基于LoRa的溫室環境智能監控系統的設計

鄭貴林 汪體成

摘要：為了實現對溫室農業環境參數信息的遠程獲取，同時針對ZigBee、Wi-Fi等無線技術存在通信距離短、抗干擾能力弱、網絡拓撲復雜等缺點，提出一種基于無線低功耗局域網（LoRa）的無線溫室環境智能監控系統。系統由傳感器子節點和匯聚節點組成。傳感器節點由2節18650鋰電池供電，選用互聯型芯片微處理機控制單元（MCU） STM32F107作為主控芯片，選用SX1278作為LoRa射頻模塊，通過星型網絡連接匯聚節點。匯聚節點下行通過LoRa射頻模塊連接傳感器節點，上行通過4G（指第4代移動通信技術）網絡連接服務器，同時設計有SD卡（secure digital memory card，簡稱安全數碼卡）存儲備份數據。試驗驗證表明，該系統具有安裝便捷、通信距離遠、抗干擾能力強、維護簡單等特點，具有很好的應用前景。

關鍵詞：農業監測;溫室;LoRa技術;傳感器;智能監控系統

中圖分類號： S126;TP274+.2? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）10-0216-03

溫室又稱暖房，通過維持室內的光照、溫度、濕度、二氧化碳含量等，可以為培養的植物創造一個良好的生長環境，以達到反季節種植、增加產量等效果。近年來，我國設施園藝得到了快速發展，截至2012年，我國玻璃溫室面積接近 9 000 hm2，占世界總面積的22.5%[1]。隨著科學技術的發展，傳感器技術、自動控制技術、網絡通信技術被逐步應用于農業畜牧業中，促進了溫室智能化管理技術的發展[2-3]。實現對溫室內環境參數的實時精準測控，可以為作物提供最佳的生長環境，還能提高生產效率，降低管理成本。

韓慧設計了基于RS485總線的溫室環境監測系統[4]，李世紅等設計了基于控制器局域網絡（CAN）總線和GPRS（通用分組無線服務技術）的溫室大棚監控系統[5];付煥森等設計了基于PLC（可編程邏輯控制器）和組態技術的現代農業溫室控制系統[6]。上述系統均需要使用通信線連接傳感器，存在成本高、安裝維護復雜等缺點。陳高鋒等設計了基于STM32和ZigBee的小型溫室環境控制系統[7]，ZigBee網絡拓撲復雜，由于ZigBee技術的通信頻率高，信號衰減快，以及同一頻段Wi-Fi、藍牙信號的干擾，導致ZigBee傳輸距離短，抗干擾能力弱[8]。馬增煒等設計了基于Wi-Fi的智能溫室監控系統[9]，Wi-Fi通信技術適合用于傳輸圖片、視頻等大流量數據，存在傳輸距離有限、功耗高等缺點。針對RS485、CAN、PLC等總線技術以及ZigBee、Wi-Fi等無線技術在溫室環境監控系統應用中存在的各種缺點，本研究設計了基于無線低功耗局域網（LoRa）無線技術的溫室環境智能監控系統，該系統由傳感器節點和匯聚節點組成，傳感器節點采集溫室內光照、溫度、濕度、二氧化碳含量等信息，通過LoRa網絡上傳數據到匯聚節點，匯聚節點通過4G網絡上傳數據到服務器。系統兼顧了傳輸距離和節點功耗，安裝便捷，維護方便，具有很好的應用前景。

1 LoRa介紹

近年來，隨著物聯網技術的興起，為了滿足越來越多遠距離物聯網設備的接入需求，出現了一種低功耗廣域物聯網（low power wide area network，簡稱LPWAN）接入技術。該技術采用星型網絡覆蓋方式，具有傳輸距離遠、運行功耗低、運維成本低等特點，適合只有少量數據需要傳輸的應用場景。LoRa是LPWAN通信技術中的1種，它采用線性調頻擴頻技術，既降低了通信功耗，又增加了通信距離，改變了以往關于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式。特有的擴頻技術也使得其通信容量很大，即使不同擴頻序列終端使用相同的頻率也不會相互干擾，可并行接收處理多個節點的數據。它采用前向接錯技術，在待傳輸數據序列中增加了冗余信息，在接收端計時糾正數據傳輸過程中注入錯誤碼元，采用信道沖突檢測機制，解決了節點數據并發丟包問題，極大地提高了網絡的魯棒性[10]。

2 系統架構

為了對溫室內環境數據進行遠程監控和管理，搭建了如圖1所示的溫室環境智能監控系統。系統包括傳感器子節點、匯聚節點、云端服務器、可視化軟件4個部分。傳感器子節點可通過RS485方式采集各個傳感器的信息，利用子節點與匯聚節點的LoRa芯片，實現節點與匯聚節點之間的組網。LoRa通信網絡采用星形的網絡拓撲結構，匯聚節點作為網絡協調器，承擔建立網絡的職責，各個傳感器子節點可以自主加入網絡，并將傳感器檢測到的溫度、濕度、CO2濃度、光照等信息通過LoRa網絡傳送至匯聚節點。

