基于LoRa的物聯網溫室監控系統的設計與實現

摘 要：近年來，隨著物聯網各產業相關技術的快速發展，工作生活上越來越多的事物走向信息化，大大減輕了人們的生活負擔，節省了大量勞動力，也使得經濟迅速發展。本項目考慮到溫室作物生長環境對作物產量的影響直接關系到作物的收益，而人們在生產過程中僅僅依靠感官和簡單的設備對作物生長狀況進行判斷，難以把控產品質量，特利用物聯網相關技術幫助生產者實現溫室生產的精準化管理。利用LoRa相關技術配合傳感器實現植物周邊環境信息的實時采集和分析，保證植物生長環境的最優化，以產出品質優良的產品，幫助人們實現較高的收益。

關鍵詞：溫室監控系統；LoRa；傳感器

中圖分類號：TP391.44；TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）09-0187-03

Abstract：In recent years，with the rapid development of related technologies in various industries of the internet of things，more and more things are becoming information-based in work and life which has greatly reduced people’s burdens，saved a lot of labor，and has enabled rapid economic development. This project takes into account the impact of greenhouse crop growth environment on yield，which is directly related to crop yields. In the process of production， people only rely on sensory and simple equipment to judge the growth of crops，and it is difficult to control the quality of the products. The technology of Internet of things is used to help producers to realize the precision management of greenhouse production. The real-time collection and analysis of plant surrounding environment information are realized with LoRa related technology to ensure the optimization of plant growth environment to produce high quality products and help people achieve higher income.

Keywords：Greenhouse monitoring system；LoRa；sensors

0 引 言

LoRa是由Semtech公司在2013年發布的基于擴頻技術的遠距離通信調制技術，屬于窄帶低功耗廣域網（LPWAN），經過幾年的發展，伴隨物聯網產業規模的不斷擴大，該技術在物聯網產業中得到了很大范圍的應用，相關產品的性能也越來越成熟穩定[1，2]。它發展至今已經擁有了一套非常完整的生態鏈，從芯片到服務器，大大小小的環節都有很多企業參與，能夠給用戶提供全方面的服務保障。其優點有通信距離長、功率損耗低、接收靈敏度高等，且用戶可以自主搭建服務器而不使用運營商網絡，這使用戶對其更加青睞。目前LoRa通信使用的頻率在無需登記的頻段，例如433MHz、915MHz等，這樣可以有效的節約成本，低于需要一直繳納通信費用的運營商網絡。

其通信方式類似星型拓撲結構分布，整個系統大概由LoRa模塊、LoRaWAN網關、LoRaWAN服務器、用戶服務器組成。LoRaWAN是基于物理層（LoRa模塊）在上層數據鏈路層規定的一組協議，主要由程序控制來實現，其實現了通信之間的多信道通信、信道管理和切換、自適應傳輸速率、定時收發，節點接入校驗與數據加密等功能，LoRaWAN還可以消除硬件之間的不兼容，比如同一系統中出現多種LoRa設備，這時LoRaWAN就起到關鍵作用。

LoRa的前景非常可觀，因為相比與其他物聯網通信技術而言，其發展時間長、技術相對成熟，同時在各個環節能夠產生大量利潤，從而吸引了許多公司加盟。中國LoRa應用聯盟（China Lora Application Alliance，簡稱CLAA）在LoRa Alliance支持下，由中興通訊發起，吸引各行業物聯網合作伙伴加入并制定相關發展和建設規劃。伴隨著全球物聯網發展的大趨勢，再加上政策引導，我們周圍將出現越來越多的事物加入物聯網行列，即便經過一段時間，也并不會出現衰弱趨勢。

1 系統整體設計

1.1 要求

植物生長期間，周邊環境因素對植物的產量和品質有很大的影響。對于溫室植物種植中高利益收入的植物來說，物理環境不利，將對植物產量和品質產生消極影響，從而導致農民的有效收益大大減少。因此需要一套監測設備來監測植物生長的必要因素（二氧化碳、光照、溫度、土壤濕度、空氣濕度等），并將數據發送至上位機進行分析，根據分析的結果對風扇通風、補光設備、補熱設備以及滴灌設備進行控制，實現作物生長環境的精準測量，并根據理論精準控制，以此達到創造最優化生長環境，且人們不用耗費過多精力，節省了大量勞動力，并可以實現規模化生產。

