基于STM32與LORA通信的富硒茶園霧灌監(jiān)測與遠(yuǎn)程灌溉控制智能系統(tǒng)

蔡紹博，程水源，張威威，夏志波

（1.長江大學(xué)園藝園林學(xué)院，湖北 荊州 434025；2.武漢市春曉曲農(nóng)業(yè)科技有限公司，湖北 武漢 430211；3.國家富硒農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)研發(fā)專業(yè)中心，湖北 武漢 430023；4.武漢建春科技有限公司，湖北 武漢 430074）

灌溉系統(tǒng)一直是傳統(tǒng)種植業(yè)中非常重要的一環(huán)，但為了節(jié)能節(jié)水，在新型種植業(yè)中，大規(guī)模的灌溉系統(tǒng)都采用霧灌，因?yàn)殪F灌非常的節(jié)水節(jié)能。尤其是在大范圍的茶園種植中，不僅能增加空氣濕度和霧滴數(shù)量，在局部改變茶葉生長環(huán)境，還能在整體上降低茶園夏季氣溫，為茶葉生長提供最佳發(fā)芽生長的生態(tài)環(huán)境。

但大規(guī)模的種植業(yè)很難實(shí)現(xiàn)可控的環(huán)境參數(shù)，無法精確控制霧灌的濕度參數(shù)，文章設(shè)計(jì)了一款新型茶園霧灌監(jiān)測與遠(yuǎn)程灌溉控制智能系統(tǒng)，能夠有效的進(jìn)行智能控制。

1 富硒茶園霧灌監(jiān)測與遠(yuǎn)程灌溉控制智能系統(tǒng)的技術(shù)分析

一般來說，茶園的智能監(jiān)測與灌溉管理系統(tǒng)是基于嵌入式系統(tǒng)、遠(yuǎn)程無線傳輸技術(shù)以及數(shù)據(jù)庫技術(shù)的一種遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，應(yīng)包含7個(gè)功能模塊，即水位監(jiān)控及閘門控制系統(tǒng)、供電模塊、無線通信模塊、主控單元、顯示模塊、中央控制器和用戶手機(jī)。終端監(jiān)控設(shè)備用于監(jiān)測茶園土壤的干濕值，并將監(jiān)測到的數(shù)值參數(shù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至中央控制器，與預(yù)先設(shè)置好的終端節(jié)點(diǎn)的水位上、下閾值相比較，超過設(shè)置好的閾值則斷開電磁閥關(guān)閉水源停止灌溉，未達(dá)到數(shù)值則連通電磁閥開啟灌溉。選擇水源閘門的開/關(guān)，網(wǎng)關(guān)模塊將數(shù)據(jù)分析融合后，則利用網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，采集到的數(shù)據(jù)則在交互界面顯示，整個(gè)灌溉控制過程可通過手動(dòng)和手機(jī)客戶端進(jìn)行操作，進(jìn)而對茶園的需水量進(jìn)行較為精確的自動(dòng)灌溉，從而節(jié)省了水、電及人力資源。

因此，要實(shí)現(xiàn)富硒茶園霧灌監(jiān)測與遠(yuǎn)程灌溉控制智能系統(tǒng)，首先需要實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的采集，利用溫濕度傳感器監(jiān)測富硒茶園的空氣溫濕度和土壤溫濕度，用來判斷是否需要開啟霧灌系統(tǒng)。霧灌系統(tǒng)利用繼電器來控制，繼電器通過GPIO口連接到STM32單片機(jī)上，用來實(shí)現(xiàn)智能控制。STM32單片機(jī)采用STM32F103C8T6微控制器，工作電壓為2V—3.6V。終端采集節(jié)點(diǎn)利用LoRa網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無線傳輸，LoRa無線通信技術(shù)的調(diào)制方式，具有體積小、功耗低等高性能，相對于其他通信方式在通信距離、抗干擾能力上具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。一個(gè)LoRa網(wǎng)關(guān)在理論上可以連接上千上萬個(gè)LoRa節(jié)點(diǎn)，我們可以利用這一特性，實(shí)現(xiàn)一對多通信，利用一個(gè)LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)采集多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過4G/WiFi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。采用TCP/IP通信協(xié)議，將數(shù)據(jù)發(fā)送到華為云平臺(tái)，并設(shè)置下行命令，利用華為云平臺(tái)來控制終端節(jié)點(diǎn)的繼電器開關(guān)。終端服務(wù)器利用Internet訪問云平臺(tái)，進(jìn)行終端環(huán)境的監(jiān)測和遠(yuǎn)程智能灌溉控制。

