茶叶生长环境通用数据采集设备的研发

2018-12-14陈宁宁

福建茶叶 2018年12期

陈宁宁

（江苏财经职业技术学院，江苏淮安 223001）

引言

我国是一个茶文化大国，茶园的气候环境与茶叶的生长有密切的关系，茶园的环境信息快速有效地获取，有助于掌握茶叶生长过程的环境动态，有助于了解茶叶生长过程的全况。发展现代茶叶是我国茶叶产业发展的必然趋势。现代茶叶的重要特征是茶叶生产和管理的机械化、数字化、信息化。深化信息化技术在茶园领域中的应用，有利于提高我国茶叶的生产水平和经营管理水平，有利于推进我国茶叶产业化和现代化的进程，有利于加快茶叶信息化建设的步伐。随着信息化技术快速发展，当前我国的茶园也处于从传统的茶叶到信息化、数字化茶叶的转型期，所以我们研发了一种基于stm32的茶叶环境通用数据采集设备，可以对茶叶环境的通用数据进行采集。

1 硬件设计

研发的茶叶环境通用数据采集设备是一种基于STM32平台对多种传感器的数据进行采集，从而获得茶叶环境的通用数据，主要包括大气的温度、湿度、光照、土壤的温度、湿度等，并使用GPRS通信模块对数据进行发送和传输。总体架构如图1所示，设备由电源、stm32控制器、传感器模块、语音模块与GPRS模块五个部分组成。

图1 总体架构

1.1 电源模块

茶叶的数据采集设备在上电的情况下才能工作。而电源的稳定性，对设备的正常工作有着较大的影响。同时，为了实现不间断的对数据进行采集，必须保证对设备进行不间断的供电，为此设计了一种清洁无污染的太阳能加蓄电池的不间断供电模块。电源模块内部使用蓄电池为设备提供基础电源，外部使用太阳能电板为设备进行供电。为了使设备电路不受电压得冲击，保证电源的可靠、稳定，在太阳能电板的输出端连接了稳压电路。设备选用大容量蓄电池进行供电，在光照充足的时候，设备由太阳能电板提供电能；同时，太阳能电板为蓄电池进行充电。在光照不足的情况下（如夜晚、阴雨天气），由大容量蓄电池为设备进行供电，因为设备采用低功耗器件设计而成，所以大容量蓄电池可满足其14天的正常工作。

1.2 Stm32控制器

设备主要是对茶叶的环境数据进行采集，考虑到元器件的性能、价格等因素，选用了意法半导体公司生产的基于ARMCortex.M3架构的STM32F103ZET6嵌入式微控制器作为主控芯片。ARMCortex.M3内核专门为嵌入式领域而设计，具有功耗低、性能高、实时性好的特点。STM32具有停机、睡眠和待机三种省电模式，用户可以根据需求合理地进行选择、优化。STM32F103ZET6主频可达72 MHz，配置了512kB Flash和64kB SRAM，足以满足对应用程序的存储需求，对于小型的嵌入式操作系统也可以运行自如。芯片内部集成了实时时钟（RTC）、看门狗、中断控制器（NVIC）、外部中断控制器（EXTI）、通用定时器（TIMx）、12C 总线、串行外设接口（SPI）、控制器区域网络（CAN）、通用输入输出接口（GPIO）等各种硬件资源和接口，方便开发者实现各种功能。

