基于LoRa物聯(lián)網技術的火龍果大棚監(jiān)控系統(tǒng)的設計與應用

(中國石油大學勝利學院, 山東 東營 257061)

0 引言

物聯(lián)網技術快速崛起，智慧農業(yè)應運而生，相比傳統(tǒng)大棚，為保證數(shù)據的實時性和有效性，農作物生長環(huán)境的參數(shù)的采集、傳輸和處理需要各類傳感器設備和有效的無線傳輸技術[1]，而很多偏遠地區(qū)的農場或者大棚沒有覆蓋蜂窩數(shù)據，更不要說4G了，針對ZigBee、WiFi、GPRS傳統(tǒng)無線傳感技術在大范圍農場等溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的中存在傳輸距離短，易受外界干擾等不足，通過LORA技術搭建私有物聯(lián)網十分適用此場景[2-3]。

本文設計了一套基于LORA技術的智能農場監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用土壤溫濕度傳感器、光照強度傳感器和二氧化碳濃度等多種傳感器采集農作物生長環(huán)境中的各種參數(shù)，采用LORA無線擴頻通信技術進行數(shù)據傳輸，可以實現(xiàn)定點、省電、透傳和監(jiān)聽4種模式[4]，不僅在實驗室環(huán)境下搭建了農場監(jiān)控模型，完成了環(huán)境參數(shù)檢測，實現(xiàn)了燈光控制、灌溉控制、降溫控制和人機控制，而且應用于具體農作物大棚并完成了數(shù)據采集和分析。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)總體設計如圖1所示，總共分三層結構，分別是用戶訪問平臺控制設備構成應用層、網絡層和各類傳感器構成的感知層。其中感知層使用的傳感器可以實現(xiàn)二氧化碳濃度、土壤濕度、空氣濕度、溫度、光照強度的檢測；網絡層采用的通訊模塊為基于LoRa協(xié)議的AS32TTL100，通過AS32TTL100與網關建立連接，控制器采用STM32F103ZE單片機，通過建立于傳感器的通信，STM32F103ZE將收集到的數(shù)據可以通過網絡上傳至服務器，同時可以接收來自服務器的指令。應用層包括由PC端和手機客戶端組成的用戶訪問平臺和控制設備組成，控制設備節(jié)點包括風扇節(jié)點、卷簾控制節(jié)點、燈光節(jié)點、灌溉節(jié)點等，可以根據指令執(zhí)行相應的動作，如測量、補充光照、補充水分、通風等等。用戶訪問平臺由上位機界面及手機端軟件組成，可以監(jiān)控大棚中農作物的生長環(huán)境信息，還可通過選擇日期從服務器中取出歷史數(shù)據，然后將數(shù)據繪制到窗口界面以供人們進行直觀的判斷。除此之外，還可進行人為干預，通過發(fā)送指令到接收端，接收端接收到指令再控制生產設備的運作。

圖1 系統(tǒng)總體設計圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 網絡層硬件設計

物聯(lián)網應用技術有多種，從傳輸距離上可劃分兩類，一類為短距離通訊技術，包括Zigbee、Wi-Fi、Bluetooth等，另一類為長距離無線通訊技術，包含無線局域網(Wireless Wide-Area Net-works，WWAN)和低功耗廣域網(Low-PowerWide-Area Networks,LPWAN)等[5-6]，低功耗廣域網技術是近年來國際上一種革命性的物聯(lián)網接入技術，在智能家居、智能農業(yè)等領域應用越來越廣泛。通過國內外溫室農場智能控制的經驗來看，溫度、濕度、二氧化碳、光照強度等傳感器的應用對農業(yè)提高產量、減少水資源的消耗等有著重要的意義，如果能夠保證農作物的生長環(huán)境變量在最佳的范圍，那么農產品的產量會有顯著的提高，質量也會有極大的提升，從而達到了高效的農業(yè)生產[7]。

本項目采用AS32-TTL-100LOAR無線通訊模塊，功率100 mW(20 dBm)，接收靈敏度-130 dBm，天線增益5 dBi，頻率410～441 MHz,根據由LoRa聯(lián)盟制定的LoRaWAN協(xié)議生產的SX1278調制芯片，應用的是一種低空速長距離的技術[8]。物理層或無線調制用于建立長距離通信鏈路，許多傳統(tǒng)的無線系統(tǒng)使用頻移鍵控(FSK)調制作為物理層，因為它是一種實現(xiàn)低功耗的非常有效的調制。MAC層協(xié)議，主要由程序控制來實現(xiàn)，其實現(xiàn)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(fā)，節(jié)點接入校驗與數(shù)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(tǒng)中出現(xiàn)多種LoRa設備，這時LoRaWAN就起到關鍵作用。線性擴頻已在軍事和空間通信領域使用了數(shù)十年，因為其可以實現(xiàn)長通信距離和干擾的魯棒性。

