茶葉生長環(huán)境通用數(shù)據(jù)采集設(shè)備的研發(fā)

陳寧寧

（江蘇財經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇淮安 223001）

引言

我國是一個茶文化大國，茶園的氣候環(huán)境與茶葉的生長有密切的關(guān)系，茶園的環(huán)境信息快速有效地獲取，有助于掌握茶葉生長過程的環(huán)境動態(tài)，有助于了解茶葉生長過程的全況。發(fā)展現(xiàn)代茶葉是我國茶葉產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。現(xiàn)代茶葉的重要特征是茶葉生產(chǎn)和管理的機(jī)械化、數(shù)字化、信息化。深化信息化技術(shù)在茶園領(lǐng)域中的應(yīng)用，有利于提高我國茶葉的生產(chǎn)水平和經(jīng)營管理水平，有利于推進(jìn)我國茶葉產(chǎn)業(yè)化和現(xiàn)代化的進(jìn)程，有利于加快茶葉信息化建設(shè)的步伐。隨著信息化技術(shù)快速發(fā)展，當(dāng)前我國的茶園也處于從傳統(tǒng)的茶葉到信息化、數(shù)字化茶葉的轉(zhuǎn)型期，所以我們研發(fā)了一種基于stm32的茶葉環(huán)境通用數(shù)據(jù)采集設(shè)備，可以對茶葉環(huán)境的通用數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

1 硬件設(shè)計

研發(fā)的茶葉環(huán)境通用數(shù)據(jù)采集設(shè)備是一種基于STM32平臺對多種傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，從而獲得茶葉環(huán)境的通用數(shù)據(jù)，主要包括大氣的溫度、濕度、光照、土壤的溫度、濕度等，并使用GPRS通信模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送和傳輸。總體架構(gòu)如圖1所示，設(shè)備由電源、stm32控制器、傳感器模塊、語音模塊與GPRS模塊五個部分組成。

圖1 總體架構(gòu)

1.1 電源模塊

茶葉的數(shù)據(jù)采集設(shè)備在上電的情況下才能工作。而電源的穩(wěn)定性，對設(shè)備的正常工作有著較大的影響。同時，為了實現(xiàn)不間斷的對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，必須保證對設(shè)備進(jìn)行不間斷的供電，為此設(shè)計了一種清潔無污染的太陽能加蓄電池的不間斷供電模塊。電源模塊內(nèi)部使用蓄電池為設(shè)備提供基礎(chǔ)電源，外部使用太陽能電板為設(shè)備進(jìn)行供電。為了使設(shè)備電路不受電壓得沖擊，保證電源的可靠、穩(wěn)定，在太陽能電板的輸出端連接了穩(wěn)壓電路。設(shè)備選用大容量蓄電池進(jìn)行供電，在光照充足的時候，設(shè)備由太陽能電板提供電能；同時，太陽能電板為蓄電池進(jìn)行充電。在光照不足的情況下（如夜晚、陰雨天氣），由大容量蓄電池為設(shè)備進(jìn)行供電，因為設(shè)備采用低功耗器件設(shè)計而成，所以大容量蓄電池可滿足其14天的正常工作。

1.2 Stm32控制器

設(shè)備主要是對茶葉的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，考慮到元器件的性能、價格等因素，選用了意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的基于ARMCortex.M3架構(gòu)的STM32F103ZET6嵌入式微控制器作為主控芯片。ARMCortex.M3內(nèi)核專門為嵌入式領(lǐng)域而設(shè)計，具有功耗低、性能高、實時性好的特點。STM32具有停機(jī)、睡眠和待機(jī)三種省電模式，用戶可以根據(jù)需求合理地進(jìn)行選擇、優(yōu)化。STM32F103ZET6主頻可達(dá)72 MHz，配置了512kB Flash和64kB SRAM，足以滿足對應(yīng)用程序的存儲需求，對于小型的嵌入式操作系統(tǒng)也可以運行自如。芯片內(nèi)部集成了實時時鐘（RTC）、看門狗、中斷控制器（NVIC）、外部中斷控制器（EXTI）、通用定時器（TIMx）、12C 總線、串行外設(shè)接口（SPI）、控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（CAN）、通用輸入輸出接口（GPIO）等各種硬件資源和接口，方便開發(fā)者實現(xiàn)各種功能。

