基于LoRa傳輸的農業大棚監測系統設計

康妍妍，宋廣軍

（浙江海洋大學 數理與信息學院，舟山316000）

目前，市場中存在的農業監測系統的數據傳輸方式有2 種：一種是有線傳輸，即通過RS232，MXA485 串口協議傳輸，其優點在于穩定性強、安全性高，但存在傳輸距離短、造價高等缺點。另一種是無線傳輸方式，主要有藍牙，WiFi，ZigBee，等。無線傳輸使得現場更加方便靈活， 但存在傳輸距離較短、信號不穩定、功耗大等缺點。在此所設計的農業大棚監測系統， 基于長距離無線電LoRa （long range radio）擴頻技術來實現數據通信，傳輸距離遠，穿透力強，抗干擾能力高，采用的窄帶傳輸，傳輸功率密度大，使傳輸距離大大增加。

農業大棚監測系統可分階段完成農業大棚作業的智能化， 主要用于幫助用戶科學管理農業大棚。在大棚較密閉的空間內，人為控制該空間內的溫度、濕度，使農作物在最優環境內生長，減少澇旱、病蟲等自然災害的影響，采用自動采集監控方式解決傳統人工監測所產生的偏差和疏漏的問題，實現大規模生產，同時改善用戶居住環境，用戶不必居住在大棚附近，可遠程調控大棚環境，以最少的成本獲取最大利益，使人力、物力得到合理分配，有利于農業信息化的可持續發展。

1 系統的總體設計

隨著農業信息化的發展，物聯網成為新一代農業信息技術的重要組成部分。物聯網通過各種信息傳感設備，實時采集任何需要監控、連接、互動的物體或過程等各種需要的信息，基于互聯網形成的一個巨大網絡，使用戶端延伸并擴展到任何物品與物品之間。物與物進行信息交換和通信，實現萬物相連[1]。

搭建大棚內環境監控網絡，以LoRa 技術為基礎，把各個監控器件連接入網絡形成傳輸距離遠、功耗低、穩定性強的監控系統框架。傳感器采集大棚內環境信息，經過子節點微處理器進行處理，然后發送到主節點，主節點對數據進行存儲、處理，用戶可通過手機進行查詢。該系統可在子節點和主節點處，對大棚內控制器件進行手動調控，也可以通過手機控制各組成部件，形成環境數據采集及控制系統。農業大棚溫濕度監控系統設計總體框圖如圖1所示。

圖1 農業大棚溫濕度監控系統設計總體框圖Fig.1 Overall block diagram of agricultural greenhouse monitoring system

2 系統的硬件設計

2.1 無線通信

2.1.1 AS32-TTL-1W 模塊

AS32-TTL-1W 為一款高穩定性，工業級的無線傳輸模塊。該模塊采用SX1278 主芯片，LoRa 擴頻傳輸，可以實現更遠距離通信[2]。AS32-TTL-1W 實物如圖2所示。該模塊具有4 種工作模式，一般模式、喚醒模式、省電模式、休眠模式。通過MD1，MD2 實現在運行時自由切換。模塊通過定點傳輸實現組網、中繼等多種功能。

圖2 AS32-TTL-1W 實物Fig.2 AS32-TTL-1W physical object

1）一般模式 該模式需要先發送32 B 數據包啟動無線發射，然后等待3 B 時間，如果無數據繼續輸入則認為數據終止，模塊會啟動無線發射將所有數據包發出[3]。數據是否發出可由AUX 端口的高低電平檢測。通過一般模式發出的數據包，只能由處于一般模式和喚醒模式的接收模塊接收。模塊的無線接收功能會一直打開，可以接收來自一般模式和喚醒模式發出的數據包。

2）模塊喚醒模式 該模式啟動數據包發射的條件與AUX 功能均等同于一般模式， 不同之處在于：模塊會根據用戶參數設定的喚醒時間，在每個數據包前自動添加不同長度的喚醒碼。喚醒碼是用于喚醒工作在省電模式的接收模塊。所以，喚醒模式發射的數據可以被一般模式、喚醒模式、省電模式收到。

3）省電模式 模塊處于休眠狀態，串口被關閉，無法接收來自外部MCU 的串口數據， 所以該模式不具備無線發射功能。在省電模式下，要求發射方必須工作在喚醒模式。無線模塊定時監聽喚醒碼，一旦收到有效的喚醒碼， 模塊將持續處于接收狀態，并等待整個有效數據包接收完畢。然后，模塊將AUX 輸出低電平，并延遲2 ms 后，打開串口將收到的無線數據通過TXD 發出， 然后將AUX 輸出高電平。無線模塊繼續進入“休眠-監聽”的工作狀態[4]。

4）休眠模式 該模式無法發送接收無線數據。

主機在發送數據頭需要加上從機的目標地址實現定點傳輸， 從機發送透明數據僅主機可以接收。為降低功耗，從機發送數據時加上喚醒碼和主機處接受模塊地址信道，喚醒主機處的接受模塊接受數據。