2.2 感知層硬件設計

控制模塊采用選擇使用STM32F103ZET最小系統(tǒng)板，傳感器模塊的選擇主要針對植物生長環(huán)境(二氧化碳濃度、土壤濕度、空氣濕度、溫度、光照強度)進行檢測，使用CCS811檢測二氧化碳，HDC1080檢測溫濕度，YL69檢測土壤濕度，GY302檢測光照強度，這些都是植物生長的必須元素,下面分別介紹傳感器模塊：

二氧化碳濃度傳感器采用CCS811，是基于劍橋CMOS傳感器獨特的微-熱板技術使氣體具有高可靠性的解決方案的傳感器[9]，具有非常快的循環(huán)時間和與傳統(tǒng)MOX氣體傳感器顯著減少平均功耗，并且具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性。其原理是利用金屬氧化物與有機化合物反應所構成的原電池效應，然后根據產生的電流的大小通過放大轉換生成數(shù)字數(shù)據。傳感器內置微型處理器，并且附帶有程序，當通電啟動時，通過IIC總線發(fā)送指令，給傳感器啟動BootLoader程序，將傳感器由休眠狀態(tài)轉換成測量狀態(tài)，然后依次發(fā)送寄存器地址，再獲取傳感器數(shù)據。

空氣溫濕度傳感器采用HDC1080，是一種具有集成溫度傳感器的數(shù)字濕度傳感器，其關鍵特性是它的低功耗。因為HDC1080大部分時間都是在睡眠中度過的，使得該設備適用于電池或動力收集。其在睡眠模式下具有典型的100 nA電流消耗，平均電流消耗最小。工作原理是空氣中濕度變化產生不同電導率和熱敏電阻因溫度改變電阻發(fā)生變化。傳感器內部設置有寄存器存放數(shù)據，也可以通過改變寄存器值改變傳感器的工作狀態(tài)，通過IIC總線與控制芯片進行通信。

土壤濕度傳感器采用YL69，通過電位器調節(jié)控制相應的閥值，濕度低于設定值時DO輸出高電平，高于設定值時DO輸出低電平，此功能常用于濕度閥值控制開關[10]。比較器采用LM393，工作電壓很寬，保證了工作的穩(wěn)定性。傳感器藍色的電位器是用于土壤濕度的閥值調節(jié)，順時針調節(jié)，控制的溫濕度會越大，逆時針越小。小板模擬量的輸出AO可以和AD模塊相連，通過AD可以獲得更高的土壤濕度精確的值，也可以用數(shù)字輸出DO與單片機相連，通過單片機檢測高低電平，由此確定土壤的濕度。

YL69土壤濕度模擬傳感器根據土壤的濕度變化時電阻也將發(fā)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0～5 V，并呈比例變化。因沒有具體數(shù)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。

光照強度傳感器采用GY302，GY302采用ROHM原裝BH1750FVI，光照強度范圍測量輸出范圍從0至65535勒克斯，傳感器內置16 bitAD轉換器直接數(shù)字輸出，省略復雜的計算。GY-302內部設有光敏元件，在不同光照下產生不同的電流值，再根據復雜的實驗數(shù)據，將電流數(shù)據跟光照強度勒克斯一一對應，可以直接輸出照度范圍為0-65535的數(shù)據，數(shù)據通過IIC協(xié)議于單片機相連，單片機就可以采集GY-302的數(shù)據越大，光照越強，進而得到測量光照強度的目的。

拍照模塊選用OV7670是一款30 W像素輸出拍照模塊，使用640*480的感光陣列，3.6 mm焦距的鏡頭和鏡頭座，板載CMOS芯片所需要的各種不同電源，板子同時引出控制管腳和數(shù)據管腳，方便操作和使用。首先控制芯片對模塊通過SCCB總線進行通信，然后對模塊內部的寄存器進行寫入數(shù)據，使模塊能夠正常工作，針對不同環(huán)境，觀察其輸出圖像，再調整寄存器的值，自動影響控制功能包括自動曝光控制、自動增益控制、自動白平衡，自動消除燈光條紋、自動黑電平校準。圖像質量控制包括色飽和度、色相、伽瑪、銳度和ANTI_BLOOM，模塊內部控制芯片通過不同的寄存器值對感光元件的數(shù)據進行不同的處理。模塊使用8 M晶振，通過內部倍頻線路將總線頻率調整至24 M，調整輸出窗口大小可以達到30 fps，適合一些高靈敏度適合低照度應用和低電壓適合嵌入式應用。