1.3 傳感器模塊

設(shè)備采用數(shù)字式溫濕度傳感器DHT22來采集茶園大氣的濕度和溫度，DHT22是一個非常穩(wěn)定的測量溫濕度的元件。它將傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)和數(shù)字技術(shù)相結(jié)合，確保傳感器具有極高的可靠性和長期穩(wěn)定性。DHT22測溫度和濕度時反應(yīng)迅速，而且還具有功耗低、封裝小、抗干擾能力強(qiáng)、信號傳輸距離遠(yuǎn)、性價比高等優(yōu)點。通過連接高性能的STM32微處理器，能夠?qū)崟r地獲取測量點的溫度和濕度，STM32與DHT22之間采用單總線方式進(jìn)行通信，僅需一個I/O端口即可。使用非常方便。光照傳感器傳統(tǒng)采用的是光敏電阻，由于光敏電阻的非線性，同時光敏電阻需要用A／D轉(zhuǎn)換器將其信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，電路復(fù)雜，費用高。所以針對光敏電阻的諸多缺點，設(shè)備采用的是日本ROHM（羅姆）株式會生產(chǎn)的BH1750FVI數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器，該數(shù)字型傳感器具有采集精度高、實時性好等優(yōu)點，并且電路設(shè)計簡單，容易實現(xiàn)。BH1750FVI具有1-65535 lx的高分辨率，支持較大范圍的光強(qiáng)變化。它是一種利用兩線式串行I2C總線接口的16位高精度數(shù)字型傳感器，它的工作原理是外部光照被高精度光敏二極管探測后，集成運算放大器將光敏二極管的電流轉(zhuǎn)換為光敏二極管的電壓，然后由16位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，最后被處理和存儲。我們可以通過相應(yīng)的指令讀取出內(nèi)部存儲的光照數(shù)據(jù)。按照時序要求操作起來非常方便。土壤濕度數(shù)據(jù)采集選用的是FC～28模塊。該模塊使用LM393芯片，比較適合對土壤的濕度測量；濕度傳感器環(huán)根據(jù)環(huán)境濕度的不同改變電容值的值，最后轉(zhuǎn)換為輸出脈沖頻率的變化，頻率的變化可以通過鑒頻器轉(zhuǎn)化為電壓的變化。土壤溫度的采集采用集成溫度傳感器DS18B20，采用熱敏電阻測量方法，在與stm32連接時僅需要一條線即可實現(xiàn)雙向通訊。不需要外圍器件，全部傳感元件和轉(zhuǎn)換電路都集成在一很小的、如同三極管那么大的器件內(nèi)，測溫范圍-55～125℃，足夠用來對土壤的溫度進(jìn)行采集，測量數(shù)據(jù)以數(shù)字量形式直接輸出。風(fēng)速傳感器選用的是FS01型風(fēng)速傳感器，F(xiàn)S01型風(fēng)速傳感器采用高塑合金鋁經(jīng)嚴(yán)格的氧化、噴塑工藝加工而成，防水、防潮、防腐蝕、強(qiáng)度高、耐候性好。分辨精度可以達(dá)到0.2m/s，啟動風(fēng)力為0.8m/s，轉(zhuǎn)換器為多齒轉(zhuǎn)杯和狹縫光耦，當(dāng)風(fēng)力吹動風(fēng)杯旋轉(zhuǎn)時，通過活軸轉(zhuǎn)杯在狹縫光耦中的轉(zhuǎn)動，輸出頻率信號供后級的處理單元進(jìn)行信號處理，F(xiàn)S01風(fēng)速傳感器可根據(jù)項目的需要選擇輸出脈沖、電流、電壓等多種接口方式，使用方便。

1.4 語音模塊

設(shè)備采用北京宇音天下科技有限公司生產(chǎn)的SYN6288中文語音合成芯片，SYN6288語音合成芯片采用SSOP28L貼片封裝，硬件接口簡單，性價比極高；除此之外，SYN6288文本識別更智能，語音合成更自然，聲音清亮圓潤、語速適中、自然度高、抗噪能力強(qiáng)（在嘈雜的噪音環(huán)境下更容易聽懂）；內(nèi)置功放，可以直接驅(qū)動8歐0.5W的喇叭，語音合成效果和智能識別效果非常優(yōu)秀。stm32可以根據(jù)接收到的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過UART串行通信接口和SYN6288語音合成芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，SYN6288接收stm32傳送的文本信息，以合成語音的方式，驅(qū)動發(fā)聲器發(fā)聲，進(jìn)行播放。

1.5 GPRS模塊

設(shè)備選用GPRS的通信方式，GPRS（通用分組無線業(yè)務(wù)）是英文General Packet Radio Service的簡稱，GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點是費用低廉、接入范圍廣、實時性好，GPRS是在GSM原有的基礎(chǔ)上優(yōu)化開發(fā)出的一種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，與固定交換技術(shù)中的數(shù)據(jù)分組業(yè)務(wù)基本相同，因此利用BBS（基站子系統(tǒng)）可以提供全方位的GPRS覆蓋。GPRS允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)，提供了一種高效低廉的無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，本設(shè)備使用的GPRS模塊采用內(nèi)置TCP/IP協(xié)議的SIM900A芯片，模塊通過串口與stm32進(jìn)行通訊，GPRS模塊在設(shè)備中主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸功能。

2 軟件設(shè)計

開發(fā)軟件使用的是德國 Keil公司推出的一款A(yù)RM編程軟件Keil μVision5，使用C語言作為編程語言。Keil μVision5具有調(diào)試、編譯、管理等多種功能，它能為開發(fā)人員提供方便、快捷、友好的操作界面和開發(fā)環(huán)境。使得開發(fā)人員十分方便的進(jìn)行開發(fā)，是一款前景廣闊的開發(fā)工具，我們通過 KEIL μVision5平臺、串口調(diào)試、ST-LINK、仿真器等工具完成設(shè)備的設(shè)計。程序流程圖如圖2所示。

首先對stm32進(jìn)行初始化設(shè)置，將STM32的I/O端口與傳感器一一對應(yīng)；GPRS傳輸?shù)臄?shù)據(jù)地址也在初始化階段進(jìn)行設(shè)置。可以通過初始化程序?qū)τ布O(shè)備進(jìn)行初始化設(shè)置、建立內(nèi)存空間的映射圖。從而將系統(tǒng)的軟、硬件環(huán)境設(shè)定在一個合適的狀態(tài)，軟件流程圖給定了設(shè)備的運行方案，設(shè)備工作時按照軟件流程圖的順序進(jìn)行啟動、采樣、計算、計時、中斷、存儲、輸出等工作。

圖2 設(shè)備程序流程圖

3 結(jié)束語

使用stm32處理器研發(fā)的茶葉環(huán)境通用數(shù)據(jù)采集設(shè)備，具有成本低、性能高、實時性好、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高的優(yōu)點。設(shè)備采用了清潔無污染的太陽能加蓄電池的供電模式，安裝簡單，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。設(shè)備采用GPRS傳輸數(shù)據(jù)，使得對現(xiàn)場通訊線路的鋪設(shè)大為減少。具有一定的實際應(yīng)用意義與推廣價值.