基于STM32與LORA通信的富硒茶園霧灌監測與遠程灌溉控制智能系統

蔡紹博，程水源，張威威，夏志波

（1.長江大學園藝園林學院，湖北 荊州 434025；2.武漢市春曉曲農業科技有限公司，湖北 武漢 430211；3.國家富硒農產品加工技術研發專業中心，湖北 武漢 430023；4.武漢建春科技有限公司，湖北 武漢 430074）

灌溉系統一直是傳統種植業中非常重要的一環，但為了節能節水，在新型種植業中，大規模的灌溉系統都采用霧灌，因為霧灌非常的節水節能。尤其是在大范圍的茶園種植中，不僅能增加空氣濕度和霧滴數量，在局部改變茶葉生長環境，還能在整體上降低茶園夏季氣溫，為茶葉生長提供最佳發芽生長的生態環境。

但大規模的種植業很難實現可控的環境參數，無法精確控制霧灌的濕度參數，文章設計了一款新型茶園霧灌監測與遠程灌溉控制智能系統，能夠有效的進行智能控制。

1 富硒茶園霧灌監測與遠程灌溉控制智能系統的技術分析

一般來說，茶園的智能監測與灌溉管理系統是基于嵌入式系統、遠程無線傳輸技術以及數據庫技術的一種遠程控制系統，應包含7個功能模塊，即水位監控及閘門控制系統、供電模塊、無線通信模塊、主控單元、顯示模塊、中央控制器和用戶手機。終端監控設備用于監測茶園土壤的干濕值，并將監測到的數值參數通過網絡傳輸至中央控制器，與預先設置好的終端節點的水位上、下閾值相比較，超過設置好的閾值則斷開電磁閥關閉水源停止灌溉，未達到數值則連通電磁閥開啟灌溉。選擇水源閘門的開/關，網關模塊將數據分析融合后，則利用網絡將數據發送到上位機，采集到的數據則在交互界面顯示，整個灌溉控制過程可通過手動和手機客戶端進行操作，進而對茶園的需水量進行較為精確的自動灌溉，從而節省了水、電及人力資源。

因此，要實現富硒茶園霧灌監測與遠程灌溉控制智能系統，首先需要實現環境參數的采集，利用溫濕度傳感器監測富硒茶園的空氣溫濕度和土壤溫濕度，用來判斷是否需要開啟霧灌系統。霧灌系統利用繼電器來控制，繼電器通過GPIO口連接到STM32單片機上，用來實現智能控制。STM32單片機采用STM32F103C8T6微控制器，工作電壓為2V—3.6V。終端采集節點利用LoRa網絡實現無線傳輸，LoRa無線通信技術的調制方式，具有體積小、功耗低等高性能，相對于其他通信方式在通信距離、抗干擾能力上具有相當的優勢。一個LoRa網關在理論上可以連接上千上萬個LoRa節點，我們可以利用這一特性，實現一對多通信，利用一個LoRa網關節點采集多個終端節點的數據。LoRa網關節點通過4G/WiFi模塊進行數據的發送。采用TCP/IP通信協議，將數據發送到華為云平臺，并設置下行命令，利用華為云平臺來控制終端節點的繼電器開關。終端服務器利用Internet訪問云平臺，進行終端環境的監測和遠程智能灌溉控制。

2 富硒茶園霧灌監測與遠程灌溉控制智能系統的功能與架構

2.1 富硒茶園灌溉系統的功能實現

根據上文的技術分析，如圖1所示，具備以下功能：

圖1 富硒茶園霧灌監測與遠程灌溉控制智能系統功能實現圖

2.1.1 實時監測：根據富硒茶園霧灌需求，需要采集的環境參數由空氣溫濕度值和土壤溫濕度值，并且需要將采集到數值實時發送到云端平臺，實現富硒茶園環境參數的實時監測。

2.1.2 多節點采集：一個LoRa網關可以連接以千個為單位的LoRa節點，并采用多對一的通信方式，多個采集節點在采集到環境的溫濕度之后，發送到一個LoRa網關節點進行數據參數的轉發

2.1.3 云平臺數據處理：LoRa網關節點將數據發送到云平臺，云平臺對數據進行實時接收，云平臺對數據進行解析，解析為直觀的環境參數圖表，并且能夠實現命令的下發。

2.1.4 終端服務器監測與控制：終端服務器通過4G/5G/WiFi網絡訪問云平臺，監測模塊對茶園的溫濕度值進行實時監控，當濕度值低于生長的最適值時，可以通過控制模塊進行控制，最終實現遠程灌溉控制。