1.2 系統設計說明

如圖1所示，MCU端布置在溫室內，用以控制各種執行設備和傳感器，傳感器將環境對敏感元件產生的變化生成相應的數據發送給MCU，MCU將數據傳送給基于LoRa技術的通信模塊并發送到網關，網關將數據上傳到上位機顯示、記錄、分析，上位機根據分析結果將執行指令發給MCU用以控制設備，以此構成一個物聯網溫室監控系統。

2 硬件電路設計

2.1 MCU系統電路

MCU采用的是STC89C52芯片，使用5V供電，內置8K字節ROM，512字節RAM，需要使用外部時鐘電路，一個機器周期大約為1.08ms，主要利用的片內外設有UART、32個雙向或準雙向I/O口和定時計數器。

2.2 AS32-TTL-100LoRa通信模塊

AS32-TTL-100模塊的功率為100mW（20dBm），接收靈敏度為-130dBm，天線增益為5dBi，頻率為410-441MHz，共提供32個信道，可配置地址65536個，傳輸距離理想狀態下為3000m，采用TTL串口輸入輸出，波特率為1200-115200bps，有四種通信模式，即通用模式、喚醒模式、省電模式和睡眠模式。

它采用的SX1278擴頻調制主控芯片，結合高效的循環交錯糾錯編碼算法，能夠應對突發干擾情況，并內置用于保存LoRaWAN協議的芯片，通過上位機參數配置軟件，將參數燒入模塊中，調整通信信道和地址。其內置的LDO電路使當模塊大于5V供電時，也可穩定輸出3.3V電壓，這樣就出現了無法與5V MCU通信的問題。因此應在RXD/TXD引腳接入10K上拉電阻，將電壓拉至5V，以使模塊與MCU之間能夠正常通信。其M0/M1引腳用于控制工作模式，AUX引腳非通信下處于低電平，每次發送和接收會被拉至高電平，以此進行通信校驗。

網關連接上位機需要進行USB轉換后連接上位機，采用CP2102芯片，將通過USB端口發送或接收的數據轉換為UART串行端口進行發送或接收，且需要搭配上位機的驅動程序一起完成工作。

2.3 相關傳感器

2.3.1 MG811二氧化碳傳感器

MG811二氧化碳模擬傳感器采用原電池原理，化學反應如下：

該傳感器的敏感元件需要進行加熱才能發生化學反應，當加熱到較高溫度時，兩電極產生的化學反應構成一個原電池，兩端會輸出電流信號，通過電阻后產生電壓，根據傳感器特性曲線顯示濃度越低輸出電壓越高，隨后通過阻抗變換運算放大器CA3140將信號放大，然后進行電壓信號的讀取，再轉換成有直接意義的二氧化碳濃度值[3]。該傳感器對二氧化碳的讀取范圍是350-10000 ppm，并不適用于高濃度二氧化碳的測定，而溫室當中的二氧化碳濃度屬于常見濃度，所以比較合適。

將MG811引腳輸出的模擬電壓值送至ADC0809，MCU控制ADC0809轉換并通過端口P1讀取轉換后的值。下面使用相同過程的TEMT6000和FC-28不再一一介紹。

2.3.2 TEMT6000光照強度傳感器

TEMT000光強模擬傳感器由一個光敏三極管構成，采用的是5V供電，光強照射傳感器的敏感元件時，將會在三極管基極產生一個與光強相對應的電流，這時三極管的導通度不同，其集電極輸出的電壓也將根據光照強度發生變化，可讀取的光強范圍為1-1000 Lux，輸出電壓為0V-5V，呈線性比例變化，可直接根據讀取到的電壓值轉換成光強數據輸出。TEMT6000對光照強度的反應范圍也是人們經常可以遇到的，比較適合農業生產上的應用和常規測量。

2.3.3 FC-28土壤濕度傳感器

FC-28土壤濕度模擬傳感器根據土壤的濕度變化時電阻也將發生變化，這樣傳感器探頭與假想電阻構成回路，假想電阻的變化與電流成反比、與電壓成正比，由此輸出范圍為0V-5V，呈比例變化。因沒有具體數值可以衡量土壤濕度，可以采用相對濕度的表示方法，使用百分比表示濕度大小。

