基于LoRa的遠程分布式農業環境監測系統的設計

韓團軍　尹繼武　趙增群　王楷

摘要：為解決傳統物聯網組網復雜、傳輸距離短、功耗高等問題，提出一種基于LoRa技術的農業環境監測系統。該系統以STM32微控制器的外設功能驅動傳感器實現多種環境數據的監測，利用LoRa無線通信模塊組建數據傳輸網絡。數據傳輸網絡中的匯總節點接收所有從監測節點傳來的數據，然后將數據打包處理后通過通用分組無線服務（GPRS）通信網絡上傳至服務器，利用C#語言開發的上位機可以實現對監測數據的實時顯示以及保存。經測試，該系統能夠實時準確地監測農業環境數據，運行穩定可靠，可以滿足農業環境監測的需求。

關鍵詞：物聯網;農業環境;LoRa;GPRS通信

中圖分類號： S275.6文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）19-0236-05

收稿日期：2018-07-01

基金項目：國家自然科學基金（編號：61401262）;陜西省教育廳基金（編號：16JK1151）;陜西理工大學2017年科研基金（編號：SLGKY2017-16）。

作者簡介：韓團軍（1981—），男，陜西咸陽人，碩士，講師，研究方向為集成電路設計與分析，E-mail：htjzyh@163.com;尹繼武，教授，碩士生導師，研究方向為信號處理，E-mail：Yjw23456@163.com。

我國是一個農業大國，農業在國家經濟建設中具有十分重要的戰略地位，我國農業環境在空間和地域分布上極其不同，如何科學有效地管理和監測農業環境信息成為農業信息化研究的重點。物聯網技術的發展給農業環境信息采集和最優化控制提供了可靠的技術基礎，已經成為農業科學種植的主要信息化手段。現在已有的農業無線數據監測系統組網和協議比較復雜，系統存在著傳輸距離短、功耗高和抗干擾性差等缺點[1-5]。

本研究提出了一種基于LoRa技術的農業數據監測系統，利用LoRa無線通信模塊組建數據傳輸網絡。數據傳輸網絡中的匯總節點接收所有監測節點的數據，然后將數據打包處理后通過通用分組無線服務（GPRS）通信網絡上傳至服務器，利用C#語言開發的上位機實現對監測數據的實時顯示以及保存。整個系統設計和組網簡單，能夠實時準確顯示農業環境檢測數據，運行穩定可靠，可以滿足農業環境監測和有效管理的要求。

1 系統結構設計

整個系統利用LoRa無線通信模塊組建數據傳輸網絡，包含監測節點和匯總節點2種節點。監測節點由STM32控制器、傳感器和LoRa模塊組成，STM32驅動各傳感器采集數據并通過LoRa模塊將數據發送給匯總節點。數據傳輸網絡中的匯總節點接收所有從監測節點傳來的數據，然后將數據打包處理后通過GPRS通信網絡上傳至服務器，利用C#語言開發的上位機實現對監測數據的實時顯示以及保存。整個農業環境系統的結構如圖1所示。

2 系統硬件設計

整個系統分為監測節點、匯總節點2個部分。監測節點包括STM32控制器模塊、LoRa無線通信模塊、土壤溫度和水分傳感器模塊、土壤酸堿度傳感器模塊、光照傳感器模塊以及電源模塊，監測節點負責采集數據并通過LoRa模塊將數據發送給匯總節點。匯總節點包括STM32控制器模塊、LoRa無線通信模塊、GPRS模塊以及電源模塊，負責將數據打包后上傳至服務器端。整個系統的硬件框圖如圖2所示。

2.1 電源模塊電路設計

電源供電需要+5.0 V、+3.3 V和+12.0 V 3路電源。控制器采用+3.3 V電源供電，放大電路需要+12.0 V電源進行供電，+5.0 V電源由USB提供，為了保證電源設計輸出穩定，采用AMS1117穩壓芯片設計+3.3 V電源，用德州儀器公司的LDO低壓差線性穩壓器TPS54140設計提供12 V電源[6-7]。供電電路如圖3和圖4所示。

