果蔬環境數據遠程實時采集系統的設計和實踐

華劍 吳琦 祝青芳 姜汶良 彭士驍

（四川工商職業技術學院 四川省都江堰市 611830）

1 果蔬環境數據遠程實時采集系統的設計背景

近年來，隨著農村產業結構的升級，蔬菜大棚已成為農民致富的主導產業之一，采取有效措施提高果蔬生產的經濟效益，促進果蔬產業化進程，對果蔬產業的進一步發展具有積極意義[1]。以溫室大棚為例，果蔬溫室種植對環境要求比較高，穩定、適宜的生長環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，環境因素都會對果蔬產生直接的影響，本文擬設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境數據遠程實時采集系統，實現采集環境數據、實時報警、歷史數據統計和計算等功能，從而提高果蔬種植品質，降低果蔬儲藏損耗。

2 果蔬環境數據遠程實時采集系統的架構

2.1 果蔬環境數據遠程實時采集系統的整體架構

果蔬環境數據遠程實時采集系統主要由多組環境數據采集傳感器和采集節點、無線數據通信中繼系統以及果蔬環境數據監控平臺三大部分組成，如圖1 所示。

其中，各組環境數據采集傳感器和采集節點，主要實現多個不同地點的環境數據采集和匯總，并根據通信指令依次與中繼系統進行信息交互；而無線數據通信中繼系統，則用于收集、匯總并預處理各組環境數據采集節點的各項數據，并向平臺網絡發送；果蔬環境數據監控平臺用于顯示在不同地方的各個節點的環境數據，例如：環境溫度、環境濕度、環境光照度、環境CO2濃度等等。

2.2 無線數據通信中繼系統的架構設計

無線數據通信中繼系統，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，無線中繼系統的STC 核心處理模塊，主要實現對環境數據采集節點的數據匯總、預處理以及數據的網絡上傳，485 通信模塊主要實現與環境數據采集節點之間的通信和數據交互，LORA無線通信模塊主要實現中繼系統的網絡拓展和距離延伸，4G 通信模塊主要實現中繼系統與果蔬環境數據監控平臺之間的數據交互，存儲模塊主要實現環境數據采集節點的數據臨時備份；除此外，供電電源電路為無線中繼系統和環境數據采集節點提供了多組不同方式的供電選擇。

2.3 環境數據采集節點的架構設計

環境數據采集節點，主要由STC 核心處理模塊、環境數據采集傳感器組（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：果蔬環境數據遠程實時采集系統架構圖

圖2：無線數據通信中繼系統的架構圖

圖3：環境數據采集節點的架構圖

其中，環境數據采集節點的STC 核心處理模塊，主要實現根據中繼系統的指令對多種環境數據采集傳感器進行數據的采集和上傳，而環境數據采集傳感器組則根據實際的需求提供不同組合的傳感器組，多組485 通信模塊分別實現與傳感器組的通信和與中繼系統的通信；此外，12V～24V 供電電路實現為環境數據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供電。

3 果蔬環境數據遠程實時采集系統的主要元器件選型分析

3.1 無線數據通信中繼系統和環境數據采集節點的核心處理器的選型分析

無線數據通信中繼系統和環境數據采集節點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，能支持系統的多組485 通信和無線通信；同時，該芯片Flash ROM 有56K Byte，SRAM 有4K Byte，能滿足本系統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、環境光照度等多種，傳感器的選擇與系統具體使用場景有關，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定性、可靠性以及通信協議的一致性等因素，同時結合具體的應用場景考慮具體傳感器的檢測量程、測量精度、供電范圍、通信方式以及響應時間等因素進行選型。本系統用于環境數據檢測的傳感器組，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。本系統的供電電路主要選用TI 公司的同步降壓轉換芯片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到3A，適用于條件嚴苛的工業應用；本系統的無線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；本系統的4G 模塊選用有人公司的USR-G780 V2 模塊，該模塊不僅支持聯通、移動和電信的4G 通信，也支持聯通和移動的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 果蔬環境數據遠程實時采集系統的軟件設計

本系統選用Keil C 作為系統的開發環境、選用STC-ISP 作為系統的下載燒錄軟件，軟件主要包括采集指令的交互、環境數據循環采集、節點數據的處理和上傳、中繼系統的數據預處理和顯示、中繼系統數據的匯總和網絡上傳、系統的無線通信擴展、采集數據的備份等多個部分，本文僅介紹環境數據采集節點和無線數據通信中繼系統的整體軟件設計思路。

4.1 環境數據采集節點的軟件設計

環境數據采集節點主要實現接收中繼系統的指令進行數據的采集、分析和反饋，主要流程為：啟動485 通信，等待中繼系統下發指令→接收指令，進行指令解析并判斷（包括：節點ID 的解析、指令具體命令的解析等等）→確認指令是向該節點發布的（例如：指令與節點ID 匹配），則啟動另一組485 通信，依次向具體的傳感器下發傳感器的ID 和指令→依次等待并接收傳感器的反饋數據→循環一遍傳感器組后，進行數據的打包處理，等待中繼系統下發數據上傳指令→接收到上傳指令，發送打包數據，完成后進入待機狀態。

4.2 無線數據通信中繼系統的軟件設計

無線數據通信中繼系統主要起數據橋梁作用，實現環境數據采集節點與果蔬環境數據監控平臺之間的數據傳遞和預處理，主要流程為：啟動485 通信，定時依次向各節點下發數據采集指令→等待節點的指令完成信號→依次向節點下發數據的上傳指令→依次接收各節點的打包數據，進行解析和預處理，將處理后的數據進行本地液晶屏實時顯示→啟動無線LORA 通信，進行數據擴展通信→針對有疑問的數據（例如：超限等），與該節點重新進行數據采集、上傳、解析和預處理→收集完各個節點的數據后，啟動數據備份程序進行備份→啟動4G 通信模塊，將預處理后的數據進行打包向網絡后臺發送。

5 果蔬環境數據遠程實時采集系統的應用

5.1 系統在溫室大棚中的應用

本系統在學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的云心草莓園內。系統針對當地種植高原草莓的大棚環境數據采集，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聯度較大的土壤電導率傳感器，由于大棚內濕度較高因此棚內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，系統針對當地日照光線足、大棚數量較多、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，以便系統對高原草莓大棚的數據遠程實時采集能長期持續進行。

系統根據丹巴高原草莓大棚的實際應用場景和現場因素，經過以上針對性優化，已投入當地實際運行，能實時采集高原草莓生長環境數據，不僅有助于夏季高原草莓科學種植，有助于提高草莓品質和數量，相對2020年高原草莓產量，預期能提高產量20%以上；而且能減少農戶勞動強度，增加農戶種植數量和農戶收益，相對2020年高原草莓農戶種植數量，預期能擴大農戶種植數量20%以上，相對2020年高原草莓項目農戶收益，預期能增加農戶收益30%以上。

5.2 系統在果蔬保鮮中的應用

本系統也應用在果蔬保鮮裝置之中，在校內進行了測試。針對果蔬室內保鮮的應用場景，系統也做了相應的調整和優化，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；由于在室內光亮度遠低于戶外，因此光照度傳感器的量程選用了常規的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，以便系統能隨果蔬運輸，能在運輸過程中依然保障系統能可靠運行。經過校內的測試，系統在果蔬保鮮儲藏和運輸過程中，能穩定運行。

6 結束語

系統應用結果顯示系統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，但針對不同的應用場景，系統的傳感器選型、供電以及其他部件要做一定的調整，此外，還需要進一步對實時采集的數據進行應用，提升系統的實用性。