生態環境的監測效率。

關鍵詞：傳感器;茶場;數據采集;生態環境監測;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

隨著茶葉產品種類的增多，種植加工茶葉的企業亦隨之增長，為茶場管理帶來困難。目前國內茶場存在的主要問題是管理水平低下、管理不規范，而造成這些問題的原因在于經營者對茶場管理不重視，管理人員未受過專業培訓，傳統茶場難以適應市場競爭。因此，利用STM32F103芯片作為數據采集儀的MCU，結合GPRS無線通信實現主控STM32與管理員的遠程通信，通過氣象傳感器對茶場環境進行監測，開發出基于物聯網的茶場生態環境監測系統。

1 系統總體設計

茶場生態環境監測系統分為五部分，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主控制器作為系統的核心，負責將傳感器采集的數據存儲到芯片中，并對采集的數據進行分析。

（2）太陽能電源將采集的太陽能轉換為電能，負責為系統供電以節省能源。

（3）傳感器設備實時監測茶場環境中的各項參數[1-2]，并將環境參數傳給主控。

（4）GPRS無線通信作為該監測系統的通信工具，可將系統監測到的數據通過短信告知管理員[3]。

（5）手機終端負責接收茶場生態環境的實時情況，并顯示采集到的數據。

2 系統硬件設計

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、內部FLASH容量大、外設接口數量多且功能強大、處理速度快等優點。按照系統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。系統硬件組成如圖2所示。

2.1 傳感器模塊

對茶葉作物生長環境的監測應經過實地考察和研究，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對茶葉作物參數的實時采集[4]。

光照強度傳感器基于BH1750光照強度傳感器芯片開發設計而成，通過I2C協議實現數據傳輸;土壤pH值采集通過土壤水分傳感器實現，其工作電壓為12 V，通過RS 485接口實現數據傳輸;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接口進行數據傳輸的風向標式風向傳感器檢測風向;大氣壓強數據的采集基于BMP180大氣壓強傳感器設計，通過I2C協議實現數據傳輸[5];空氣溫濕度的采集選用SHT10大氣溫濕度傳感器，利用I2C協議進行數據傳輸[6]。

2.2 電源模塊

該監測系統的供電裝置為太陽能蓄電池，其輸出電壓為12 V。當開關電路閉合時，其中一路使用LM-7805穩壓芯片將電壓穩定在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，組件將產生直流電壓，并將采集的光能轉換為電能。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能力，同時充放能力優異，能夠在不同的環境下正常使用。

2.3 通信模塊

通信模塊適用于信息化程度不高、交通環境較差等條件下的茶場[7]。該遠程通信系統采用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、工作模式簡單等優點，只需將管理員的SIM卡插入GPRS模塊即可接收茶場的環境參數，并通過串口與主控連接，實現與管理員的遠程通信。

3 系統軟件設計

通過傳感器采集茶場環境數據[8]，并將采集到的數據發送至STM32單片機，由STM32單片機中的微處理器對采集到的數據進行處理并判斷，之后系統會發出相應的處理命令，經GPRS通信模塊將信息傳送至手機，管理員執行相應操作。軟件程序流程如圖3所示。

4 結 語

該系統主要實現了茶葉生長過程中環境參數的實時遠程監測和預警，針對茶葉的生長環境特點，系統結合傳感器技術、無線通信技術完成了監控系統的研發。解決了目前市面上同類產品存在的成本高、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、成本低等優點，充分滿足了茶場的需求。同時，該系統還可用于其他農作物的監測。

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