基于物联网的茶场生态环境监测系统设计

肖婷　崔忠伟　赵勇　桑海伟

摘 要：为了更好地管理茶厂，以STM32F103ZET6为主控设计了一款基于物联网的茶场生态环境监测系统。系统利用各类气象传感器监测茶场的环境參数，通过GPRS与主控通信，由主控对所有传感器采集的数据进行汇总、分析、显示、存储等操作，对实时数据做出相应判断后将结果利用无线通信发送给管理员，之后管理员根据结果采取应对措施，以提升茶场生态环境的监测效率。

关键词：传感器;茶场;数据采集;生态环境监测;STM32;无线通信

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）03-00-02

0 引 言

随着茶叶产品种类的增多，种植加工茶叶的企业亦随之增长，为茶场管理带来困难。目前国内茶场存在的主要问题是管理水平低下、管理不规范，而造成这些问题的原因在于经营者对茶场管理不重视，管理人员未受过专业培训，传统茶场难以适应市场竞争。因此，利用STM32F103芯片作为数据采集仪的MCU，结合GPRS无线通信实现主控STM32与管理员的远程通信，通过气象传感器对茶场环境进行监测，开发出基于物联网的茶场生态环境监测系统。

1 系统总体设计

茶场生态环境监测系统分为五部分，分别为STM32主控制器、太阳能电源、传感器设备、GPRS无线通信设备和手机终端，如图1所示。

（1）STM32主控制器作为系统的核心，负责将传感器采集的数据存储到芯片中，并对采集的数据进行分析。

（2）太阳能电源将采集的太阳能转换为电能，负责为系统供电以节省能源。

（3）传感器设备实时监测茶场环境中的各项参数[1-2]，并将环境参数传给主控。

（4）GPRS无线通信作为该监测系统的通信工具，可将系统监测到的数据通过短信告知管理员[3]。

（5）手机终端负责接收茶场生态环境的实时情况，并显示采集到的数据。

2 系统硬件设计

本设计将STM32F103ZET6作为主控芯片，该芯片是最高工作频率为72 MHz的32位微处理器，拥有8个定时器，2个I2C接口，3个USART接口，2个SPI接口。该MCU具有低功耗、低成本、内部FLASH容量大、外设接口数量多且功能强大、处理速度快等优点。按照系统的功能要求将硬件设计分为气象传感器模块、通信模块以及太阳能电源模块。系统硬件组成如图2所示。

2.1 传感器模块

对茶叶作物生长环境的监测应经过实地考察和研究，并兼顾实用性与低成本的原则。气象传感器模块集成了大气温湿度传感器，太阳光照强度传感器，土壤pH值、雨量、土壤温湿度、风速、风向、大气压强、空气温湿度传感器来实现对茶叶作物参数的实时采集[4]。

光照强度传感器基于BH1750光照强度传感器芯片开发设计而成，通过I2C协议实现数据传输;土壤pH值采集通过土壤水分传感器实现，其工作电压为12 V，通过RS 485接口实现数据传输;雨量传感器选用工作电压为12 V的雨量筒型传感器;采用DS18B20温度传感器测量土壤温度;采用工作电压为12 V的三轴风杯式风速传感器检测风速;利用RS 485接口进行数据传输的风向标式风向传感器检测风向;大气压强数据的采集基于BMP180大气压强传感器设计，通过I2C协议实现数据传输[5];空气温湿度的采集选用SHT10大气温湿度传感器，利用I2C协议进行数据传输[6]。

2.2 电源模块

该监测系统的供电装置为太阳能蓄电池，其输出电压为12 V。当开关电路闭合时，其中一路使用LM-7805稳压芯片将电压稳定在5 V左右输出，以使工作电压为5 V的传感器设备能够正常工作。另一路直接供给工作电压为12 V的传感器设备。太阳能蓄电的原理是当太阳照射到太阳能组件后，组件将产生直流电压，并将采集的光能转换为电能。选择太阳能蓄电池的原因在于太阳能蓄电池具有较长的使用寿命与较强的循环能力，同时充放能力优异，能够在不同的环境下正常使用。

2.3 通信模块

通信模块适用于信息化程度不高、交通环境较差等条件下的茶场[7]。该远程通信系统采用GPRS模块通信，该模块由Goouuu_A6模组组成，采用5～9 V电压供电，可开机自启动。GPRS通信模块具有成本低、性能可靠、使用方便、工作模式简单等优点，只需将管理员的SIM卡插入GPRS模块即可接收茶场的环境参数，并通过串口与主控连接，实现与管理员的远程通信。

3 系统软件设计

通过传感器采集茶场环境数据[8]，并将采集到的数据发送至STM32单片机，由STM32单片机中的微处理器对采集到的数据进行处理并判断，之后系统会发出相应的处理命令，经GPRS通信模块将信息传送至手机，管理员执行相应操作。软件程序流程如图3所示。

4 结 语

该系统主要实现了茶叶生长过程中环境参数的实时远程监测和预警，针对茶叶的生长环境特点，系统结合传感器技术、无线通信技术完成了监控系统的研发。解决了目前市面上同类产品存在的成本高、维修不易、通用能力差等一系列问题，具有使用方便、实时性强、成本低等优点，充分满足了茶场的需求。同时，该系统还可用于其他农作物的监测。

参 考 文 献

[1]华驰，姜彬，王辉.一种可联网的在线农业环境监测系统的设计与实现[J].江苏农业科学，2014，42（4）：345-349.

[2]吴丹.关于农业环境监测的作用的分析[J].北京农业，2012（6）：188.

[3]马从国，胡应占，王建国.国内鸡舍小气候环境调控系统研究[J].黑龙江畜牧兽医，2015（2）：85-87.

[4] CHEN Y W，XIE Y J，WANG Z，et al. Analysis and application on sensitivity factors of cross validation of fill rate of CPR1000 unit reactor core coolant monitoring system [J]. Annals of nuclear energy，2019.

[5]李旭，花元涛，刘韬，等.基于无线传感网络的果园环境信息监测系统研究[J].现代农业科技，2019（14）：254-256.

[6]郑贵林，曾志威.基于QQ物联平台的农业环境监测系统设计[J].江苏农业科学，2019（5）：187-191.

[7]方和平，朱家沅.基于ZigBee网络农业环境信息监测系统设计

[J].物联网技术，2018，8（9）：14-16.

[8]安明明.基于物联网的温室智能监控系统的研究与应用[D].上海：上海应用技术大学，2017.

[9]高同辉，郭蕊.基于ARM的家用智能垃圾桶设计[J].电子科技，2012，25（11）：55-58.

[10]刘方，林素敏，单鱼洋.基于LabVIEW的农业微环境多参数监测系统软件设计[J].电子设计工程，2019，27（5）：91-95.

[11]朱均超，张强，赵岩.基于物联网的农业大棚环境监测系统设计[J].中国农机化学报，2018，39（9）：76-80.

[12]王恩亮，华驰.基于物联网技术的农业环境监测站的设计[J].计算机测量与控制，2016，24（5）：18-20.

[13]胡跃鑫.基于物联网技术的农业小气候环境中的研究及其应用[D].沈阳：沈阳建筑大学，2017.

[14]丁倩.湄潭县茶叶产业化的实践与成效分析[J].山西农经，2019（7）：78-80.