2.2 土壤酸堿度電路設計

設計中采用電化學法對土壤的酸堿度進行測量，該方法是利用電極電位的大小與檢測物質濃度的大小呈線性的電化學法。工作原理是把被測液體的濃度、測量電極和參考比較電極等效為原電池，這樣可以使化學能轉化為電池的電動勢，建立起原電池電壓和液體中氫離子濃度之間的關系，通過測量電池的電動勢得到氫離子濃度，進而得到土壤的酸堿度值。在設計中由于土壤溶液中氫離子濃度轉化的電信號比較微弱，不能為后續電路處理，所以必須對該采集到的小信號進行放大處理。本研究采用CD4575和TL048 2款放大器和相關的外圍電路設計了一個四級運放系統。四級放大器的第1級采用正相放大設計，這樣設計可以提高輸入阻抗;用TL048設計第3級放大器，作用是調節輸入電壓的零點[8-10]。具體電路如圖5所示。

3 系統軟件設計

整個系統軟件設計主要包括監測節點軟件設計、匯總節點軟件設計和上位機軟件設計。

3.1 監測節點軟件設計

監測節點由STM32微控制器、多傳感器、LoRa模塊組成，土壤溫度、水分傳感器和STM32之間通過IIC總線通信，酸堿度傳感器和光照傳感器的數據通過STM32內部的ADC模塊讀取，LoRa模塊和STM32控制器之間通過串口通信，程序流程如圖6所示。

3.2 匯總節點軟件設計

匯總節點由STM32微控制器、LoRa模塊以及GPRS模塊組成，其主要功能是接收所有從監測節點傳來的數據，然后將所有數據打包處理上傳至服務器端。LoRa模塊和GPRS模塊都是通過串口和STM32通信，所以在匯總節點部分須要用到STM32內部的USART模塊。STM32和LoRa模塊之間使用USART1通信，STM32和GPRS模塊之間使用USART2通信。USART1采用中斷方式采集數據，一旦有數據傳入則會觸發中斷，串口每中斷一次發送一個八位數據，數據會保存在緩沖寄存器中，在串口中斷處理函數中將緩沖寄存器中的數據保存到一個數組中，接收完一幀數據關閉串口1中斷，使用串口2發送數據。為了區分不同節點的數據，程序規定每個監測節點發送的數據格式為節點號+數據+結束標志符。所以在匯總節點處要對不同節點數據進行識別，如果接收到的是數據節點號，則表示要開始一幀數據的接收，此時將數據接收標志位置1。如果接收到的是結束標志符，則表示一幀數據的接收已結束，此時將數據接收標志位置0，將數據接收完成標志位置1。主程序中判斷到數據接收完成標志位置1后會中斷串口1，此時轉入串口2發送，利用串口2的發送函數將數組中的數據發給GPRS模塊，然后GPRS模塊將所有的數據上傳至服務器端。其程序流程如圖7所示。

3.3 上位機軟件設計

上位機軟件設計利用Visual studio開發平臺完成，通過 C# .NET 的窗體應用程序開發中若干類庫設計出軟件整體。本系統上位機軟件主要由下面3個部分組成：軟件參數設置模塊、數據接收及顯示模塊、數據處理及繪圖模塊，詳細模塊功能如圖8所示。

Visual studio為開發人員提供了大量可以直接使用的控件，操作方便。對于一個Winform應用程序來說，常見的控件主要有TextBox控件、Button控件、Label控件、Panel控件、CrystalReport控件等。C#中的網絡通信和傳統語言采用的模型相同，但用戶需要管理的細節較少。C#網絡編程采用System.Net和System.Net.Socket 2個命名空間來實現類的調用。

上位機和服務器之間基于傳輸控制協議（TCP）通信。TCP協議通過一個端口進行信息的傳輸和獲取。低于 1 024 的端口是公共端口，由互聯網數字分配機構（IANA）分配，1 024 至65 535是沒有公共定義的端口，用戶可以自己定義這些端口[11-12]。上位機界面如圖9所示。

