茶田生态环境监测系统设计

刘 超，邱明辉

（北京邮电大学世纪学院 电子与自动化系，北京 102101）

随着科学技术的迅速发展，无线传感器网络已深入农业领域，众多食用菌、水果、蔬菜的大棚都纷纷引进数字化监测系统，全方位地采集棚中环境信息，大大提高了蔬菜、水果产量，并节省了菜农们的时间。茶叶作为我国重要的经济作物，对生长环境的要求极为苛刻，因此对茶田生态环境的监测尤为重要，急需设计一个茶田生态环境监测系统来全天候监测茶田的环境状况，提高茶叶的产量，从而方便茶农的日常管理，将无线传感器网络技术拓展到茶叶种植领域。

从现有的种植环境来看，茶田中的空气温湿度、光照强度、土壤湿度、空气质量等对茶叶的生长有着至关重要的影响，如果对茶田中的这几个参数进行实时监测，发现问题及时处理，那么茶田的产量和质量都会得到提升，一旦茶叶好，产量和质量有了提高，那么就意味着茶叶市场会更加有活力，更能带动“一带一路”经济的发展，因此对茶田生态环境监测系统的开发是十分必要的。景区茶田的日常管理工作大多都依靠经验丰富的老茶农，由于茶田分散较广，日常环境监测的工作量较大，急需一套便利的茶田环境监测系统来协助茶农管理茶田。茶田生态环境监测系统将物联网技术、传感器检测技术、无线通信技术等现代电子技术应用于茶田的日常管理中。传感器能够准确地监测到茶田生态环境的变化，利用无线网络传送至茶农的手机终端，以便随时掌握茶叶生长环境的变化情况，从而采取措施。

1 总体设计

通过对该系统应用环境的分析及设计方案的反复论证得出，茶田生态环境监测系统应具有对监测范围内空气、土壤中温湿度等信息进行精准采集的功能，以及将采集到的各种环境信息一一发送至用户终端的功能，因此该系统要具备采集数据精准、处理速度快、发送速率高等特点，以满足茶田的日常管理需求。茶田生态环境监测系统通过利用各种新兴电子设备，实时、系统、准确地对茶田生态环境的土壤湿度、空气温湿度、光照强度、PM2.5空气质量等进行采集，各监测模块采集到的数据通过WiFi模块实时发送至手机终端上显示。其主要目的是方便茶农了解茶田当前的生态环境状况，判断是否需要养护。

2 主控器模块

根据对茶田生态环境监测系统的设计分析及各监测模块的需求，主控制器选用STC12C5A60S2单片机，其特点是高速、功耗低、抗干扰性强，自带8路10位A/D转换电路，A/D采样精度高，且采样类型为逐次逼近型，速度较快，满足外部模拟量、数字量传感器的数据采集需求，无需再外扩AD转换电路，节省资源；带有2个串口，方便数据传输。

3 土壤湿度监测模块

土壤湿度监测模块主要完成茶田土壤湿润程度变化的实时监测工作。茶树喜潮湿，土壤湿度低茶树无法生长，湿度过高会引发霉病，因此实时准确地采集土壤湿度最为重要，使用模拟量土壤湿度传感器精确地采集数据，确保茶树生长在适宜的土壤湿度环境下，模拟量土壤湿度传感器精度高、实用性强、成本低，满足茶田土壤湿度监测要求。

4 空气温湿度监测模块

空气温湿度监测电路设计主要考虑空气温湿度对茶树生长的影响，茶树适宜生长在空气湿度较大的地区，且温度在18～25℃之间，温度过高或过低都不利于茶树的生长，保证茶田适宜的温湿度才能生产出优质的茶叶，因此选择DHT11温湿度传感器，其测量范围是温度0～50℃，湿度20%～90%，满足茶田空气温湿度的监测要求。

5 光照强度监测模块

过强的光照对茶叶中氨基酸的合成不利，影响茶叶的口感。茶树喜阴，但光照也不可或缺，漫射光是茶树生长的最佳光源，因此使用16位两线式串行总线接口的数字量BH1750FVI光照强度传感器，以流明为单位，精准地采集茶田光照度，以便在光照过强时警示茶农遮挡光线。

6 PM2.5空气质量监测模块

优质的生态环境孕育优质的茶叶，保持好的空气质量对茶树的生长十分有益，生产出的茶叶质量也自然会有所提高。使用GP2Y1023AU0F空气质量监测模块采集粉尘颗粒的浓度和PM2.5浓度，来判断空气质量的好坏，保持良好的茶田空气质量才能产出高品质的茶叶，从而吸引更多的茶叶爱好者来传播中国的茶文化。

7 无线通信模块

因该系统各传感器采集数据量较大，且需要稳定地传输，因此无线通信模块选用ESP8266无线收发模块，ESP8266内置TCP/IP协议栈，支持802.11 b/g/n协议，可自组网络，具有传输距离远、速率高、传输稳定、功耗低等特点，满足系统中各传感器数据快速、稳定的发送需求。

8 结束语

茶田生态环境监测系统可以大大节省人力、物力，且采集数据精准，有助于茶叶生产质量的提升。该系统实现了茶田中土壤湿度、空气温湿度、光照强度及PM2.5空气质量的监测，并通过无线通信模块实时发送至手机上，使茶农足不出户便可知道准确的茶田生态环境信息，以便在需要时采取相应措施，保证茶树在适宜的环境下生长。该系统可以根据不同的茶田需求，自由扩展或裁剪传感器的种类，其具有体积小、功耗低、精度高、使用方便等特点。茶田生态环境监测系统是无线传感器网络技术在农业生产自动化中的又一个应用，现如今物联网技术、传感器技术、无线通信技术等现代电子技术正在被快速地应用到生活中的各个领域，这有助于我国科技创新的进步，促进科技产业的蓬勃发展，为“一带一路”提供动力。

参考文献：

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