葡萄環境信息多參數監測系統設計與實現

胡樹冉 尹志豪 劉淑云 秦磊磊

摘 要：物聯網在民用和工業領域都獲得了較好的發展，近幾年，在農業方面也得到了較廣泛的應用。在葡萄種植領域，利用物聯網技術對葡萄生長過程進行環境信息的獲取，以便通過大數據對葡萄的生產進行實時監測。同時，將采集的數據上傳到團隊自主開發的果園物聯網測控平臺進行大數據分析。文中研究設計了一種以STM32為主CPU的環境信息多參數監測系統，該系統可實現葡萄生長環境的多參數采集、處理及傳輸。試驗證明，該環境信息監測系統與果園物聯網測控平臺對接穩定，效果顯著，能夠有效監測葡萄生長環境。

關鍵詞：葡萄;物聯網;監測系統;主控模塊;采集與傳輸;生長環境

0 引 言

近年來，物聯網逐漸被應用在農業領域，與傳統的人力種植相比，物聯網技術可以減輕農民的農作壓力，實時準確地了解作物的生長情況，甚至通過物聯網技術遠程操控農用機械在農田作業，不僅可提高農產品質量，也更符合現代農業生產一體化趨勢?；诖耍斜匾獙ξ锫摼W在葡萄種植中的應用進行探究。本研究團隊自主研發的果園物聯網測控平臺可精準實時地采集、顯示、分析果園數據。

1 總體架構

葡萄環境信息多參數檢測系統主要由主控CPU模塊、RS 485數據采集傳輸模塊、以太網遠程通信模塊、電源供電模塊組成，可實現葡萄園區空氣溫濕度、二氧化碳、光照強度、土壤溫濕度等參數的采集與傳輸。

（1）主控CPU模塊（STM32單片機為主）是整個系統的核心，可實現系統的總體控制，包括數據采集指令下發、數據處理、數據遠程上傳等功能;

（2）RS 485數據采集模塊通過485總線傳輸采集指令、接收采集數據;

（3）以太網通信模塊將采集的數據通過網絡上傳至平臺（果園物聯網測控平臺）;

（4）電源模塊為各模塊供電，滿足系統對電能的需求。

葡萄環境信息監測系統結構如圖1所示。

2 硬件設計

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。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體（ST）公司出品，其內核為Cortex-M3。芯片集成定時器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART等多種接口，運行穩定，便于開發。主控模塊電路如圖2所示。

2.2 RS 485數據采集模塊

RS 485總線以良好的抗干擾能力、穩定的傳輸速率、傳輸距離遠等優勢得到了廣泛應用，多參數監測系統中各傳感器通過RS 485總線與主控CPU相連，通過Modbus協議獲得采集的數據。STM32F103單片機串口轉RS 485電路如圖3所示，可實現RS 485通信功能。

2.3 以太網通信模塊設計

以太網通信模塊采用W5500以太網控制芯片進行設計，W5500支持SPI通信方式，可將網絡數據轉換為串口通信數據，便于單片機識別，并且支持全雙工通信和掉電保存功能以及自動聯網功能。W5500芯片通過RJ-45接頭與單片機連接，實現網絡通信。以太網通信模塊電路如圖4所示。

2.4 電源模塊設計

多參數監測系統內部選用3.3 V供電電壓，系統中的STM32主控模塊、W5500以太網通信模塊均為3.3 V供電。為滿足系統對電源的需求，系統采用AC-DC模塊生成5 V電壓，然后通過AMS1117降壓電路將5 V直流電源調整至3.3 V。電源模塊電路如圖5所示。

3 軟件設計

系統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出讀數據指令，傳感器接收并校驗正確后，會根據指令回傳需要的數據內容。數據協議為常見的Modbus協議，帶校驗功能，可保證穩定正確的數據傳輸。

系統通電后，首先進行程序初始化，初始化部分標志位與參數，開啟定時器，打開串口等。然后通過定時器定時，經串口下發讀傳感器參數指令，等待數據返回，連發三次若無返回則進行下次數據讀取，舍棄當前讀取程序;若一次成功則接著讀取下一個數據參數。主控程序接收到數據參數后解析有用數據，并打包成網絡平臺協議，打包完成后上傳至果園物聯網測控平臺顯示，具體流程如圖6所示。

4 實驗情況

為測試葡萄環境信息多參數監測系統的工作穩定性，將設備安裝在濟南濟陽回河葡萄園基地進行測試，如圖7所示。通過監測系統采集多種參數，如二氧化碳、光照、空氣溫濕度、土壤水分、土壤溫度等，并通過以太網傳輸至果園物聯網測控平臺，由果園物聯網測控平臺查看、分析數據。

設備部署完成后，系統通電運行，在果園物聯網測控平臺（手機APP）中可查看采集數據，如圖8所示，各監測數據可正常采集與上傳。為測試多參數監測系統的工作穩定性，待其長時間工作后在平臺中查看其采集數據的連續性，并查看有無異常數據。監測系統運行兩周所采集數據的走勢如圖9所示，每天均有數據上傳且數據走勢平緩，系統工作較為穩定。

試驗表明，本文設計的葡萄環境信息多參數采集監測系統可實時采集空氣溫濕度、二氧化碳、光照、土壤水分等多種參數并上傳至果園物聯網測控平臺，系統銜接順暢，顯示直觀，設備長時間運行穩定，數據準確，有效展示了當前葡萄生長的環境狀況。

5 結 語

為了促進葡萄種植無人化、科技化，利用物聯網技術對葡萄的生長過程進行環境信息多參數檢測與實時監測。同時通過我們團隊自主開發的果園物聯網測控平臺，可實現多參數的采集、處理及傳輸功能。試驗證明，環境信息監測系統與果園物聯網測控平臺對接穩定，效果顯著，能有效監測葡萄生長環境。

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