1.3 传感器模块

设备采用数字式温湿度传感器DHT22来采集茶园大气的湿度和温度，DHT22是一个非常稳定的测量温湿度的元件。它将传统的传感器技术和数字技术相结合，确保传感器具有极高的可靠性和长期稳定性。DHT22测温度和湿度时反应迅速，而且还具有功耗低、封装小、抗干扰能力强、信号传输距离远、性价比高等优点。通过连接高性能的STM32微处理器，能够实时地获取测量点的温度和湿度，STM32与DHT22之间采用单总线方式进行通信，仅需一个I/O端口即可。使用非常方便。光照传感器传统采用的是光敏电阻，由于光敏电阻的非线性，同时光敏电阻需要用A／D转换器将其信号转换为数字信号，电路复杂，费用高。所以针对光敏电阻的诸多缺点，设备采用的是日本ROHM（罗姆）株式会生产的BH1750FVI数字型光强度传感器，该数字型传感器具有采集精度高、实时性好等优点，并且电路设计简单，容易实现。BH1750FVI具有1-65535 lx的高分辨率，支持较大范围的光强变化。它是一种利用两线式串行I2C总线接口的16位高精度数字型传感器，它的工作原理是外部光照被高精度光敏二极管探测后，集成运算放大器将光敏二极管的电流转换为光敏二极管的电压，然后由16位高精度模数转换器转换成数字数据，最后被处理和存储。我们可以通过相应的指令读取出内部存储的光照数据。按照时序要求操作起来非常方便。土壤湿度数据采集选用的是FC～28模块。该模块使用LM393芯片，比较适合对土壤的湿度测量；湿度传感器环根据环境湿度的不同改变电容值的值，最后转换为输出脉冲频率的变化，频率的变化可以通过鉴频器转化为电压的变化。土壤温度的采集采用集成温度传感器DS18B20，采用热敏电阻测量方法，在与stm32连接时仅需要一条线即可实现双向通讯。不需要外围器件，全部传感元件和转换电路都集成在一很小的、如同三极管那么大的器件内，测温范围-55～125℃，足够用来对土壤的温度进行采集，测量数据以数字量形式直接输出。风速传感器选用的是FS01型风速传感器，FS01型风速传感器采用高塑合金铝经严格的氧化、喷塑工艺加工而成，防水、防潮、防腐蚀、强度高、耐候性好。分辨精度可以达到0.2m/s，启动风力为0.8m/s，转换器为多齿转杯和狭缝光耦，当风力吹动风杯旋转时，通过活轴转杯在狭缝光耦中的转动，输出频率信号供后级的处理单元进行信号处理，FS01风速传感器可根据项目的需要选择输出脉冲、电流、电压等多种接口方式，使用方便。

1.4 语音模块

设备采用北京宇音天下科技有限公司生产的SYN6288中文语音合成芯片，SYN6288语音合成芯片采用SSOP28L贴片封装，硬件接口简单，性价比极高；除此之外，SYN6288文本识别更智能，语音合成更自然，声音清亮圆润、语速适中、自然度高、抗噪能力强（在嘈杂的噪音环境下更容易听懂）；内置功放，可以直接驱动8欧0.5W的喇叭，语音合成效果和智能识别效果非常优秀。stm32可以根据接收到的环境数据，通过UART串行通信接口和SYN6288语音合成芯片进行数据通信，SYN6288接收stm32传送的文本信息，以合成语音的方式，驱动发声器发声，进行播放。

1.5 GPRS模块

设备选用GPRS的通信方式，GPRS（通用分组无线业务）是英文General Packet Radio Service的简称，GPRS数据传输的优点是费用低廉、接入范围广、实时性好，GPRS是在GSM原有的基础上优化开发出的一种数据业务，与固定交换技术中的数据分组业务基本相同，因此利用BBS（基站子系统）可以提供全方位的GPRS覆盖。GPRS允许用户在端到端分组转移模式下进行收发数据，提供了一种高效低廉的无线数据业务，本设备使用的GPRS模块采用内置TCP/IP协议的SIM900A芯片，模块通过串口与stm32进行通讯，GPRS模块在设备中主要实现数据的无线传输功能。

2 软件设计

开发软件使用的是德国 Keil公司推出的一款ARM编程软件Keil μVision5，使用C语言作为编程语言。Keil μVision5具有调试、编译、管理等多种功能，它能为开发人员提供方便、快捷、友好的操作界面和开发环境。使得开发人员十分方便的进行开发，是一款前景广阔的开发工具，我们通过 KEIL μVision5平台、串口调试、ST-LINK、仿真器等工具完成设备的设计。程序流程图如图2所示。

首先对stm32进行初始化设置，将STM32的I/O端口与传感器一一对应；GPRS传输的数据地址也在初始化阶段进行设置。可以通过初始化程序对硬件设备进行初始化设置、建立内存空间的映射图。从而将系统的软、硬件环境设定在一个合适的状态，软件流程图给定了设备的运行方案，设备工作时按照软件流程图的顺序进行启动、采样、计算、计时、中断、存储、输出等工作。