3 系統(tǒng)軟件設計

為保證各層之間的正常通信，本系統(tǒng)在軟件部分分對傳感器測量終端節(jié)點、LORA基站和通信協(xié)議3個部分進行了有效設計。 對終端節(jié)點的設計實現(xiàn)與LORA基站數(shù)據的交互， 對LORA基站的設計實現(xiàn)與農業(yè)云平臺服務器的傳輸，對通信協(xié)議的設計保證傳輸數(shù)據的準確性與可靠性，以下分別介紹。

3.1 測量端軟件設計

測量端程序主要針對STM32，使用C語言進行編程，程序首先應對STM32本身進行配置，然后確定所需要使用的庫和STM32的外設，再添加庫函數(shù)。程序按語句先后執(zhí)行，先配置系統(tǒng)時鐘，給整個系統(tǒng)一個標準，然后配置內部總線頻率，再跟據所需功能和IO口調整不同工作模式，調整中斷向量表，配置ADC、USART和IIC外設，到此完成系統(tǒng)初始化。具體流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)流程圖

初始化后控制系統(tǒng)處于循環(huán)等待狀態(tài)，不斷判斷標志位情況，等待由通信模塊接收的指令，當接收到數(shù)據后，產生串口接收中斷，標志位置1，根據指令的不同，選擇分支語句執(zhí)行相應的函數(shù)，函數(shù)執(zhí)行完畢后再置0標志位。若是初次運行則測量端的程序流程圖可以分為3個部分，一是初始化，二是等待指令狀態(tài)，三是傳感器通信獲取數(shù)據和發(fā)送數(shù)據階段。接下來就需當無線模塊接收到指令，并通過片內外設USART發(fā)送給MCU寄存器中，系統(tǒng)產生中斷，并開始執(zhí)行中斷程序置1標志位，中斷程序結束，回到之前的等待循環(huán)檢測階段，因為標志位發(fā)生變化，程序判斷為真后開始執(zhí)行循環(huán)嵌套中的程序，然后取出存放在寄存器中的數(shù)據判斷應該執(zhí)行那一步操作。例如，測量、拍照還有通過控制繼電器控制生產設備的運作，有電動卷簾用來控制陽光強度，當光照太強時有可能損害植物生長時，放下簾子降低植物收到的照射強度，同時也可以保證溫室模型內的溫度，可以通過加厚簾子在每天清晨打開使溫室升溫，晚上太陽下山后放下簾子進行保溫。還有在溫室內設置電動噴霧器和風扇，當溫度升高時，通過造霧打開風扇增加空氣流速，降低溫度；同時還有水泵和光照系統(tǒng)，增加濕度和光照強度，必要情況下再對植物環(huán)境進行改變。要通過無線模塊建立通信，保證數(shù)據的正常傳輸，接下就是不斷循環(huán)進入等待狀態(tài)。

3.2 監(jiān)測端軟件設計

監(jiān)測端包括上位機界面及手機APP設計。

上位機界面程序由Visual Basic語言進行開發(fā)，電腦在這里模擬了服務器的功能，相當于從測量端發(fā)送的數(shù)據通過網關直接傳入電腦中保存起來，忽略服務器環(huán)節(jié)。設置計時器，通過計時器每達到一個固定時長，就執(zhí)行一遍串口發(fā)送指令程序，相當于發(fā)送至網關，網關再發(fā)送給測量端執(zhí)行相應的動作。也可以進行手動控制，這時自動管理環(huán)節(jié)關閉，所有動作均需要人為手動完成。圖3為上位機設計界面。

圖3 上位機界面設計

測量端返回的數(shù)據先根據日期和設備號保存起來，然后根據當前數(shù)據分析農場的生產狀態(tài)，再改變相應的環(huán)境。程序的運行過程大概可以分為兩部，軟件打開之后就直接進入自動控制階段，這是根據固定時間通過串口發(fā)送給無線模塊指令，然后等待測量端返回的數(shù)據，電腦接收到數(shù)據后先對數(shù)據保存在緩沖區(qū)中，判斷數(shù)據是否正常，若異常則需要丟棄數(shù)據，若正常放入數(shù)組中導入到文件中，文件按照當天日期加設備號進行編號，方便日后進行歷史數(shù)據的查看。點擊數(shù)據庫查看按鈕彈出下圖對話框，選擇日期后點擊確定就可以直接在主界面的顯示區(qū)進行顯示，通過每天進行多次測量將數(shù)據按照比例通過像素點在界面上進行繪折線圖，這就可以方便人們進行直觀的感受數(shù)據的變化，從而了解到植物生長的狀態(tài)。同時可以點擊顯示按鈕查看圖像。

