基于LoRa的茶園環境參數監測系統

范召輝，來恒，王戰備（通訊作者）

（陜西理工大學物理與電信工程學院，陜西漢中，723000）

0 引言

陜南秦巴山區是陜西的茶葉主產區[1]。近年來，在各級政府的科學引導和大力支持下，陜南地區的茶葉產業迅速發展，已成為陜南地區農民脫貧致富的重要產業之一[2]。目前陜南茶葉種植管理基本沿襲傳統的人工管理方式，管理方式落后、生產效率低，精細化程度低，影響了陜南茶葉產量和品質的提高，也制約了陜南茶葉產業的高質量發展。針對此問題，本文研究設計一種基于LoRa技術的茶園環境參數監測系統，該系統能自動檢測茶葉種植環境中的土壤溫度、濕度、酸堿度及大氣溫濕度等環境參數，具有檢測數據LoRa無線傳輸、自動分析、異常語音告警等功能，并具有基于窄帶物聯網（NB-IoT）技術的互聯網云平臺自動接入與數據上傳功能，可實現基于手機app的茶園環境參數遠程監測。該系統功能完善、自動化程度高，可為實現陜南茶園種植管理的智能化、信息化奠定必要的技術基礎。

1 系統方案設計

本系統由若干個分布于茶園環境中的檢測終端和一個控制主機所組成，檢測終端和控制主機之間通過LoRa無線方式進行通信，檢測終端定時自動采集茶葉種植區域內的土壤溫度、濕度、酸堿度及大氣溫濕度等環境參數并完成數據分析后，將變化量較大的采集數據通過LoRa無線方式發送至控制主機，由控制主機完成數據分析、顯示、異常語音告警等功能，控制主機具有閾值設置功能，并能通過NB-IoT方式實現互聯網OneNET云平臺的自動接入，可將采集數據自動上傳至OneNET云平臺，用戶通過手機app登錄云平臺，便可實現基于手機app的茶園環境參數遠程監測功能。系統方案如圖1所示。

圖1 系統設計方案

2 系統設計

■2.1 硬件電路設計

本系統中檢測終端和控制主機中的終端控制器和主機處理器均采用意法半導體公司的32位低功耗嵌入式微控制器STM32F103ZET6；LoRa模塊均采用正點原子ATKLORA-01型無線串口LoRa模塊，該模塊以SX1278芯片為核心，采用LoRa擴頻技術，具有功耗低、傳輸距離遠、抗干擾能力強等特點[3]；顯示模塊均采用3.2寸TFT觸摸式彩色液晶模塊，該模塊采用SPI串行總線通信，只需幾個IO即可點亮顯示，電路結構簡單，工作穩定。

2.1.1 檢測終端電路設計

檢測終端由終端控制器、大氣溫濕度檢測模塊、土壤溫濕度檢測模塊、土壤酸堿度檢測模塊、顯示模塊、LoRa模塊組成。大氣溫濕度檢測模塊采用數字式溫濕度檢測一體傳感器DHT11[4-5],通過I2C接口與終端控制器相連；土壤溫濕度檢測模塊采用工業級土壤溫濕度一體化傳感器模塊，該模塊采用12-24V DC供電、防護等級IP68，土壤濕度檢測精度為+5%，土壤溫度檢測精度為+0.5攝氏度，采用RS485接口輸出；土壤酸堿度檢測模塊以復合PH檢測電極為核心，包含檢測信號放大、溫漂補償等功能，該模塊采用DC 5V供電，以土壤溶液為測量對象，土壤pH值測量范圍0-14，輸出信號為0～5V電壓信號，電路連接結構簡單，數據傳輸穩定。檢測終端電路如圖2所示。

2.1.2 控制主機電路設計

主控制機由主機處理器、LoRa模塊、顯示模塊、語音模塊、NB-IoT模塊組成，其中的LoRa模塊電路、顯示模塊電路與圖2所示檢測終端中電路結構相同。

圖2 檢測終端電路圖

（1）語音模塊控制電路設計

語音模塊電路的主要作用是實施環境參數異常時的語音告警功能，該電路以SYN6288 中文語音合成芯片為核心[6]，通過異步串口接收待合成的文本，實現文本到聲音的轉換。本系統工作過程中，當主控制機接收到檢測數據超過設定的閾值時，通過該模塊播放設定的告警語音信息，從而來達到異常狀態語音警示的目的。SYN6288與STM32主機控制器連接電路如圖3所示。

