茶田生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 超，邱明輝

（北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院 電子與自動(dòng)化系，北京 102101）

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)已深入農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，眾多食用菌、水果、蔬菜的大棚都紛紛引進(jìn)數(shù)字化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，全方位地采集棚中環(huán)境信息，大大提高了蔬菜、水果產(chǎn)量，并節(jié)省了菜農(nóng)們的時(shí)間。茶葉作為我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物，對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的要求極為苛刻，因此對(duì)茶田生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)尤為重要，急需設(shè)計(jì)一個(gè)茶田生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)全天候監(jiān)測(cè)茶田的環(huán)境狀況，提高茶葉的產(chǎn)量，從而方便茶農(nóng)的日常管理，將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)拓展到茶葉種植領(lǐng)域。

從現(xiàn)有的種植環(huán)境來(lái)看，茶田中的空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤濕度、空氣質(zhì)量等對(duì)茶葉的生長(zhǎng)有著至關(guān)重要的影響，如果對(duì)茶田中的這幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理，那么茶田的產(chǎn)量和質(zhì)量都會(huì)得到提升，一旦茶葉好，產(chǎn)量和質(zhì)量有了提高，那么就意味著茶葉市場(chǎng)會(huì)更加有活力，更能帶動(dòng)“一帶一路”經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，因此對(duì)茶田生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是十分必要的。景區(qū)茶田的日常管理工作大多都依靠經(jīng)驗(yàn)豐富的老茶農(nóng)，由于茶田分散較廣，日常環(huán)境監(jiān)測(cè)的工作量較大，急需一套便利的茶田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)協(xié)助茶農(nóng)管理茶田。茶田生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器檢測(cè)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)等現(xiàn)代電子技術(shù)應(yīng)用于茶田的日常管理中。傳感器能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)到茶田生態(tài)環(huán)境的變化，利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送至茶農(nóng)的手機(jī)終端，以便隨時(shí)掌握茶葉生長(zhǎng)環(huán)境的變化情況，從而采取措施。

1 總體設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境的分析及設(shè)計(jì)方案的反復(fù)論證得出，茶田生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具有對(duì)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)空氣、土壤中溫濕度等信息進(jìn)行精準(zhǔn)采集的功能，以及將采集到的各種環(huán)境信息一一發(fā)送至用戶終端的功能，因此該系統(tǒng)要具備采集數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、處理速度快、發(fā)送速率高等特點(diǎn)，以滿足茶田的日常管理需求。茶田生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)利用各種新興電子設(shè)備，實(shí)時(shí)、系統(tǒng)、準(zhǔn)確地對(duì)茶田生態(tài)環(huán)境的土壤濕度、空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、PM2.5空氣質(zhì)量等進(jìn)行采集，各監(jiān)測(cè)模塊采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi模塊實(shí)時(shí)發(fā)送至手機(jī)終端上顯示。其主要目的是方便茶農(nóng)了解茶田當(dāng)前的生態(tài)環(huán)境狀況，判斷是否需要養(yǎng)護(hù)。

2 主控器模塊

根據(jù)對(duì)茶田生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析及各監(jiān)測(cè)模塊的需求，主控制器選用STC12C5A60S2單片機(jī)，其特點(diǎn)是高速、功耗低、抗干擾性強(qiáng)，自帶8路10位A/D轉(zhuǎn)換電路，A/D采樣精度高，且采樣類型為逐次逼近型，速度較快，滿足外部模擬量、數(shù)字量傳感器的數(shù)據(jù)采集需求，無(wú)需再外擴(kuò)AD轉(zhuǎn)換電路，節(jié)省資源；帶有2個(gè)串口，方便數(shù)據(jù)傳輸。

3 土壤濕度監(jiān)測(cè)模塊

土壤濕度監(jiān)測(cè)模塊主要完成茶田土壤濕潤(rùn)程度變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作。茶樹(shù)喜潮濕，土壤濕度低茶樹(shù)無(wú)法生長(zhǎng)，濕度過(guò)高會(huì)引發(fā)霉病，因此實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地采集土壤濕度最為重要，使用模擬量土壤濕度傳感器精確地采集數(shù)據(jù)，確保茶樹(shù)生長(zhǎng)在適宜的土壤濕度環(huán)境下，模擬量土壤濕度傳感器精度高、實(shí)用性強(qiáng)、成本低，滿足茶田土壤濕度監(jiān)測(cè)要求。

