范召輝，來恒，王戰(zhàn)備（通訊作者）

（陜西理工大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，陜西漢中，723000）

0 引言

陜南秦巴山區(qū)是陜西的茶葉主產(chǎn)區(qū)[1]。近年來，在各級(jí)政府的科學(xué)引導(dǎo)和大力支持下，陜南地區(qū)的茶葉產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，已成為陜南地區(qū)農(nóng)民脫貧致富的重要產(chǎn)業(yè)之一[2]。目前陜南茶葉種植管理基本沿襲傳統(tǒng)的人工管理方式，管理方式落后、生產(chǎn)效率低，精細(xì)化程度低，影響了陜南茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)的提高，也制約了陜南茶葉產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。針對(duì)此問題，本文研究設(shè)計(jì)一種基于LoRa技術(shù)的茶園環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能自動(dòng)檢測(cè)茶葉種植環(huán)境中的土壤溫度、濕度、酸堿度及大氣溫濕度等環(huán)境參數(shù)，具有檢測(cè)數(shù)據(jù)LoRa無線傳輸、自動(dòng)分析、異常語音告警等功能，并具有基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)的互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)自動(dòng)接入與數(shù)據(jù)上傳功能，可實(shí)現(xiàn)基于手機(jī)app的茶園環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)功能完善、自動(dòng)化程度高，可為實(shí)現(xiàn)陜南茶園種植管理的智能化、信息化奠定必要的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由若干個(gè)分布于茶園環(huán)境中的檢測(cè)終端和一個(gè)控制主機(jī)所組成，檢測(cè)終端和控制主機(jī)之間通過LoRa無線方式進(jìn)行通信，檢測(cè)終端定時(shí)自動(dòng)采集茶葉種植區(qū)域內(nèi)的土壤溫度、濕度、酸堿度及大氣溫濕度等環(huán)境參數(shù)并完成數(shù)據(jù)分析后，將變化量較大的采集數(shù)據(jù)通過LoRa無線方式發(fā)送至控制主機(jī)，由控制主機(jī)完成數(shù)據(jù)分析、顯示、異常語音告警等功能，控制主機(jī)具有閾值設(shè)置功能，并能通過NB-IoT方式實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)OneNET云平臺(tái)的自動(dòng)接入，可將采集數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳至OneNET云平臺(tái)，用戶通過手機(jī)app登錄云平臺(tái)，便可實(shí)現(xiàn)基于手機(jī)app的茶園環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能。系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中檢測(cè)終端和控制主機(jī)中的終端控制器和主機(jī)處理器均采用意法半導(dǎo)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(diǎn)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(kuò)頻技術(shù)，具有功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)[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(gè)IO即可點(diǎn)亮顯示，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定。

2.1.1 檢測(cè)終端電路設(shè)計(jì)

檢測(cè)終端由終端控制器、大氣溫濕度檢測(cè)模塊、土壤溫濕度檢測(cè)模塊、土壤酸堿度檢測(cè)模塊、顯示模塊、LoRa模塊組成。大氣溫濕度檢測(cè)模塊采用數(shù)字式溫濕度檢測(cè)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(cè)模塊采用工業(yè)級(jí)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(hù)等級(jí)IP68，土壤濕度檢測(cè)精度為+5%，土壤溫度檢測(cè)精度為+0.5攝氏度，采用RS485接口輸出；土壤酸堿度檢測(cè)模塊以復(fù)合PH檢測(cè)電極為核心，包含檢測(cè)信號(hào)放大、溫漂補(bǔ)償?shù)裙δ?，該模塊采用DC 5V供電，以土壤溶液為測(cè)量對(duì)象，土壤pH值測(cè)量范圍0-14，輸出信號(hào)為0～5V電壓信號(hào)，電路連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。檢測(cè)終端電路如圖2所示。

2.1.2 控制主機(jī)電路設(shè)計(jì)

主控制機(jī)由主機(jī)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(cè)終端中電路結(jié)構(gòu)相同。

圖2 檢測(cè)終端電路圖

（1）語音模塊控制電路設(shè)計(jì)

語音模塊電路的主要作用是實(shí)施環(huán)境參數(shù)異常時(shí)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(shí)現(xiàn)文本到聲音的轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)工作過程中，當(dāng)主控制機(jī)接收到檢測(cè)數(shù)據(jù)超過設(shè)定的閾值時(shí)，通過該模塊播放設(shè)定的告警語音信息，從而來達(dá)到異常狀態(tài)語音警示的目的。SYN6288與STM32主機(jī)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(shè)計(jì)