本系統使用的LoRa芯片為Semtech公司的SX1278模塊，匯聚節點設備通過SPI（串行外設接口）接入SX1278模塊，并設置模塊的相關參數，傳感器子節點也用SPI接口接入SX1278模塊并設置成相同參數，傳感器子節點和匯聚節點便可自動組成通信網絡。

匯聚節點通過對收到的數據進行解析、校驗，根據信息中的地址信息判斷是哪一個傳感器子節點的消息，并將收到的數據進行保存，同時通過匯聚節點的4G模塊將數據發送至云端服務器。云端服務器可對數據進行分析、保存、歸類等，用戶可通過計算機或手機打開可視化軟件就可查看檢測到的信息。

3 系統的硬件設計

本研究設計的溫室環境智能監測系統的硬件設計主要包括匯聚節點設計、傳感器節點設計2個部分。其中匯聚節點用太陽能充電的蓄電池供電，傳感器子節點由2節可充電的18650鋰電池供電。

3.1 匯聚節點的設計

匯聚節點的硬件框架如圖2所示。匯聚節點是監測系統中通信的關鍵，需要完成數據的接收、解析、校驗、存儲、發送5個環節。考慮到系統對通信的實時性要求較高，故采用以Cortex-M3為內核的STM32F107VC為控制器作為匯聚節點的主控芯片。STM32外接25 MHz晶振，經內部振蕩電路，時鐘頻率最高可達72 MHz，集成64 kB SRAM（靜態隨機存取存儲器）、256 kB ROM（只讀存儲器），具有3路串行SPI接口、3路USART（通用同步/異步串行接收/發送器）接口，支持USB接口功能。SX1278 LoRa模塊和SD卡（secure digital memory card，簡稱安全數碼）通過SPI方式與控制芯片連接，4G模塊通過USB接口與控制芯片連接。電源管控模塊將所連接的太陽能電池發出的電力穩壓、存儲入配套的鋰電池中，系統的全部工作電源包括數據采集、傳感器、控制命令等單元均由該蓄電池提供。

3.2 LoRa通信接口設計

LoRa芯片選用SX1278模塊，SX1278是一款高性能、低功耗、遠距離的微功率無線模塊，是標準的4線SPI接口。系統主控芯片STM32F107自帶SPI接口，可與之直接連接，通過SPI方式對SX1278進行參數配置、數據發送和接收即可實現LoRa的通信功能。SX1278模塊與微處理機控制單元（MCU）需要共地連接，否則模塊將無法正常工作。模塊的RESET管腳用來復位模塊，低電平有效，高電平運行，只有在程序初始化時需要對模塊進行復位操作，之后需要保持復位管腳高電平，因此將復位管腳設計成上拉方式，可以保證模塊正常運行。SD卡與MCU（微控制單元）的連接方式與LoRa模塊的連接方式相同，LoRa的SPI接口設計如圖3所示。

3.3 4G接口設計

匯聚節點選用USR-G402TF作為與服務器的通信模塊。USR-G402TF支持移動/聯通2G、3G、4G和電信4G網絡高速接入，具有50 Mbps上行、150 Mbps下行的最大通信速率。通信端口為USB 2.0高速接口。STM32F107主控芯片是STM32互聯型產品OTG_FS控制器，可作為USB主機和從機雙重模式，支持USB高速模式。將USR-G402TF模塊的USB接口與MCU的USB接口連接，即可實現MCU與4G模塊之間的通信。

3.4 傳感器子節點的設計

傳感器子節點的硬件框架如圖4所示。傳感器子節點是系統檢測的基礎，需要對溫室內溫度、濕度、氣壓、CO2濃度、光照度等信息進行收集。傳感器與傳感器子模塊通過RS485方式進行通信，可隨時增加傳感器節點數。RS-485總線采用差分信號傳輸，抑制共模干擾的能力較強，控制芯片的串行通信接口直接與隔離性RS485收發器ADM2483相連，完成RS485電平與TTL（晶體管-晶體管邏輯集成電路）電平之間的轉換。ADM2483內部集成磁隔離技術，無需添加額外的隔離電路，且不需要外接限流電路，相比于傳統的RS485收發器+光耦隔離器的設計方式，極大地簡化了電路。傳感器子模塊使用電池供電，要求功耗低，所以選用低功耗處理器STM8S103為控制器作為主控芯片。STM8S103帶1路SPI接口，與匯聚節點一樣可以與SX1278 LoRa模塊直接連接。為了防止電池出現電量耗盡的情況，系統還添加了電池監控電路，定期測量電池的電量，低電量時便提醒更換電池。

