基于STM32与LORA通信的富硒茶园雾灌监测与远程灌溉控制智能系统

蔡绍博，程水源，张威威，夏志波

（1.长江大学园艺园林学院，湖北 荆州 434025；2.武汉市春晓曲农业科技有限公司，湖北 武汉 430211；3.国家富硒农产品加工技术研发专业中心，湖北 武汉 430023；4.武汉建春科技有限公司，湖北 武汉 430074）

灌溉系统一直是传统种植业中非常重要的一环，但为了节能节水，在新型种植业中，大规模的灌溉系统都采用雾灌，因为雾灌非常的节水节能。尤其是在大范围的茶园种植中，不仅能增加空气湿度和雾滴数量，在局部改变茶叶生长环境，还能在整体上降低茶园夏季气温，为茶叶生长提供最佳发芽生长的生态环境。

但大规模的种植业很难实现可控的环境参数，无法精确控制雾灌的湿度参数，文章设计了一款新型茶园雾灌监测与远程灌溉控制智能系统，能够有效的进行智能控制。

1 富硒茶园雾灌监测与远程灌溉控制智能系统的技术分析

一般来说，茶园的智能监测与灌溉管理系统是基于嵌入式系统、远程无线传输技术以及数据库技术的一种远程控制系统，应包含7个功能模块，即水位监控及闸门控制系统、供电模块、无线通信模块、主控单元、显示模块、中央控制器和用户手机。终端监控设备用于监测茶园土壤的干湿值，并将监测到的数值参数通过网络传输至中央控制器，与预先设置好的终端节点的水位上、下阈值相比较，超过设置好的阈值则断开电磁阀关闭水源停止灌溉，未达到数值则连通电磁阀开启灌溉。选择水源闸门的开/关，网关模块将数据分析融合后，则利用网络将数据发送到上位机，采集到的数据则在交互界面显示，整个灌溉控制过程可通过手动和手机客户端进行操作，进而对茶园的需水量进行较为精确的自动灌溉，从而节省了水、电及人力资源。

因此，要实现富硒茶园雾灌监测与远程灌溉控制智能系统，首先需要实现环境参数的采集，利用温湿度传感器监测富硒茶园的空气温湿度和土壤温湿度，用来判断是否需要开启雾灌系统。雾灌系统利用继电器来控制，继电器通过GPIO口连接到STM32单片机上，用来实现智能控制。STM32单片机采用STM32F103C8T6微控制器，工作电压为2V—3.6V。终端采集节点利用LoRa网络实现无线传输，LoRa无线通信技术的调制方式，具有体积小、功耗低等高性能，相对于其他通信方式在通信距离、抗干扰能力上具有相当的优势。一个LoRa网关在理论上可以连接上千上万个LoRa节点，我们可以利用这一特性，实现一对多通信，利用一个LoRa网关节点采集多个终端节点的数据。LoRa网关节点通过4G/WiFi模块进行数据的发送。采用TCP/IP通信协议，将数据发送到华为云平台，并设置下行命令，利用华为云平台来控制终端节点的继电器开关。终端服务器利用Internet访问云平台，进行终端环境的监测和远程智能灌溉控制。

2 富硒茶园雾灌监测与远程灌溉控制智能系统的功能与架构

2.1 富硒茶园灌溉系统的功能实现

根据上文的技术分析，如图1所示，具备以下功能：

图1 富硒茶园雾灌监测与远程灌溉控制智能系统功能实现图

2.1.1 实时监测：根据富硒茶园雾灌需求，需要采集的环境参数由空气温湿度值和土壤温湿度值，并且需要将采集到数值实时发送到云端平台，实现富硒茶园环境参数的实时监测。

2.1.2 多节点采集：一个LoRa网关可以连接以千个为单位的LoRa节点，并采用多对一的通信方式，多个采集节点在采集到环境的温湿度之后，发送到一个LoRa网关节点进行数据参数的转发

2.1.3 云平台数据处理：LoRa网关节点将数据发送到云平台，云平台对数据进行实时接收，云平台对数据进行解析，解析为直观的环境参数图表，并且能够实现命令的下发。

2.1.4 终端服务器监测与控制：终端服务器通过4G/5G/WiFi网络访问云平台，监测模块对茶园的温湿度值进行实时监控，当湿度值低于生长的最适值时，可以通过控制模块进行控制，最终实现远程灌溉控制。

