葡萄環(huán)境信息多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡樹(shù)冉 尹志豪 劉淑云 秦磊磊

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)在民用和工業(yè)領(lǐng)域都獲得了較好的發(fā)展，近幾年，在農(nóng)業(yè)方面也得到了較廣泛的應(yīng)用。在葡萄種植領(lǐng)域，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)葡萄生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行環(huán)境信息的獲取，以便通過(guò)大數(shù)據(jù)對(duì)葡萄的生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，將采集的數(shù)據(jù)上傳到團(tuán)隊(duì)自主開(kāi)發(fā)的果園物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析。文中研究設(shè)計(jì)了一種以STM32為主CPU的環(huán)境信息多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)葡萄生長(zhǎng)環(huán)境的多參數(shù)采集、處理及傳輸。試驗(yàn)證明，該環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與果園物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái)對(duì)接穩(wěn)定，效果顯著，能夠有效監(jiān)測(cè)葡萄生長(zhǎng)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：葡萄;物聯(lián)網(wǎng);監(jiān)測(cè)系統(tǒng);主控模塊;采集與傳輸;生長(zhǎng)環(huán)境

0 引 言

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)逐漸被應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，與傳統(tǒng)的人力種植相比，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以減輕農(nóng)民的農(nóng)作壓力，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地了解作物的生長(zhǎng)情況，甚至通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)遠(yuǎn)程操控農(nóng)用機(jī)械在農(nóng)田作業(yè)，不僅可提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，也更符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一體化趨勢(shì)?；诖?，有必要對(duì)物聯(lián)網(wǎng)在葡萄種植中的應(yīng)用進(jìn)行探究。本研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的果園物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái)可精準(zhǔn)實(shí)時(shí)地采集、顯示、分析果園數(shù)據(jù)。

1 總體架構(gòu)

葡萄環(huán)境信息多參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)主要由主控CPU模塊、RS 485數(shù)據(jù)采集傳輸模塊、以太網(wǎng)遠(yuǎn)程通信模塊、電源供電模塊組成，可實(shí)現(xiàn)葡萄園區(qū)空氣溫濕度、二氧化碳、光照強(qiáng)度、土壤溫濕度等參數(shù)的采集與傳輸。

（1）主控CPU模塊（STM32單片機(jī)為主）是整個(gè)系統(tǒng)的核心，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總體控制，包括數(shù)據(jù)采集指令下發(fā)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程上傳等功能;

（2）RS 485數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)485總線傳輸采集指令、接收采集數(shù)據(jù);

（3）以太網(wǎng)通信模塊將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳至平臺(tái)（果園物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái)）;

（4）電源模塊為各模塊供電，滿足系統(tǒng)對(duì)電能的需求。

葡萄環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控CPU模塊

主控CPU模塊選用高性能、低成本、低功耗的STM32F103單片機(jī)。STM32F系列屬于中低端32位ARM微控制器，該系列芯片由意法半導(dǎo)體（ST）公司出品，其內(nèi)核為Cortex-M3。芯片集成定時(shí)器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART等多種接口，運(yùn)行穩(wěn)定，便于開(kāi)發(fā)。主控模塊電路如圖2所示。

2.2 RS 485數(shù)據(jù)采集模塊

RS 485總線以良好的抗干擾能力、穩(wěn)定的傳輸速率、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)得到了廣泛應(yīng)用，多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中各傳感器通過(guò)RS 485總線與主控CPU相連，通過(guò)Modbus協(xié)議獲得采集的數(shù)據(jù)。STM32F103單片機(jī)串口轉(zhuǎn)RS 485電路如圖3所示，可實(shí)現(xiàn)RS 485通信功能。

2.3 以太網(wǎng)通信模塊設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)通信模塊采用W5500以太網(wǎng)控制芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，W5500支持SPI通信方式，可將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口通信數(shù)據(jù)，便于單片機(jī)識(shí)別，并且支持全雙工通信和掉電保存功能以及自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)功能。W5500芯片通過(guò)RJ-45接頭與單片機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。以太網(wǎng)通信模塊電路如圖4所示。