4 空氣溫濕度監(jiān)測(cè)模塊

空氣溫濕度監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)主要考慮空氣溫濕度對(duì)茶樹(shù)生長(zhǎng)的影響，茶樹(shù)適宜生長(zhǎng)在空氣濕度較大的地區(qū)，且溫度在18～25℃之間，溫度過(guò)高或過(guò)低都不利于茶樹(shù)的生長(zhǎng)，保證茶田適宜的溫濕度才能生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的茶葉，因此選擇DHT11溫濕度傳感器，其測(cè)量范圍是溫度0～50℃，濕度20%～90%，滿足茶田空氣溫濕度的監(jiān)測(cè)要求。

5 光照強(qiáng)度監(jiān)測(cè)模塊

過(guò)強(qiáng)的光照對(duì)茶葉中氨基酸的合成不利，影響茶葉的口感。茶樹(shù)喜陰，但光照也不可或缺，漫射光是茶樹(shù)生長(zhǎng)的最佳光源，因此使用16位兩線式串行總線接口的數(shù)字量BH1750FVI光照強(qiáng)度傳感器，以流明為單位，精準(zhǔn)地采集茶田光照度，以便在光照過(guò)強(qiáng)時(shí)警示茶農(nóng)遮擋光線。

6 PM2.5空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)模塊

優(yōu)質(zhì)的生態(tài)環(huán)境孕育優(yōu)質(zhì)的茶葉，保持好的空氣質(zhì)量對(duì)茶樹(shù)的生長(zhǎng)十分有益，生產(chǎn)出的茶葉質(zhì)量也自然會(huì)有所提高。使用GP2Y1023AU0F空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)模塊采集粉塵顆粒的濃度和PM2.5濃度，來(lái)判斷空氣質(zhì)量的好壞，保持良好的茶田空氣質(zhì)量才能產(chǎn)出高品質(zhì)的茶葉，從而吸引更多的茶葉愛(ài)好者來(lái)傳播中國(guó)的茶文化。

7 無(wú)線通信模塊

因該系統(tǒng)各傳感器采集數(shù)據(jù)量較大，且需要穩(wěn)定地傳輸，因此無(wú)線通信模塊選用ESP8266無(wú)線收發(fā)模塊，ESP8266內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，支持802.11 b/g/n協(xié)議，可自組網(wǎng)絡(luò)，具有傳輸距離遠(yuǎn)、速率高、傳輸穩(wěn)定、功耗低等特點(diǎn)，滿足系統(tǒng)中各傳感器數(shù)據(jù)快速、穩(wěn)定的發(fā)送需求。

8 結(jié)束語(yǔ)

茶田生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以大大節(jié)省人力、物力，且采集數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，有助于茶葉生產(chǎn)質(zhì)量的提升。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了茶田中土壤濕度、空氣溫濕度、光照強(qiáng)度及PM2.5空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)，并通過(guò)無(wú)線通信模塊實(shí)時(shí)發(fā)送至手機(jī)上，使茶農(nóng)足不出戶便可知道準(zhǔn)確的茶田生態(tài)環(huán)境信息，以便在需要時(shí)采取相應(yīng)措施，保證茶樹(shù)在適宜的環(huán)境下生長(zhǎng)。該系統(tǒng)可以根據(jù)不同的茶田需求，自由擴(kuò)展或裁剪傳感器的種類，其具有體積小、功耗低、精度高、使用方便等特點(diǎn)。茶田生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中的又一個(gè)應(yīng)用，現(xiàn)如今物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)等現(xiàn)代電子技術(shù)正在被快速地應(yīng)用到生活中的各個(gè)領(lǐng)域，這有助于我國(guó)科技創(chuàng)新的進(jìn)步，促進(jìn)科技產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，為“一帶一路”提供動(dòng)力。

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