2.2 富硒茶園灌溉系統的整體架構

如上文的富硒茶園霧灌監測與遠程灌溉控制智能系統功能實現圖，富硒茶園智能灌溉系統的整體構成包括三層：終端監測節點，中層網絡節點和終端服務器系統。

終端監測節點硬件設計采用STM32F103C8T6微控制器的單片機作為終端的核心。如圖2所示，該微控制器需要的電壓為2V—3.6V，這樣就摒棄了傳統的電源布線，通過干電池或紐扣電池就能“供能”使用。終端通過溫濕度傳感器監測空氣溫濕度數值和土壤溫濕度數值，傳感器通過GPIO口與STM32單片機相連，進行數據的檢測的傳輸，并且GPIO口與繼電器相連，終端通過繼電器控制茶園的霧灌系統的開關。微處理器在獲取到環境參數之后通過串行總線將數據發送到LoRa終端節點通信模塊進行數據的無線傳輸。

圖2 終端監測節點硬件設計

中層網絡節點硬件設計采用LoRa網絡遠距離無線傳輸和4G/5G/WiFi網絡與距離通信。如圖3所示，LoRa網絡組成在應用數據上可雙向傳輸，因此所有的終端節點與網關間均是雙向通信。在這個網絡架構中，連接終端設備的LoRa網關負責各種數據多向匯總后，向云端數據服務器發送。網關節點與云平臺服務器之間采用TCP/IP網絡進行連接。在LoRa終端節點和LoRa網關節點之間通信采用多對一通信模式，多個采集節點接入到一個LoRa網關節點中，實現大規模的環境參數監控。在LoRa網關節點的通信模塊獲取到環境參數之后，通過SPI接口將數據傳輸到網關節點的中央處理模塊（MCU）并存儲起來。中央處理模塊通過usb接口與通信模塊連接，以控制通信模塊傳輸LoRa網關所獲取的LoRa終端節點信息，LoRa網關節點通過4G/WiFi通信模塊將數據發送到云平臺，云平臺對數據進行處理,對富硒茶園的空氣溫濕度以及土壤溫濕度進行分析，分析是否開啟霧灌系統。

圖3 中層網絡節點硬件設計

終端服務器通過Internet訪問云平臺，實時監測茶園的環境。當檢測到的茶園環境參數空氣濕度過低或是土壤濕度過低時，可用通過控制模塊，控制華為云平臺下發指令，指令傳輸到終端節點控制繼電器的開關，進行霧灌系統開關的控制，實現遠程灌溉智能系統的控制。

3 富硒茶園霧灌監測與遠程灌溉控制智能系統的的實驗分析

在完成該系統的設計和實現后，本文對該系統進行了實驗室模擬環境的測試時，為了方便測試，按照1：100的比例還原了該系統所需的富硒茶園環境。首先進行霧灌系統的實現分析，STM32單片機直接通過程序控制繼電器的開關，來實現人工模擬云霧天氣，發現可以通過繼電器實現控制。

在進行傳感器監測的實現分析，通過GPIO口將溫濕度傳感器連接到STM32單片機上，來檢測富硒茶園的空氣溫濕度值和土壤溫濕度值，并通過上位機串口助手直接與單片機相連，來查看檢測到的數值是否正確，實驗結果正確，可以正確監測到茶園的溫濕度數值。

在檢測LoRa網絡的可行性，利用LoRa終端節點向網關節點進行通信，可以完成數據的傳輸，并將數據發送到云平臺，可以通過終端服務器訪問到云平臺的數據，并完成控制命令的下發。

通過模擬富硒茶園的溫濕度差異，該系統在監測數據變化和動態監控中，均表現出了良好的適用性，能夠實現富硒茶園溫濕度的周期性采集與實時查詢，并且終端服務器通過訪問華為云平臺，進行控制命令的下發，能夠實現霧灌系統的開啟與關閉。因此當這個測試系統持續擴容，運用到更大范圍內的實際生活生產中，具有一定的可實現性。

4 結語

實現穩定可靠的茶樹作物生長環境信息監測是現代智能化茶園發展的關鍵一步，文章利用STM32與LoRa通信技術設計并實現了一種富硒茶園的霧灌監測與遠程灌溉控制智能系統，該系統區別于傳統的灌溉系統，利用新方法、新思路在實現富硒茶園溫濕度的周期性采集與實時查詢以及數值的動態化監測等方面實現了創新突破，同時通過局部實驗證明了系統的設計合理，證實了通過傳感器檢測土壤的溫濕度來判斷茶園環境是否需要開啟水閥的智能灌溉系統具備場景可行性。