2 富硒茶園霧灌監(jiān)測與遠(yuǎn)程灌溉控制智能系統(tǒng)的功能與架構(gòu)

2.1 富硒茶園灌溉系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上文的技術(shù)分析，如圖1所示，具備以下功能：

圖1 富硒茶園霧灌監(jiān)測與遠(yuǎn)程灌溉控制智能系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)圖

2.1.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測：根據(jù)富硒茶園霧灌需求，需要采集的環(huán)境參數(shù)由空氣溫濕度值和土壤溫濕度值，并且需要將采集到數(shù)值實(shí)時(shí)發(fā)送到云端平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)富硒茶園環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

2.1.2 多節(jié)點(diǎn)采集：一個(gè)LoRa網(wǎng)關(guān)可以連接以千個(gè)為單位的LoRa節(jié)點(diǎn)，并采用多對一的通信方式，多個(gè)采集節(jié)點(diǎn)在采集到環(huán)境的溫濕度之后，發(fā)送到一個(gè)LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)參數(shù)的轉(zhuǎn)發(fā)

2.1.3 云平臺(tái)數(shù)據(jù)處理：LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺(tái)，云平臺(tái)對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)接收，云平臺(tái)對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，解析為直觀的環(huán)境參數(shù)圖表，并且能夠?qū)崿F(xiàn)命令的下發(fā)。

2.1.4 終端服務(wù)器監(jiān)測與控制：終端服務(wù)器通過4G/5G/WiFi網(wǎng)絡(luò)訪問云平臺(tái)，監(jiān)測模塊對茶園的溫濕度值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)濕度值低于生長的最適值時(shí)，可以通過控制模塊進(jìn)行控制，最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程灌溉控制。

2.2 富硒茶園灌溉系統(tǒng)的整體架構(gòu)

如上文的富硒茶園霧灌監(jiān)測與遠(yuǎn)程灌溉控制智能系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)圖，富硒茶園智能灌溉系統(tǒng)的整體構(gòu)成包括三層：終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，中層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和終端服務(wù)器系統(tǒng)。

終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)采用STM32F103C8T6微控制器的單片機(jī)作為終端的核心。如圖2所示，該微控制器需要的電壓為2V—3.6V，這樣就摒棄了傳統(tǒng)的電源布線，通過干電池或紐扣電池就能“供能”使用。終端通過溫濕度傳感器監(jiān)測空氣溫濕度數(shù)值和土壤溫濕度數(shù)值，傳感器通過GPIO口與STM32單片機(jī)相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)的檢測的傳輸，并且GPIO口與繼電器相連，終端通過繼電器控制茶園的霧灌系統(tǒng)的開關(guān)。微處理器在獲取到環(huán)境參數(shù)之后通過串行總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到LoRa終端節(jié)點(diǎn)通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳輸。

圖2 終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

中層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)采用LoRa網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)距離無線傳輸和4G/5G/WiFi網(wǎng)絡(luò)與距離通信。如圖3所示，LoRa網(wǎng)絡(luò)組成在應(yīng)用數(shù)據(jù)上可雙向傳輸，因此所有的終端節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)間均是雙向通信。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，連接終端設(shè)備的LoRa網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)各種數(shù)據(jù)多向匯總后，向云端數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)送。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與云平臺(tái)服務(wù)器之間采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。在LoRa終端節(jié)點(diǎn)和LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間通信采用多對一通信模式，多個(gè)采集節(jié)點(diǎn)接入到一個(gè)LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的環(huán)境參數(shù)監(jiān)控。在LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的通信模塊獲取到環(huán)境參數(shù)之后，通過SPI接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的中央處理模塊（MCU）并存儲(chǔ)起來。中央處理模塊通過usb接口與通信模塊連接，以控制通信模塊傳輸LoRa網(wǎng)關(guān)所獲取的LoRa終端節(jié)點(diǎn)信息，LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過4G/WiFi通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺(tái)，云平臺(tái)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,對富硒茶園的空氣溫濕度以及土壤溫濕度進(jìn)行分析，分析是否開啟霧灌系統(tǒng)。