本系統(tǒng)控制主機(jī)通過NB-IoT技術(shù)實(shí)現(xiàn)與外部互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的自動(dòng)連接及數(shù)據(jù)上傳功能，設(shè)計(jì)時(shí)選用中移動(dòng)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(jī)的連接電路較為簡(jiǎn)單，當(dāng)各路檢測(cè)數(shù)據(jù)匯總至主控制機(jī)后，主控制機(jī)在分析顯示數(shù)據(jù)的同時(shí)，由通過NB-IoT模塊將檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至中移OneNET云平臺(tái)客戶端。用戶利用OneNET云平臺(tái)配套的手機(jī)app，通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程登錄云平臺(tái)客戶端，即可實(shí)時(shí)監(jiān)控土壤環(huán)境參數(shù)變化情況。NB-IoT模塊與STM32主機(jī)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(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中檢測(cè)終端的數(shù)據(jù)采集方式默認(rèn)為定時(shí)采集模式，定時(shí)間隔默認(rèn)值為30分鐘，如用戶需要修改定時(shí)間隔，可在系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，通過手機(jī)app遠(yuǎn)程進(jìn)行設(shè)置。系統(tǒng)正式開始后，檢測(cè)終端定時(shí)采集土壤環(huán)境參數(shù)，并比較分析本次采集數(shù)據(jù)與上次數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)封裝后，通過LoRa無線方式發(fā)送至主控制機(jī)，封裝數(shù)據(jù)中包含檢測(cè)終端ID號(hào)，便于控制主機(jī)有效識(shí)別數(shù)據(jù)來源；控制主機(jī)接收并解封數(shù)據(jù)后，按照ID順序依次顯示各檢測(cè)終端的采集數(shù)據(jù)，同時(shí)分析數(shù)據(jù)是否存在異常，如有異常，啟動(dòng)語音告警功能，分析完成后，控制主機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次封裝，并通過NB-IoT通道將采集數(shù)據(jù)上傳到OneNET云平臺(tái)客戶端，用戶可通過手機(jī)APP遠(yuǎn)程登錄云平臺(tái)客戶端，即可實(shí)現(xiàn)茶園土壤環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能。圖5為系統(tǒng)主要工作流程示意圖，其中圖5(a)為檢測(cè)終端控制流程圖、圖5(b)為主控制機(jī)控制流程圖、圖5(c)為手機(jī)app設(shè)置檢測(cè)時(shí)間流程圖。

圖5 系統(tǒng)工作流程圖

本系統(tǒng)中主控制機(jī)通過NB-IoT模塊實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)OneNET云平臺(tái)自動(dòng)接入與數(shù)據(jù)上傳功能，工作時(shí)，由控制主機(jī)處理器STM32利用AT指令控制M5310A型NB-IoT模塊接入OneNET云平臺(tái)并實(shí)施數(shù)據(jù)自動(dòng)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(hào)，一般12-31，數(shù)值越大越好(一般為20左右)

AT+CEREG? //網(wǎng)絡(luò)附著情況，默認(rèn)狀態(tài)下、第二位返回1或5表示附著網(wǎng)絡(luò)成功

AT+MIPLCREATE=49,130031F10003F2002304001100 000000000010123138332E3233302E34302E33393A3536 3833000131F300080000000000,0,49,0 //創(chuàng)建實(shí)體（中間部分為注冊(cè)碼，所有同一類型的終端設(shè)備都可以使用同一個(gè)同一設(shè)備注冊(cè)碼進(jìn)行配置）

AT+MIPLADDOBJ=0,3200,1,”1”,0,1

//創(chuàng)建對(duì)象，必須創(chuàng)建

AT+MIPLDISCOVERRSP=0,3200,1,4,”5750”

//創(chuàng)建資源

AT+MIPLOPEN=0,3000,30 //登錄平臺(tái)

AT+MIPLNOTIFY=0,0,3200,0,5750,1,4,”177788”,0,0,12//上報(bào)數(shù)據(jù)

3 系統(tǒng)測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室建立模擬茶園種植環(huán)境的沙盤模型，對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性能測(cè)試，為提高系統(tǒng)測(cè)試效率，測(cè)試中將終端采集時(shí)間間隔設(shè)置為5s。測(cè)試過程中，通過不斷的人為擾動(dòng)，改變土壤溫度、濕度、酸堿度和空氣溫度、濕度等參數(shù)，系統(tǒng)可按預(yù)設(shè)功能完成終端環(huán)境數(shù)據(jù)采集與分析、LoRa無線收發(fā)、控制主機(jī)數(shù)據(jù)處理、顯示、異常語音告警等功能，同時(shí)控制主機(jī)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的OneNET云平臺(tái)自動(dòng)接入與數(shù)據(jù)上傳，用戶在手機(jī)app上可及時(shí)觀測(cè)到土壤和大氣環(huán)境參數(shù)值及其變化過程，系統(tǒng)運(yùn)行較為穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)效果良好。

圖6 手機(jī)app測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語

基于LoRa的茶園環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由分布于茶園種植環(huán)境中的檢測(cè)終端和控制主機(jī)組成，利用檢測(cè)終端定時(shí)采集茶園土壤溫度、濕度、酸堿度及大氣溫濕度等環(huán)境參數(shù)，并分析本次采集數(shù)據(jù)與上次采集數(shù)據(jù)的變化，如采集數(shù)據(jù)偏差超過設(shè)定值，則將該檢測(cè)數(shù)據(jù)通過LoRa無線方式發(fā)送至控制主機(jī)，由控制主機(jī)完成數(shù)據(jù)分析、顯示及異常語音告警等功能，同時(shí)通過NB-IoT發(fā)送至OneNET云平臺(tái)，用戶通過手機(jī)app遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)茶園環(huán)境參數(shù)變化情況。本系統(tǒng)可最大限度降低冗余數(shù)據(jù)量、減小系統(tǒng)能量消耗，為實(shí)現(xiàn)茶園種植環(huán)境長(zhǎng)期穩(wěn)定、監(jiān)測(cè)奠定良好基礎(chǔ)，也為實(shí)現(xiàn)陜南茶葉種植管理的自動(dòng)化、智能化奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)。