基于LoRa技術的設施農業溫室大棚智能控制系統的設計與實現

朱明 曹越

摘 要 隨著農業現代化程度的不斷提高，設施農業已成為當前經濟作物種植的主要手段。設施農業溫室大棚中種植的作物雖然經濟價值高，但面臨著生產環境要求嚴格、農村勞動力日益下降以及設施農業溫室大棚智能化程度不高等困難。因此，通過智能控制系統來解決當前設施農業溫室大棚生產中面臨的問題逐漸受到重視。基于此，通過LoRa無線傳感網絡闡述設施農業溫室大棚智能控制系統的設計與實現。

關鍵詞 LoRa技術;設施農業;溫室大棚;智能控制系統

中圖分類號：TP312 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.27.088

1 設施農業溫室大棚智能控制系統設計的關鍵技術

1.1 LoRa技術簡介

LoRa全稱為Long Range Radio，即遠距離無線電。LoRa聯盟于2015年3月宣布成立，是一個開放的、非盈利性組織，其目的在于將LoRa推向全球，實現LoRa技術的商用。該聯盟由Semtech牽頭，發起成員還有法國Actility，中國AUGTEK和荷蘭皇家電信KPN等企業。目前，聯盟成員數量達330多家，其中不乏IBM、思科、法國Orange等重量級廠商[1]。

作為LPWAN（Low-Power Wide-Area Network，低功耗廣域網）的典型代表技術之一，LoRa憑借其網絡連接的高度可靠性、2 km以上（與環境有關）的連接距離以及獨特的信號傳輸時間測距機制等優勢，近年來在多個應用領域獲得了蓬勃發展，其特點尤其適合農業物聯網的應用場景。

在信號方面，LoRa使用線性調頻擴頻調制技術，獲得了類似于FSK（Frequency-Shift Keying，頻移鍵控）調制相同的低功耗特性，而又明顯提高了通信距離并消除了干擾，同時LoRa網絡協調器又擁有并行多信道數據處理能力。

1.2 JavaScript簡介

JavaScript（Java腳本語言）是一種用來開發Internet上客戶與服務器程序的基于對象的弱類型腳本編程語言，是主要用來制作網頁前臺的技術，在層次上介于HTML與Java語言之間[1]。由于其大部分語法規范取自于Java語法規范，所以取名為JavaScript，是由Netscape公司的Brendan Eich在瀏覽器上首次設計實現而成。作為一種解釋性腳本語言，JavaScript不需要編譯，只需嵌入到HTML代碼中逐行加載解釋執行[2]。

2 智能控制系統軟硬件設計

2.1 智能控制系統組網設計

設施農業大棚的智能管理需要對大棚內的空氣溫度、溫度等參數進行監測與控制。智能控制系統在設計時主要采用3種類型的節點，分別為數據采集節點、控制節點和網關節點。采集節點、控制節點與網關之間通過LoRa組網，網關通過4G或WiFi接入Internet。系統組網示意圖如圖1所示。

2.2 智能控制系統軟件功能設計

管理平臺以Web方式供不同用戶訪問。提供前后臺兩種模式：前臺類似信息網站，向所有用戶推廣智能化農業的特點，以及公司產品的技術優勢、應用場景、合作案例等;后臺供登錄用戶使用，以便動態地配置運行參數，監控硬件的運行狀態、各種數據報表、與其他第三方平臺的集成等。Web后臺可進行權限劃分，不同角色用戶可以看到不同的操作欄目。每個用戶只能看到本企業相關的產品數據，可以保護用戶數據隱私。各功能模塊如圖2所示。

2.3 通信協議設計

節點與傳感器之間使用modbus協議，modbus基本命令格式為：[設備地址][功能碼][起始地址：2字節][數據長度：2字節][CRC16校驗]，其意義分別如下。1）設備地址：設備地址范圍為1～35;2）功能碼：不同的應用需求功能碼不同;3）起始地址：查詢或操作寄存器起始地址;4）數據長度：讀取的長度;5）CRC校驗：CRC16校驗。

節點與網關之間使用私有的通信協議，協議設計中基本命令格式為包頭+數據域+校驗。簡要功能碼如表1所示。

3 系統軟件詳細設計

3.1 節點程序設計

3.1.1 傳感器節點程序設計

傳感器節點采用STM8芯片，通過LoRa模塊接入網關，主要功能有定時采集傳感器數據、主動上傳至網關。具體設計如圖3所示。

3.1.2 控制節點程序設計

控制節點采用STM8芯片，通過LoRa模塊接入網關，主要功能有接收服務器的控制指令、控制電磁閥和電動閥等執行機構、定時檢測執行機構的開關狀態并上傳至網關。具體設計如圖4所示。

3.1.3 網關節點程序設計

網關節點采用STM8芯片，通過LoRa模塊與節點組網，并通過4G或WiFi接入工控機。主要功能有數據轉發、將節點主動上傳的數據發送至上位機、將上位機下發的指令發送至節點。具體設計如圖5所示。

3.2 關鍵模塊詳細設計

3.2.1 數據管理模塊

數據管理模塊主要負責展示傳感器的事實數據、歷史數據、設備操作日志、生成數據曲線圖等功能。具體實現代碼如圖6所示（以傳感器數據列表為例）。

3.2.2 控制規則設定模塊

為了實現設施農業溫室大棚的智能化管理，系統提供3種控制方式，分別是手動控制、時間控制、閥值控制。其中閥值控制規則為復雜控制規則，允許用戶自定義設備與傳感器進行多對多綁定，從而實現自動灌溉、自動加濕、自動抽風等效果。具體實現代碼如7所示（以時間控制代碼為例）。

4 系統運行效果

基于LoRa的設施農業溫室大棚智能化控制系統實現后的運行效果如圖8所示。

5 結論

本文設計了一種基于LoRa技術的設施農業溫室大棚智能化控制系統，通過傳感器實時反饋溫室大棚內生產環境數據并按用戶需求進行多種生產設備的智能化控制，可以在農業溫室大棚推廣應用，以取得較好的社會效益與經濟效益。

參考文獻：

[1] 張惠芬.JavaScript的理論分析及其應用[J].衡水學院學報，2006，8（1）：45-46.

[2] 余起怡.基于JavaScript的三維智慧校園電子地圖系統開發[J].黑龍江工程學院學報，2018，32（4）：32-35.

（責任編輯：趙中正）