基于LoRa的茶园环境参数监测系统

范召辉，来恒，王战备（通讯作者）

（陕西理工大学物理与电信工程学院，陕西汉中，723000）

0 引言

陕南秦巴山区是陕西的茶叶主产区[1]。近年来，在各级政府的科学引导和大力支持下，陕南地区的茶叶产业迅速发展，已成为陕南地区农民脱贫致富的重要产业之一[2]。目前陕南茶叶种植管理基本沿袭传统的人工管理方式，管理方式落后、生产效率低，精细化程度低，影响了陕南茶叶产量和品质的提高，也制约了陕南茶叶产业的高质量发展。针对此问题，本文研究设计一种基于LoRa技术的茶园环境参数监测系统，该系统能自动检测茶叶种植环境中的土壤温度、湿度、酸碱度及大气温湿度等环境参数，具有检测数据LoRa无线传输、自动分析、异常语音告警等功能，并具有基于窄带物联网（NB-IoT）技术的互联网云平台自动接入与数据上传功能，可实现基于手机app的茶园环境参数远程监测。该系统功能完善、自动化程度高，可为实现陕南茶园种植管理的智能化、信息化奠定必要的技术基础。

1 系统方案设计

本系统由若干个分布于茶园环境中的检测终端和一个控制主机所组成，检测终端和控制主机之间通过LoRa无线方式进行通信，检测终端定时自动采集茶叶种植区域内的土壤温度、湿度、酸碱度及大气温湿度等环境参数并完成数据分析后，将变化量较大的采集数据通过LoRa无线方式发送至控制主机，由控制主机完成数据分析、显示、异常语音告警等功能，控制主机具有阈值设置功能，并能通过NB-IoT方式实现互联网OneNET云平台的自动接入，可将采集数据自动上传至OneNET云平台，用户通过手机app登录云平台，便可实现基于手机app的茶园环境参数远程监测功能。系统方案如图1所示。

图1 系统设计方案

2 系统设计

■2.1 硬件电路设计

本系统中检测终端和控制主机中的终端控制器和主机处理器均采用意法半导体公司的32位低功耗嵌入式微控制器STM32F103ZET6；LoRa模块均采用正点原子ATKLORA-01型无线串口LoRa模块，该模块以SX1278芯片为核心，采用LoRa扩频技术，具有功耗低、传输距离远、抗干扰能力强等特点[3]；显示模块均采用3.2寸TFT触摸式彩色液晶模块，该模块采用SPI串行总线通信，只需几个IO即可点亮显示，电路结构简单，工作稳定。

2.1.1 检测终端电路设计

检测终端由终端控制器、大气温湿度检测模块、土壤温湿度检测模块、土壤酸碱度检测模块、显示模块、LoRa模块组成。大气温湿度检测模块采用数字式温湿度检测一体传感器DHT11[4-5],通过I2C接口与终端控制器相连；土壤温湿度检测模块采用工业级土壤温湿度一体化传感器模块，该模块采用12-24V DC供电、防护等级IP68，土壤湿度检测精度为+5%，土壤温度检测精度为+0.5摄氏度，采用RS485接口输出；土壤酸碱度检测模块以复合PH检测电极为核心，包含检测信号放大、温漂补偿等功能，该模块采用DC 5V供电，以土壤溶液为测量对象，土壤pH值测量范围0-14，输出信号为0～5V电压信号，电路连接结构简单，数据传输稳定。检测终端电路如图2所示。

2.1.2 控制主机电路设计

主控制机由主机处理器、LoRa模块、显示模块、语音模块、NB-IoT模块组成，其中的LoRa模块电路、显示模块电路与图2所示检测终端中电路结构相同。

图2 检测终端电路图

（1）语音模块控制电路设计

语音模块电路的主要作用是实施环境参数异常时的语音告警功能，该电路以SYN6288 中文语音合成芯片为核心[6]，通过异步串口接收待合成的文本，实现文本到声音的转换。本系统工作过程中，当主控制机接收到检测数据超过设定的阈值时，通过该模块播放设定的告警语音信息，从而来达到异常状态语音警示的目的。SYN6288与STM32主机控制器连接电路如图3所示。