圖3 中層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

終端服務(wù)器通過Internet訪問云平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)測茶園的環(huán)境。當(dāng)檢測到的茶園環(huán)境參數(shù)空氣濕度過低或是土壤濕度過低時(shí)，可用通過控制模塊，控制華為云平臺(tái)下發(fā)指令，指令傳輸?shù)浇K端節(jié)點(diǎn)控制繼電器的開關(guān)，進(jìn)行霧灌系統(tǒng)開關(guān)的控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程灌溉智能系統(tǒng)的控制。

3 富硒茶園霧灌監(jiān)測與遠(yuǎn)程灌溉控制智能系統(tǒng)的的實(shí)驗(yàn)分析

在完成該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)后，本文對該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境的測試時(shí)，為了方便測試，按照1：100的比例還原了該系統(tǒng)所需的富硒茶園環(huán)境。首先進(jìn)行霧灌系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)分析，STM32單片機(jī)直接通過程序控制繼電器的開關(guān)，來實(shí)現(xiàn)人工模擬云霧天氣，發(fā)現(xiàn)可以通過繼電器實(shí)現(xiàn)控制。

在進(jìn)行傳感器監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)分析，通過GPIO口將溫濕度傳感器連接到STM32單片機(jī)上，來檢測富硒茶園的空氣溫濕度值和土壤溫濕度值，并通過上位機(jī)串口助手直接與單片機(jī)相連，來查看檢測到的數(shù)值是否正確，實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確，可以正確監(jiān)測到茶園的溫濕度數(shù)值。

在檢測LoRa網(wǎng)絡(luò)的可行性，利用LoRa終端節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，可以完成數(shù)據(jù)的傳輸，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺(tái)，可以通過終端服務(wù)器訪問到云平臺(tái)的數(shù)據(jù)，并完成控制命令的下發(fā)。

通過模擬富硒茶園的溫濕度差異，該系統(tǒng)在監(jiān)測數(shù)據(jù)變化和動(dòng)態(tài)監(jiān)控中，均表現(xiàn)出了良好的適用性，能夠?qū)崿F(xiàn)富硒茶園溫濕度的周期性采集與實(shí)時(shí)查詢，并且終端服務(wù)器通過訪問華為云平臺(tái)，進(jìn)行控制命令的下發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)霧灌系統(tǒng)的開啟與關(guān)閉。因此當(dāng)這個(gè)測試系統(tǒng)持續(xù)擴(kuò)容，運(yùn)用到更大范圍內(nèi)的實(shí)際生活生產(chǎn)中，具有一定的可實(shí)現(xiàn)性。

4 結(jié)語

實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的茶樹作物生長環(huán)境信息監(jiān)測是現(xiàn)代智能化茶園發(fā)展的關(guān)鍵一步，文章利用STM32與LoRa通信技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種富硒茶園的霧灌監(jiān)測與遠(yuǎn)程灌溉控制智能系統(tǒng)，該系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)的灌溉系統(tǒng)，利用新方法、新思路在實(shí)現(xiàn)富硒茶園溫濕度的周期性采集與實(shí)時(shí)查詢以及數(shù)值的動(dòng)態(tài)化監(jiān)測等方面實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新突破，同時(shí)通過局部實(shí)驗(yàn)證明了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理，證實(shí)了通過傳感器檢測土壤的溫濕度來判斷茶園環(huán)境是否需要開啟水閥的智能灌溉系統(tǒng)具備場景可行性。