2.3.4 DHT11溫濕度傳感器

DHT11數字溫濕度傳感器是一款數字輸出型溫濕度傳感器，它內部集成了兩個敏感元件用以感受溫濕度的變化，并添加了單總線設備進行通訊[4]。單總線是Dallas公司推出的串行總線技術，這種通信方式使系統的總線接口減少，適合一些需要減少接線的場合。單總線的工作時序也與其他總線有天壤之別，單總線空閑時一直由主機拉高總線，等到需要喚醒時，主機拉低總線20ms，從機內部的芯片讀取到總線拉低，等待主機拉高總線后，從機開始控制總線進行通信，從機先發出80μs給主機表示從機存在響應，主機和從機進入等待接收或發送數據模式。

因為本傳感器只使用到了從機發送數據，所以不再對主機寫時序進行闡述。從機高電平持續時間的長短決定該數據位是1還是0，當高電平持續時間為28μs時表示0，當高電平持續時間為70μs時表示1，根據此時序，使主機在30μs和70μs之間進行檢測，以此判斷該位為1還是0，每傳送一位數據都會有50μs的低電平間隙，當最后一位數據傳送完后，從機產生間隙后，控制權返回給主機，主機將總線拉高進入空閑模式。該傳感器需在上電1s后才可進入工作狀態，需要在數據線上接入4.7K上拉電阻，以保證通信的穩定性，隨后主機發送開始信號，從機響應完后即開始傳送40位溫濕度數據。

3 軟件程序語言編寫

3.1 測量端

MCU程序用C語言編寫，使用KEIL軟件編譯并生成HEX文件，并通過串口燒寫軟件將HEX文件燒入ROM中[5]。MCU上電后，先對寄存器進行配置。

當特殊功能寄存器PCON的SMOD位取0，TMOD值為0x22，SCON值為0x50，TH1和TL1同為0xfd時，定時器溢出率為307200，串行端口波特率為9600bps，隨后持續等待上位機指令，接收到指令后開始運行程序以完成相應的功能。

ADC0809采用逐次逼近原理，ABC引腳為三位地址，用以控制一個模擬量輸入引腳有效，ALE用以將地址存入寄存器，ST為啟動AD轉換，EOC為檢測轉換是否結束，OE控制輸出。

ADC0809需要一個時鐘信號輸入以進行AD轉換，本程序利用定時/計數器T0產生中斷，由中斷函數通過P2^1向外產生時鐘信號。

3.2 上位機

上位機使用Visual Basic進行用戶界面設計，Visual Basic是基于Windows系統的程序設計語言，程序首先對串口參數進行配置，以保證可以和MCU正常通信，然后根據按鈕提示，發出指令控制MCU。

當MCU將數據發送至上位機后，會將當前數據記錄到上位機文本中，并且可以根據選擇的農作物不同提供不同的作物生長數據庫，用以匹配出最佳的控制方案。

4 結 論

整個系統成本低、簡單、易于維護，可以實時對農場進行監控。系統共提供了5項信息的檢測和4項執行器的控制，可以完成作物生長環境上基礎的管理，并保留了可擴展性，可以在此之上完成更高科技含量、更現代化的產品。

參考文獻：

[1] 王陽，溫向明，路兆銘，等.新興物聯網技術——LoRa [J].信息通信技術，2017，11（1）：55-59+72.

[2] 鄭華開.LoRa技術給未來物聯網產品帶來新的起點 [J].電子世界，2016，24（15）：146.

[3] 陳玉偉，張叢.壓電傳感器放大電路設計 [J].環境技術，2017，35（3）：68-70.

[4] 王慶春，何曉燕.基于FPGA的溫濕度測量系統設計 [J].電子測量技術，2016，39（12）：113-117.

[5] 王然升，陳兆梅，廉亞囡.軟件在單片機開發中的應用 [J].消費電子，2014，12（14）：201.

作者簡介：張攀（1996.11-），男，河北邯鄲人，本科。研究方向：自動控制；楊揚（1986.05-），女，山東東營人，碩士。研究方向：自動控制。