基于LoRa物联网云平台的茶园监控系统设计

在茶树种植中，科学高效的种植技术可以提高茶叶的质量与产量，提高茶农的经济收入。随着传感器技术和物联网技术在农业领域的广泛应用，研究人员开始通过信息化手段监测茶园环境信息。

试验设计了基于低功耗广域物联网云平台的茶园监控系统，对茶园进行远程、实时监控。针对茶园位置偏远引入了太阳能发电，设计太阳能发电系统就地解决供电问题；为了实现复杂的茶园环境中稳定可靠的数据传输，使用抗干扰能力、穿透力强的LoRa通信模块搭建局域网，使用4G Cat1模块传输数据包到云服务器；利用物联网技术对灌溉装置进行远程控制，以期避免传统粗放型灌溉方式效果不佳和水资源的浪费，提高水资源的利用率。

茶园监控系统包括物理控制层、网络服务层和终端应用层。物理控制层包括环境参数采集子节点、主节点和光伏发电系统。子节点通过传感器将茶园内空气温湿度、土壤温湿度、光伏组件温度等参数采集到主节点。为了更直观地掌握茶树的长势，引入视频模块对茶园进行监测。子节点与主节点之间通过LoRa通信芯片进行数据传输，主节点汇总各个子节点数据后利用4G Cat1通信模块上传到4G Cat1基站，然后将数据发送到云平台。光伏发电系统利用茶园丰富的太阳能发电，通过电压转换模块输出不同电压为传感器、单片机、数据传输模块及灌溉装置供电。

网络服务层中4G Cat1基站直接与云平台服务器进行数据交换，云服务器对数据进行存储、处理和转发，并提供终端用户的请求服务。

终端应用层提供可视化界面实现对现场实时数据和历史数据的显示以及对现场执行机构的控制，达到科学、高效管理茶园的目的。

物理控制层的作用是采集茶园环境的空气温湿度、土壤温湿度等参数和光伏板温度等参数上传到云服务器，并根据云服务器下发的控制信号对执行机构做出相应的操作。

针对茶园位置偏远，电力设施建设薄弱的问题，设计了水冷循环太阳能发电系统，提高发电效率，就地消纳太阳能解决茶园供电问题。为保证光伏系统供电的稳定性以及减少水冷循环光伏发电系统的开发成本，采用有线集中式供电，位于茶园中心位置的光伏发电系统分别为各个节点模块及灌溉装置供电。

试验采用STM32F103CBT6芯片，128kB的Flash和20kB的RAM，良好的处理性能与丰富的外设资源能使系统需求得到满足。

物理控制层是监控系统的底层，传感器是物理控制层的核心部件，系统的运行状态取决于传感器采集到的环境数据。传感器的选择需要考虑量程、精度以及茶园中温湿度的影响。

由于茶树喜温、喜湿和耐荫的生长特点，茶园通常以等高梯层、密植绿化的标准来建设，茶园环境复杂。所以在茶园中使用LoRa+4G Cat1的混合方式通信。LoRa具有传输距离远、发射功耗低、抗干扰性强的优势；4G Cat1具有强链接、高覆盖、兼容性好和发展前景好等优势。

物理控制层的工作流程为采集终端初始化完成后，STM32单片机进入睡眠模式等待定时器中断唤醒。当定时器下发指令后，STM32单片机退出睡眠模式，对茶园环境数据进行采集，并将采集到的信息发送给通信模块，接着进入睡眠模式。若接收到调控指令，STM32单片机立即退出睡眠模式，控制器发出控制指令开启灌溉阀门，执行完毕后进入睡眠模式。  

本试验云平台选择支持4G Cat1的透传云管理系统，主要包括监控中心、数据管理、设备管理、组态管理、摄像头管理以及手机端等模块。

为实现茶园监控系统的移动端监控，开发了云平台的微信小程序，该小程序实现了与PC端数据的全对接，可以查询各数据节点的数据变化并接收报警信息与视频监控。

光伏供电系统测试、通信测试均可以满足要求。监控系统测试文主要监控参数为空气温湿度和土壤温湿度，在测试过程中，系统运行稳定可靠，满足现代化农业的管理需求。

针对茶园种植现代化程度不高，设计了基于低功耗广域物联网云平台的茶园监控系统，该系统通过传感器采集茶园环境参数并使用LoRa和4G Cat1通信模块传输数据到云平台和数据库，为后期分析提供数据基础。同时对移动端开发微信小程序，实现与PC端的数据对接。该系统还设置了调控装置，实现茶园环境参数的远程监控，使得茶树生长处于最优状态，推动了茶园种植向智能化和信息化发展。