手機程序由JAVA語言進行編寫，使用Android Studio軟件進行界面和程序內核開發(fā)，手機程序目前用藍牙模擬網絡通信，在這里手機需要與電腦連接，相當于與服務器來連接。當通信建立完畢后，查看數(shù)據對生產設備進行控制運行，相當于一個微小版的電腦程序，只完成部分功能，但這時手機擁有移動性，所以對實地有著優(yōu)勢。手機端的UI界面如圖4所示，共有3個窗口，主要的功能相當于移動遙控器，針對的也是便攜性，有時候人們可能需要進行實地觀察，如果電腦不方便進行查看數(shù)據或控制設備運作，這時手機就有了存在的必要，它所完成的功能相當于電腦端的手動控制按鈕。

圖4 手機端測試圖

用戶打開軟件，需要用戶授權給軟件進行操作硬件，獲取完成后點擊連接按鈕，先要跟電腦建立通信，這里因為是使用電腦進行模擬服務器操作，所以跟電腦通信即可，選擇使用手機自帶的藍牙與電腦建立連接，然后再通過日期按鈕選擇需要查看的歷史數(shù)據日期，一定要先對日期進行選擇否則程序會出現(xiàn)崩潰，主要完成的功能區(qū)再功能開關里邊，這里通過歷史獲取按鈕將剛才選擇的日期發(fā)送給電腦，電腦執(zhí)行數(shù)據庫查看的功能，再將文件發(fā)送給手機端，手機解碼文件整個傳輸過程完成。也可以點擊測量進行實時測量和以上的功能按鈕方便進行主觀控制，相當于完成的是電腦端功能測試按鈕。

4 系統(tǒng)測試與結果分析

4.1 實驗室模型測試結果

首先，STM32要先通過AS32TTL100與網關建立連接，使得STM32將收集到的數(shù)據可以通過網絡上傳至服務器中，這樣也才能有智能分析、人工監(jiān)督的過程，并且可以接收來自服務器的指令，根據指令執(zhí)行相應的動作，如測量、補充光照、補充水分、通風等等。然后是建立傳感器與STM32的通信，采用的傳感器中內置了處理芯片，以進行AD轉換，不同環(huán)境下的寄存器配置和數(shù)據讀取，CCS881、GY302、HDC1080都是通過IIC進行通信，STM32建立模擬IIC通信，獲取傳感器的數(shù)據然后存儲至內存中并進行發(fā)送。其次，通過STM32IO口的置高和置低，控制繼電器開關，以達到控制生產設備的運行。同時設計拍照系統(tǒng)進行圖像傳輸，這樣人們可以直接通過軟件觀察植物生長而不需要耗費大量人力進行實地觀察，人們可以及時的發(fā)現(xiàn)植物病蟲害等問題，再及時決定是否需要補充肥料和噴灑農藥。

PC端軟件首先通過網絡選擇日期從服務器中取出歷史數(shù)據，然后將數(shù)據通過繪制到窗口界面以供人們進行直觀的判斷，人們也可以人為的進行干預，通過發(fā)送指令到接收端，接收端接收到指令再控制生產設備的運作。同時，當種植的是不同的植物時，就需要不同的植物生長數(shù)據庫，通過軟件改變種植植物來進行不同的控制。手機端的目的是便攜性，人們在進行實地觀察時，如果發(fā)現(xiàn)問題可以直接通過手機發(fā)送指令到測量端進行控制，功能是與PC端一樣的，也是與服務器進行互動，可以查看歷史數(shù)據，實時控制，圖4為手機端界面測試結果。

4.2 火龍果大棚測試結果

經過實驗室測試證明該系統(tǒng)可行，選擇某火龍果大棚進行現(xiàn)場測試，主要測試參數(shù)為大棚內溫度、空氣濕度、土壤濕度、大棚二氧化碳濃度及棚內光照強度(為保證火龍果生長，該大棚下午四點為開燈時間)。圖5為測試結果。

圖5 測試結果

從圖中可以看出這5個參數(shù)的變化，方便大棚管理人員觀測。

5 結論

經過實驗室測試和實際大棚的數(shù)據采集證明該基于LoRa無線傳輸技術的智能農場監(jiān)控系統(tǒng)可行，選擇某火龍果大棚進行現(xiàn)場測試，可以實現(xiàn)大棚內溫度、空氣濕度、土壤濕度、大棚二氧化碳濃度及棚內光照強度的采集，該數(shù)據可以幫助農場管理人員更好的了解農作物的生長環(huán)境，具有很好的實時性和有效性。