4 嵌入式軟件設計

嵌入式軟件設計的重點在于匯聚節點主控程序設計、LoRa無線通信程序設計、傳感器子節點控制程序設計等。嵌入式軟件利用KEIL 5.0作為開發環境，對于匯聚節點開發完成了串口驅動程序、4G模塊驅動程序、SD卡驅動程序、LoRa驅動程序，并移植了UCOSⅡ系統，可同步運行多個處理任務。

4.1 匯聚節點的程序設計

匯聚節點執行的任務主要包括數據采集任務和與云端服務器的通信任務。上電后，STM32對硬件需求進行初始化配置，包括串口USART初始化、SPI接口初始化、USB接口初始化等。然后利用UCOSⅡ系統創建了通信任務和數據采集任務。在通信任務中，匯聚節點與云端服務器之間的數據交互由4G通信完成，匯聚節點與傳感器子節點之間的數據交互由LoRa通信完成，調試時用USART完成。數據采集任務將系統設置為周期性采集，當到達采集時間時，系統向傳感器子節點發送采集命令，并打開定時器，在一定時間段內若收到傳感器子節點上傳的數據，則將數據分類保存到SD存儲卡中。數據采集任務流程如圖5所示。

4.2 LoRa通信部分的軟件設計

SX1278工作前先要復位，然后才能進入初始化。操作的主要步驟就是復位、初始化、發射、接收等。

（1）復位。這步是將RESET腳拉低大于100 μs，然后拉高大于5 ms，即可對其進行初始化。（2）初始化。主要通過SPI接口進行設置。首先將模塊設置為睡眠模式，接著設置為LoRa擴頻調制模式，再設置為空閑模式，然后依次設置各種參數：端口映射、頻率、功率、擴頻因子、糾錯編碼率、CRC（循環冗余校驗碼）校驗、擴頻帶寬、同步頭、有效負載長度、接收超時時間、低數據率優化等，如果需要接收功能，初始化后將模塊設置為連續接收模式。之后就可以進行發射與接收處理了。（3）發射。SX1278的模式切換必須先經過空閑模式，而后才能切換到相應的模式。所以在數據準備好之后，做發射操作之前，應先將模塊設置為空閑模式，然后再配置相應的操作，如跳頻設置、端口映射、有效負載長度、FIFO（first input first output，簡稱先進先出）基址等，然后以SPI突發訪問的方式往緩沖區中送數據，送完后即可設置為發射模式，讓其自動發射。（4）接收。SX1278的接收可以通過判斷映射腳的狀態（默認為DIO0，有高電平出現）或者通過查詢中斷標志寄存器0x12的第6位的狀態來決定是否接收到了數據，本系統采用的是查詢中斷標志寄存器的方式。

4.3 傳感器子節點的程序設計

傳感器子節點的主要任務是接收匯聚節點的采集指令并對傳感器下發采集命令。傳感器節點利用485總線對傳感器數據進行采集。未收到采集命令時，子節點控制器與SX1278均處于待機狀態。當SX1278 LoRa模塊收到匯聚節點發送的采集命令時，LoRa模塊通過SPI的方式喚醒控制器，控制器解析指令后，打開傳感器電源并通過RS485總線給傳感器發送所感知數據的讀取指令，當控制器收到傳感器反饋的環境數據后，控制器關閉傳感器電源并將數據上傳至匯聚節點，然后控制器讀取電池電量信息，若電量已經過低，則向匯聚節點上報電量低警告，然后子節點系統再次進入待機狀態，等待下一個數據讀取周期。

5 可視化軟件設計

筆者利用HTML 5開發了溫室環境智能監測軟件，僅需要瀏覽器便可以打開，可跨平臺運行，可應用于多種終端設備，安裝和維護成本較低。使用者通過該軟件可實時在線查看溫室內的環境信息，觀察歷史變化曲線，軟件可以幫助用戶更好地使用數據和分析數據，提高了系統的智能化水平。軟件界面如圖6所示。

6 應用與總結

將系統運行在某農場內，對其溫室環境進行監測，整個農場僅需1臺匯聚節點設備即可實現整個農場溫室環境數據的實時上傳，可擴展性的傳感器子節點也為其帶來了便利，可隨時增加對傳感器的需求。通過將數據上傳至云端服務器，可以隨時隨地查看溫室內的環境信息，基于HTML 5的APP（應用程序）也使得軟件更新方便、快捷 跨平臺的應用對于開發人員減少了開發周期，便于及時修補漏洞，使得用戶的體驗度更好。總體可見，本研究搭建的基于LoRa的溫室環境智能監測系統有一定的應用價值，值得推廣。

參考文獻：

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[5]李世紅，陳 斌，胡慧鋪. 基于CAN總線和GPRS的溫室大棚監控系統的設計[J]. 浙江農業學報，2014，26（4）：1090-1094.

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[9]馬增煒，馬錦儒，李亞敏. 基于WIFI的智能溫室監控系統設計[J]. 農機化研究，2011，33（2）：154-157，162.

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