2.1.2 SIM900A 模塊

無線數據傳輸電路SIM900A 模塊5 V 供電，可直接與3.3 V 或5 V 單片機相連。硬件連接完成后可通過串口發送AT 指令，支持短信、彩信、上網等，具有遠程復位和DTMF 功能，可實現現場無人遠程復位與遙控。另外，模塊有待機、休眠2 種狀態，可低功耗傳輸數據， 待機時電流約80 mA， 休眠時約10 mA。

該系統設計中主機不會主動向用戶端發送信息，但可以接受、處理從機傳輸過來的數據。只有用戶端向主機發送相應指令時，主機才會把對應信息發送給用戶端。用戶端發送指令模式為8 位數據碼，主機向用戶端發送數據也是8 位，具體見表1。

表1 數據格式Tab.1 Data format

表中，機位為待查詢的從機編碼；功能碼的低位規定必須為0，功能碼功能見表2。

表2 對應功能碼功能Tab.2 Functions of corresponding function codes

例如，用戶端向主機發送“01 20 00 00”，表示用戶要求查看從機1 的溫度、濕度。主機會對從機發過來的數據進行處理，然后向用戶端發送當前從機1 的溫度和濕度為“01 00 20 30”，而用戶看到的為溫度值20 和濕度值30。

2.2 電源模塊

對傳感器、控制器持續供電是保證各節點正常工作的關鍵。在大棚內采用埋線法對各器件供電，不僅降低靈活度，還存在安全隱患，電路維修也存在困難。

該設計采用由太陽能電池板、 充電鋰電池、充電管理電路、 穩壓電路等組成的供電系統， 如圖3所示。太陽能板通過充電電路向鋰電池充電，鋰電池通過穩壓電路向耗電設施提供電量。使設備自給自足解決電源問題。系統各節點可靈活放置，節省人力物力。

圖3 供電系統Fig.3 Power supply system

3 系統的軟件設計

農業大棚監測系統的子節點主要用于采集、控制大棚內的溫濕度等信息。子節點處微處理器對信息進行處理后將數據發送至主節點。同時，子節點處微處理器也會根據主節點傳回的信息，控制相關設備改變大棚內的溫、濕度等環境參數。如果用戶在大棚內，也可以通過子節點處的按鍵控制相關設備來改變大棚內溫、濕度等環境參數。

該系統的程序流程如圖4所示。子節點處微處理器先對程序進行初始化處理，判斷是否有中斷請求， 如果有則程序會在正在執行的地方形成斷點，去執行中斷，開啟與主機的通信。如果主機發出了傳輸數據的請求， 從機會把采集到的大棚內的溫、濕度等數據發送到主機；如果從機收到由用戶端發送到主機再由主機發送給從機的加熱指令，從機會控制加熱器打開，使其加熱至指定溫度，達到指定溫度后加熱器關閉； 如果從機收到增加濕度的指令，從機會控制水泵打開并開始滴灌，當達到指定濕度時水泵關閉停止滴灌。當中斷處理完成時，程序會再次回到斷點處執行當初未完成的程序。

如果沒有中斷請求，從機會對大棚內溫、濕度等進行采集處理。

主節點可以與從機進行通信，可以與用戶端進行通信。它是從機與用戶端的中轉站，實現信息的遠距離傳輸，從機采集信息發送給主機，再由主機發送到用戶端；用戶要查詢大棚內的情況，先向主機發送指令，再有主機將指令發送給從機進行控制。

圖4 系統程序流程Fig.4 System program flow chart

用戶端發送的指令主要有：查看指令——了解哪些從機在工作；查詢溫濕度指令——當發送該指令時從機會將大棚內溫、 濕度等數據發送過來；更改指令——執行該指令發出時從機會根據指令內容進行控制，使大棚內的加熱器或水泵工作。

由圖4b 可見， 主節點微處理器判斷用戶端是否向其發送查看指令，如果發送指令則先查看哪些從機處于工作狀態，然后判斷是否需要發送溫濕度數據，根據發送過來的數據再判斷是否需要更改大棚內的溫度和濕度。

4 結語

科學技術在農業中的應用越來越廣泛，由此實現的低功耗、低污染綠色農業具有利國利民的重大意義。文中描述了基于LoRa 傳輸的農業大棚監測系統設計。該系統通過多傳感器檢測大棚內空氣和溫濕度等， 并將檢測數據進行處理通過LoRa 技術發送到主機，主機通過SIM900A 以短信方式最終發送到用戶端（如手機）；手機與主機雙向通信，手機發送指令改變環境參數，也可以發送指令在第一時間了解大棚內部的實際狀況。通過對信息的及時處理，最終使大棚內作物產量增加，解放人工勞動力，實現農業自動化監控。