4 系統測試及分析

4.1 系統測試終端

系統軟、硬件設計完成后，為了驗證系統的可行性，搭建了一個試驗測試平臺。為了簡化測試條件，整個測試平臺包括2個監測節點、1個匯總節點以及1個阿里云服務器。監測節點搭載溫濕度、土壤酸堿度、光照傳感器，匯總節點包括LoRa模塊和GPRS模塊。

4.2 監測數據采集

測試中將2個監測點設置在農田的主要工作區，測試過程主要是驗證本系統的網絡結構、LoRa通信方式穩定性和通信距離，能否準確可靠地顯示環境監測數據。通過驗證，整個系統能正常工作，且通過服務器可以準確檢測到農田環境中的溫濕度、光照度變化以及土壤的pH值。測試各種參數的變化曲線可以通過上位機觀察，結果如圖10、圖11、圖12和圖13所示。通過監測系統對環境數據進行采集，不同時刻的溫、濕度數據如表1所示。

由表1可以看出，監測系統測量得到的土壤溫度和含水量數據與實際數據基本一致，誤差較小，符合監測系統需求。

通過圖8至圖13可以看出，系統測試靈敏度比較高，能準確實時地監測土壤pH值的大小和光照度的變化，整個設計符合系統需求。

5 結語

采用LoRa技術設計了一種遠程分布式農業環境數據監測系統，實現了對農業環境信息的實時監測，通過對系統的實地調試，證明了該系統能夠精確測量農業環境參數，可以被廣泛應用于智能化農業系統中，系統設計靈活、網絡拓撲結構簡單、傳輸距離遠、功耗極低，且該系統具有良好的測量準確性，可以被廣泛推廣。

參考文獻：

[1]王玖林，趙成萍，嚴 華. 基于LoRa的節水灌溉系統設計與研究[J]. 節水灌溉，2017（12）：104-106，111.

[2]王 鈞. 基于LoRa的設施農業區自動氣象站監測系統設計[J]. 中國農機化學報，2018，39（5）：82-86.

[3]萬雪芬，崔 劍，楊 義，等. 地下LoRa無線傳感器網絡的傳輸測試系統研究[J]. 華南農業大學學報，2018，39（3）：118-124.

[4]張永棠，周富肯，吳圣才. 精確農業無線傳感器網絡節點部署研究[J]. 江蘇農業科學，2017，45（3）：200-205.

[5]張 輝，李艷東，趙麗娜，等. 基于無線Mesh網絡的智慧農業大棚監控系統[J]. 現代電子技術，2016，39（16）：71-74.

[6]陳 誠，李必軍，張永博. 基于無線傳感器網絡的農業信息采集系統設計[J]. 安徽農業科學，2016，44（10）：242-245.[HJ1.7mm]

[7]饒 強，于舒娟，張 昀，等. 基于無線傳感網絡精細農業系統盲檢測[J]. 電視技術，2015，39（21）：87-90，103.

[8]陳 瑜，張鐵民，孫道宗，等. 基于無線傳感器網絡的設施農業車輛定位系統設計與試驗[J]. 農業工程學報，2015，31（10）：190-197.

[9]馬少華，張 興，韓 冬，等. 基于ECDSA優化算法的智能農業無線傳感器節點的網絡安全認證[J]. 江蘇農業科學，2015，43（4）：389-392.

[10]李士軍，溫 竹，宮 鶴，等. 無線傳感器網絡在農業中的應用進展[J]. 浙江農業學報，2014，26（6）：1715-1720.

[11]王玲玲，嚴錫君，嚴 妍. 無線傳感器網絡在溫室農業中的應用研究[J]. 節水灌溉，2013（6）：54-57.

[12]施云波，王萌萌，南慧杰，等. 基于無線傳感器網絡的農業微環境監測系統的設計[J]. 黑龍江大學自然科學學報，2013，30（2）：254-258.