圖3 SYN6288連接電路

（2）NB-IoT模塊控制電路設計

本系統控制主機通過NB-IoT技術實現與外部互聯網云平臺的自動連接及數據上傳功能，設計時選用中移動M5310-A型NB-IoT模塊[7]，該模塊具有UART異步串行通信接口，與STM32單片機的連接電路較為簡單，當各路檢測數據匯總至主控制機后，主控制機在分析顯示數據的同時，由通過NB-IoT模塊將檢測數據發送至中移OneNET云平臺客戶端。用戶利用OneNET云平臺配套的手機app，通過互聯網遠程登錄云平臺客戶端，即可實時監控土壤環境參數變化情況。NB-IoT模塊與STM32主機控制器連接電路如圖4所示。

圖4 NB—IoT模塊連接電路

■ 2.2 系統軟件設計

本系統中檢測終端的數據采集方式默認為定時采集模式，定時間隔默認值為30分鐘，如用戶需要修改定時間隔，可在系統上電啟動后，通過手機app遠程進行設置。系統正式開始后，檢測終端定時采集土壤環境參數，并比較分析本次采集數據與上次數據的變化情況，若土壤溫度變化量超過1℃、土壤濕度變化量超過5%、酸堿度變化值大于1，則將采集數據封裝后，通過LoRa無線方式發送至主控制機，封裝數據中包含檢測終端ID號，便于控制主機有效識別數據來源；控制主機接收并解封數據后，按照ID順序依次顯示各檢測終端的采集數據，同時分析數據是否存在異常，如有異常，啟動語音告警功能，分析完成后，控制主機對數據進行二次封裝，并通過NB-IoT通道將采集數據上傳到OneNET云平臺客戶端，用戶可通過手機APP遠程登錄云平臺客戶端，即可實現茶園土壤環境參數的遠程監測功能。圖5為系統主要工作流程示意圖，其中圖5(a)為檢測終端控制流程圖、圖5(b)為主控制機控制流程圖、圖5(c)為手機app設置檢測時間流程圖。

圖5 系統工作流程圖

本系統中主控制機通過NB-IoT模塊實現互聯網OneNET云平臺自動接入與數據上傳功能，工作時，由控制主機處理器STM32利用AT指令控制M5310A型NB-IoT模塊接入OneNET云平臺并實施數據自動上傳，主要AT指令控制過程如下：

AT //模組返回ok，表示MCU和模組通信成功

AT+CSQ //查詢信號，一般12-31，數值越大越好(一般為20左右)

AT+CEREG? //網絡附著情況，默認狀態下、第二位返回1或5表示附著網絡成功

AT+MIPLCREATE=49,130031F10003F2002304001100 000000000010123138332E3233302E34302E33393A3536 3833000131F300080000000000,0,49,0 //創建實體（中間部分為注冊碼，所有同一類型的終端設備都可以使用同一個同一設備注冊碼進行配置）

AT+MIPLADDOBJ=0,3200,1,”1”,0,1

//創建對象，必須創建

AT+MIPLDISCOVERRSP=0,3200,1,4,”5750”

//創建資源

AT+MIPLOPEN=0,3000,30 //登錄平臺

AT+MIPLNOTIFY=0,0,3200,0,5750,1,4,”177788”,0,0,12//上報數據

3 系統測試

在實驗室建立模擬茶園種植環境的沙盤模型，對本系統進行了實驗性能測試，為提高系統測試效率，測試中將終端采集時間間隔設置為5s。測試過程中，通過不斷的人為擾動，改變土壤溫度、濕度、酸堿度和空氣溫度、濕度等參數，系統可按預設功能完成終端環境數據采集與分析、LoRa無線收發、控制主機數據處理、顯示、異常語音告警等功能，同時控制主機可實現穩定的OneNET云平臺自動接入與數據上傳，用戶在手機app上可及時觀測到土壤和大氣環境參數值及其變化過程，系統運行較為穩定，監測效果良好。

圖6 手機app測試結果

4 結語

基于LoRa的茶園環境參數監測系統由分布于茶園種植環境中的檢測終端和控制主機組成，利用檢測終端定時采集茶園土壤溫度、濕度、酸堿度及大氣溫濕度等環境參數，并分析本次采集數據與上次采集數據的變化，如采集數據偏差超過設定值，則將該檢測數據通過LoRa無線方式發送至控制主機，由控制主機完成數據分析、顯示及異常語音告警等功能，同時通過NB-IoT發送至OneNET云平臺，用戶通過手機app遠程監測茶園環境參數變化情況。本系統可最大限度降低冗余數據量、減小系統能量消耗，為實現茶園種植環境長期穩定、監測奠定良好基礎，也為實現陜南茶葉種植管理的自動化、智能化奠定良好的技術基礎。