2.2 富硒茶园灌溉系统的整体架构

如上文的富硒茶园雾灌监测与远程灌溉控制智能系统功能实现图，富硒茶园智能灌溉系统的整体构成包括三层：终端监测节点，中层网络节点和终端服务器系统。

终端监测节点硬件设计采用STM32F103C8T6微控制器的单片机作为终端的核心。如图2所示，该微控制器需要的电压为2V—3.6V，这样就摒弃了传统的电源布线，通过干电池或纽扣电池就能“供能”使用。终端通过温湿度传感器监测空气温湿度数值和土壤温湿度数值，传感器通过GPIO口与STM32单片机相连，进行数据的检测的传输，并且GPIO口与继电器相连，终端通过继电器控制茶园的雾灌系统的开关。微处理器在获取到环境参数之后通过串行总线将数据发送到LoRa终端节点通信模块进行数据的无线传输。

图2 终端监测节点硬件设计

中层网络节点硬件设计采用LoRa网络远距离无线传输和4G/5G/WiFi网络与距离通信。如图3所示，LoRa网络组成在应用数据上可双向传输，因此所有的终端节点与网关间均是双向通信。在这个网络架构中，连接终端设备的LoRa网关负责各种数据多向汇总后，向云端数据服务器发送。网关节点与云平台服务器之间采用TCP/IP网络进行连接。在LoRa终端节点和LoRa网关节点之间通信采用多对一通信模式，多个采集节点接入到一个LoRa网关节点中，实现大规模的环境参数监控。在LoRa网关节点的通信模块获取到环境参数之后，通过SPI接口将数据传输到网关节点的中央处理模块（MCU）并存储起来。中央处理模块通过usb接口与通信模块连接，以控制通信模块传输LoRa网关所获取的LoRa终端节点信息，LoRa网关节点通过4G/WiFi通信模块将数据发送到云平台，云平台对数据进行处理,对富硒茶园的空气温湿度以及土壤温湿度进行分析，分析是否开启雾灌系统。

图3 中层网络节点硬件设计

终端服务器通过Internet访问云平台，实时监测茶园的环境。当检测到的茶园环境参数空气湿度过低或是土壤湿度过低时，可用通过控制模块，控制华为云平台下发指令，指令传输到终端节点控制继电器的开关，进行雾灌系统开关的控制，实现远程灌溉智能系统的控制。

3 富硒茶园雾灌监测与远程灌溉控制智能系统的的实验分析

在完成该系统的设计和实现后，本文对该系统进行了实验室模拟环境的测试时，为了方便测试，按照1：100的比例还原了该系统所需的富硒茶园环境。首先进行雾灌系统的实现分析，STM32单片机直接通过程序控制继电器的开关，来实现人工模拟云雾天气，发现可以通过继电器实现控制。

在进行传感器监测的实现分析，通过GPIO口将温湿度传感器连接到STM32单片机上，来检测富硒茶园的空气温湿度值和土壤温湿度值，并通过上位机串口助手直接与单片机相连，来查看检测到的数值是否正确，实验结果正确，可以正确监测到茶园的温湿度数值。

在检测LoRa网络的可行性，利用LoRa终端节点向网关节点进行通信，可以完成数据的传输，并将数据发送到云平台，可以通过终端服务器访问到云平台的数据，并完成控制命令的下发。

通过模拟富硒茶园的温湿度差异，该系统在监测数据变化和动态监控中，均表现出了良好的适用性，能够实现富硒茶园温湿度的周期性采集与实时查询，并且终端服务器通过访问华为云平台，进行控制命令的下发，能够实现雾灌系统的开启与关闭。因此当这个测试系统持续扩容，运用到更大范围内的实际生活生产中，具有一定的可实现性。

4 结语

实现稳定可靠的茶树作物生长环境信息监测是现代智能化茶园发展的关键一步，文章利用STM32与LoRa通信技术设计并实现了一种富硒茶园的雾灌监测与远程灌溉控制智能系统，该系统区别于传统的灌溉系统，利用新方法、新思路在实现富硒茶园温湿度的周期性采集与实时查询以及数值的动态化监测等方面实现了创新突破，同时通过局部实验证明了系统的设计合理，证实了通过传感器检测土壤的温湿度来判断茶园环境是否需要开启水阀的智能灌溉系统具备场景可行性。