2.4 電源模塊設(shè)計(jì)

多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部選用3.3 V供電電壓，系統(tǒng)中的STM32主控模塊、W5500以太網(wǎng)通信模塊均為3.3 V供電。為滿足系統(tǒng)對(duì)電源的需求，系統(tǒng)采用AC-DC模塊生成5 V電壓，然后通過(guò)AMS1117降壓電路將5 V直流電源調(diào)整至3.3 V。電源模塊電路如圖5所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括主控程序和傳感器采集兩部分。主控程序采用輪詢方式依次向傳感器發(fā)出讀數(shù)據(jù)指令，傳感器接收并校驗(yàn)正確后，會(huì)根據(jù)指令回傳需要的數(shù)據(jù)內(nèi)容。數(shù)據(jù)協(xié)議為常見(jiàn)的Modbus協(xié)議，帶校驗(yàn)功能，可保證穩(wěn)定正確的數(shù)據(jù)傳輸。

系統(tǒng)通電后，首先進(jìn)行程序初始化，初始化部分標(biāo)志位與參數(shù)，開(kāi)啟定時(shí)器，打開(kāi)串口等。然后通過(guò)定時(shí)器定時(shí)，經(jīng)串口下發(fā)讀傳感器參數(shù)指令，等待數(shù)據(jù)返回，連發(fā)三次若無(wú)返回則進(jìn)行下次數(shù)據(jù)讀取，舍棄當(dāng)前讀取程序;若一次成功則接著讀取下一個(gè)數(shù)據(jù)參數(shù)。主控程序接收到數(shù)據(jù)參數(shù)后解析有用數(shù)據(jù)，并打包成網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)協(xié)議，打包完成后上傳至果園物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái)顯示，具體流程如圖6所示。

4 實(shí)驗(yàn)情況

為測(cè)試葡萄環(huán)境信息多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，將設(shè)備安裝在濟(jì)南濟(jì)陽(yáng)回河葡萄園基地進(jìn)行測(cè)試，如圖7所示。通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集多種參數(shù)，如二氧化碳、光照、空氣溫濕度、土壤水分、土壤溫度等，并通過(guò)以太網(wǎng)傳輸至果園物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái)，由果園物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái)查看、分析數(shù)據(jù)。

設(shè)備部署完成后，系統(tǒng)通電運(yùn)行，在果園物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái)（手機(jī)APP）中可查看采集數(shù)據(jù)，如圖8所示，各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可正常采集與上傳。為測(cè)試多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，待其長(zhǎng)時(shí)間工作后在平臺(tái)中查看其采集數(shù)據(jù)的連續(xù)性，并查看有無(wú)異常數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行兩周所采集數(shù)據(jù)的走勢(shì)如圖9所示，每天均有數(shù)據(jù)上傳且數(shù)據(jù)走勢(shì)平緩，系統(tǒng)工作較為穩(wěn)定。

試驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)的葡萄環(huán)境信息多參數(shù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集空氣溫濕度、二氧化碳、光照、土壤水分等多種參數(shù)并上傳至果園物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái)，系統(tǒng)銜接順暢，顯示直觀，設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，有效展示了當(dāng)前葡萄生長(zhǎng)的環(huán)境狀況。

5 結(jié) 語(yǔ)

為了促進(jìn)葡萄種植無(wú)人化、科技化，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)葡萄的生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行環(huán)境信息多參數(shù)檢測(cè)與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)通過(guò)我們團(tuán)隊(duì)自主開(kāi)發(fā)的果園物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的采集、處理及傳輸功能。試驗(yàn)證明，環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與果園物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái)對(duì)接穩(wěn)定，效果顯著，能有效監(jiān)測(cè)葡萄生長(zhǎng)環(huán)境。

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