葡萄环境信息多参数监测系统设计与实现
时间：2021-01-27 09:25:02 来源：达达文档网 本文已影响 人 
胡树冉 尹志豪 刘淑云 秦磊磊
摘 要：物联网在民用和工业领域都获得了较好的发展，近几年，在农业方面也得到了较广泛的应用。在葡萄种植领域，利用物联网技术对葡萄生长过程进行环境信息的获取，以便通过大数据对葡萄的生产进行实时监测。同时，将采集的数据上传到团队自主开发的果园物联网测控平台进行大数据分析。文中研究设计了一种以STM32为主CPU的环境信息多参数监测系统，该系统可实现葡萄生长环境的多参数采集、处理及传输。试验证明，该环境信息监测系统与果园物联网测控平台对接稳定，效果显著，能够有效监测葡萄生长环境。
关键词：葡萄;物联网;监测系统;主控模块;采集与传输;生长环境
0 引 言
近年来，物联网逐渐被应用在农业领域，与传统的人力种植相比，物联网技术可以减轻农民的农作压力，实时准确地了解作物的生长情况，甚至通过物联网技术远程操控农用机械在农田作业，不仅可提高农产品质量，也更符合现代农业生产一体化趋势。基于此，有必要对物联网在葡萄种植中的应用进行探究。本研究团队自主研发的果园物联网测控平台可精准实时地采集、显示、分析果园数据。
1 总体架构
葡萄环境信息多参数检测系统主要由主控CPU模块、RS 485数据采集传输模块、以太网远程通信模块、电源供电模块组成，可实现葡萄园区空气温湿度、二氧化碳、光照强度、土壤温湿度等参数的采集与传输。
（1）主控CPU模块（STM32单片机为主）是整个系统的核心，可实现系统的总体控制，包括数据采集指令下发、数据处理、数据远程上传等功能;
（2）RS 485数据采集模块通过485总线传输采集指令、接收采集数据;
（3）以太网通信模块将采集的数据通过网络上传至平台（果园物联网测控平台）;
（4）电源模块为各模块供电，满足系统对电能的需求。
葡萄环境信息监测系统结构如图1所示。
2 硬件设计
2.1 主控CPU模块
主控CPU模块选用高性能、低成本、低功耗的STM32F103单片机。STM32F系列属于中低端32位ARM微控制器，该系列芯片由意法半导体（ST）公司出品，其内核为Cortex-M3。芯片集成定时器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART等多种接口，运行稳定，便于开发。主控模块电路如图2所示。
2.2 RS 485数据采集模块
RS 485总线以良好的抗干扰能力、稳定的传输速率、传输距离远等优势得到了广泛应用，多参数监测系统中各传感器通过RS 485总线与主控CPU相连，通过Modbus协议获得采集的数据。STM32F103单片机串口转RS 485电路如图3所示，可实现RS 485通信功能。
2.3 以太网通信模块设计
以太网通信模块采用W5500以太网控制芯片进行设计，W5500支持SPI通信方式，可将网络数据转换为串口通信数据，便于单片机识别，并且支持全双工通信和掉电保存功能以及自动联网功能。W5500芯片通过RJ-45接头与单片机连接，实现网络通信。以太网通信模块电路如图4所示。
2.4 电源模块设计
多参数监测系统内部选用3.3 V供电电压，系统中的STM32主控模块、W5500以太网通信模块均为3.3 V供电。为满足系统对电源的需求，系统采用AC-DC模块生成5 V电压，然后通过AMS1117降压电路将5 V直流电源调整至3.3 V。电源模块电路如图5所示。
3 软件设计
系统软件包括主控程序和传感器采集两部分。主控程序采用轮询方式依次向传感器发出读数据指令，传感器接收并校验正确后，会根据指令回传需要的数据内容。数据协议为常见的Modbus协议，带校验功能，可保证稳定正确的数据传输。
系统通电后，首先进行程序初始化，初始化部分标志位与参数，开启定时器，打开串口等。然后通过定时器定时，经串口下发读传感器参数指令，等待数据返回，连发三次若无返回则进行下次数据读取，舍弃当前读取程序;若一次成功则接着读取下一个数据参数。主控程序接收到数据参数后解析有用数据，并打包成网络平台协议，打包完成后上传至果园物联网测控平台显示，具体流程如图6所示。
4 实验情况
为测试葡萄环境信息多参数监测系统的工作稳定性，将设备安装在济南济阳回河葡萄园基地进行测试，如图7所示。通过监测系统采集多种参数，如二氧化碳、光照、空气温湿度、土壤水分、土壤温度等，并通过以太网传输至果园物联网测控平台，由果园物联网测控平台查看、分析数据。
设备部署完成后，系统通电运行，在果园物联网测控平台（手机APP）中可查看采集数据，如图8所示，各监测数据可正常采集與上传。为测试多参数监测系统的工作稳定性，待其长时间工作后在平台中查看其采集数据的连续性，并查看有无异常数据。监测系统运行两周所采集数据的走势如图9所示，每天均有数据上传且数据走势平缓，系统工作较为稳定。
试验表明，本文设计的葡萄环境信息多参数采集监测系统可实时采集空气温湿度、二氧化碳、光照、土壤水分等多种参数并上传至果园物联网测控平台，系统衔接顺畅，显示直观，设备长时间运行稳定，数据准确，有效展示了当前葡萄生长的环境状况。
5 结 语
为了促进葡萄种植无人化、科技化，利用物联网技术对葡萄的生长过程进行环境信息多参数检测与实时监测。同时通过我们团队自主开发的果园物联网测控平台，可实现多参数的采集、处理及传输功能。试验证明，环境信息监测系统与果园物联网测控平台对接稳定，效果显著，能有效监测葡萄生长环境。
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