图3 SYN6288连接电路

（2）NB-IoT模块控制电路设计

本系统控制主机通过NB-IoT技术实现与外部互联网云平台的自动连接及数据上传功能，设计时选用中移动M5310-A型NB-IoT模块[7]，该模块具有UART异步串行通信接口，与STM32单片机的连接电路较为简单，当各路检测数据汇总至主控制机后，主控制机在分析显示数据的同时，由通过NB-IoT模块将检测数据发送至中移OneNET云平台客户端。用户利用OneNET云平台配套的手机app，通过互联网远程登录云平台客户端，即可实时监控土壤环境参数变化情况。NB-IoT模块与STM32主机控制器连接电路如图4所示。

图4 NB—IoT模块连接电路

■ 2.2 系统软件设计

本系统中检测终端的数据采集方式默认为定时采集模式，定时间隔默认值为30分钟，如用户需要修改定时间隔，可在系统上电启动后，通过手机app远程进行设置。系统正式开始后，检测终端定时采集土壤环境参数，并比较分析本次采集数据与上次数据的变化情况，若土壤温度变化量超过1℃、土壤湿度变化量超过5%、酸碱度变化值大于1，则将采集数据封装后，通过LoRa无线方式发送至主控制机，封装数据中包含检测终端ID号，便于控制主机有效识别数据来源；控制主机接收并解封数据后，按照ID顺序依次显示各检测终端的采集数据，同时分析数据是否存在异常，如有异常，启动语音告警功能，分析完成后，控制主机对数据进行二次封装，并通过NB-IoT通道将采集数据上传到OneNET云平台客户端，用户可通过手机APP远程登录云平台客户端，即可实现茶园土壤环境参数的远程监测功能。图5为系统主要工作流程示意图，其中图5(a)为检测终端控制流程图、图5(b)为主控制机控制流程图、图5(c)为手机app设置检测时间流程图。

图5 系统工作流程图

本系统中主控制机通过NB-IoT模块实现互联网OneNET云平台自动接入与数据上传功能，工作时，由控制主机处理器STM32利用AT指令控制M5310A型NB-IoT模块接入OneNET云平台并实施数据自动上传，主要AT指令控制过程如下：

AT //模组返回ok，表示MCU和模组通信成功

AT+CSQ //查询信号，一般12-31，数值越大越好(一般为20左右)

AT+CEREG? //网络附着情况，默认状态下、第二位返回1或5表示附着网络成功

AT+MIPLCREATE=49,130031F10003F2002304001100 000000000010123138332E3233302E34302E33393A3536 3833000131F300080000000000,0,49,0 //创建实体（中间部分为注册码，所有同一类型的终端设备都可以使用同一个同一设备注册码进行配置）

AT+MIPLADDOBJ=0,3200,1,”1”,0,1

//创建对象，必须创建

AT+MIPLDISCOVERRSP=0,3200,1,4,”5750”

//创建资源

AT+MIPLOPEN=0,3000,30 //登录平台

AT+MIPLNOTIFY=0,0,3200,0,5750,1,4,”177788”,0,0,12//上报数据

3 系统测试

在实验室建立模拟茶园种植环境的沙盘模型，对本系统进行了实验性能测试，为提高系统测试效率，测试中将终端采集时间间隔设置为5s。测试过程中，通过不断的人为扰动，改变土壤温度、湿度、酸碱度和空气温度、湿度等参数，系统可按预设功能完成终端环境数据采集与分析、LoRa无线收发、控制主机数据处理、显示、异常语音告警等功能，同时控制主机可实现稳定的OneNET云平台自动接入与数据上传，用户在手机app上可及时观测到土壤和大气环境参数值及其变化过程，系统运行较为稳定，监测效果良好。

图6 手机app测试结果

4 结语

基于LoRa的茶园环境参数监测系统由分布于茶园种植环境中的检测终端和控制主机组成，利用检测终端定时采集茶园土壤温度、湿度、酸碱度及大气温湿度等环境参数，并分析本次采集数据与上次采集数据的变化，如采集数据偏差超过设定值，则将该检测数据通过LoRa无线方式发送至控制主机，由控制主机完成数据分析、显示及异常语音告警等功能，同时通过NB-IoT发送至OneNET云平台，用户通过手机app远程监测茶园环境参数变化情况。本系统可最大限度降低冗余数据量、减小系统能量消耗，为实现茶园种植环境长期稳定、监测奠定良好基础，也为实现陕南茶叶种植管理的自动化、智能化奠定良好的技术基础。