智慧溫室群遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)

萬(wàn) 云，陳達(dá)美，楊大奎

（1.重慶城市職業(yè)學(xué)院信息與智能工程系，重慶402160；2.重慶市永川區(qū)大安小學(xué)校，重慶402160）

0 引言

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，環(huán)境對(duì)植物的生長(zhǎng)起著關(guān)鍵作用，將直接影響植物的產(chǎn)量與質(zhì)量。及時(shí)、迅速、便捷地了解植物生長(zhǎng)環(huán)境，對(duì)于掌握植物生長(zhǎng)狀況并做出準(zhǔn)確的預(yù)判而言有著非常重要的意義[1]。智能溫室在該背景下產(chǎn)生，它是以自動(dòng)控制系統(tǒng)為核心，利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)溫室內(nèi)的光照、溫濕度、CO2含量及土壤水分等環(huán)境因子進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控，使得它們接近理論最佳值，滿足作物生長(zhǎng)需求。

從20世紀(jì)70年代后期開始，智能化溫室技術(shù)在日本和歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家就已獲得應(yīng)用，歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，該項(xiàng)技術(shù)現(xiàn)已趨于成熟并獲得了大規(guī)模推廣使用[2-3]。我國(guó)的智能溫室起步較晚，在20世紀(jì)后期才從國(guó)外引進(jìn)較為先進(jìn)的溫室設(shè)施技術(shù)和控制系統(tǒng)[4]。目前，國(guó)內(nèi)外智能溫室仍以有線技術(shù)和無線技術(shù)為主實(shí)現(xiàn)通信與監(jiān)控。基于有線技術(shù)通信時(shí)，需布設(shè)較多線纜，出現(xiàn)的故障可能性較大且成本較高，降低了溫室技術(shù)的效益[5]；基于無線技術(shù)通信時(shí)，主要采用WiFi、ZigBee、藍(lán)牙和通用分組無線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）等組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)無線監(jiān)測(cè)，在一定程度上解決了有線傳輸?shù)谋锥薣6-7]，但仍存在功耗高、難以實(shí)現(xiàn)多個(gè)溫室間遠(yuǎn)距離通信等問題。

本文針對(duì)現(xiàn)有溫室監(jiān)控系統(tǒng)在通信上存在的問題，提出了一種將遠(yuǎn)距離無線電（Long Range，LoRa）和窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）進(jìn)行結(jié)合的智慧溫室群遠(yuǎn)程監(jiān)控通信模式，結(jié)合低功耗主控單元（Microcontroller Unit，MCU）和自組通信協(xié)議設(shè)計(jì)，解決了無線信道沖突問題，實(shí)現(xiàn)了終端與用戶間的雙向有效通信，完成了實(shí)時(shí)采集和執(zhí)行控制。基于該通信模式的溫室監(jiān)控系統(tǒng)，理論上可擴(kuò)展至256個(gè)溫室，具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、功耗低、距離遠(yuǎn)和數(shù)據(jù)傳輸可靠的優(yōu)勢(shì)，特別適用于溫室群的遠(yuǎn)程精準(zhǔn)化和智能化管理。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智慧溫室群遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的通信總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)的通信主要包含終端子網(wǎng)（各溫室）至集中器之間的通信和網(wǎng)關(guān)至云平臺(tái)之間的通信。

圖1 系統(tǒng)通信總體結(jié)構(gòu)Fig.1 General structure of system communication

終端子網(wǎng)（各溫室）至集中器之間的通信:依靠所設(shè)計(jì)的自組協(xié)議構(gòu)成自組網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)無線傳輸。在每個(gè)溫室內(nèi)布置了溫濕度傳感器、土壤水分傳感器、光照濃度傳感器和CO2濃度傳感器等節(jié)點(diǎn)，通過各傳感器節(jié)點(diǎn)采集對(duì)應(yīng)環(huán)境因子值，再經(jīng)運(yùn)算速度快、低功耗的MCU進(jìn)行智能化處理，在完成處理后將數(shù)據(jù)傳輸至終端子網(wǎng)內(nèi)的LoRa模塊，最后經(jīng)自組協(xié)議與集中器中的LoRa模塊建立通信連接，確保數(shù)據(jù)有效雙向傳輸。

網(wǎng)關(guān)至云平臺(tái)之間的通信:依靠運(yùn)營(yíng)商構(gòu)架的協(xié)議實(shí)現(xiàn)傳輸。網(wǎng)關(guān)由低功耗MCU和NB-IoT模塊組成。MCU在接收到集中器的數(shù)據(jù)之后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并將其傳輸至NB-IoT模塊，NB-IoT模塊通過與運(yùn)營(yíng)商基站之間的專屬協(xié)議實(shí)現(xiàn)無線通信連接，確保數(shù)據(jù)有效傳輸至云平臺(tái)。用戶可通過PC端上位機(jī)軟件直接從云平臺(tái)調(diào)取各溫室內(nèi)的數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 硬件設(shè)計(jì)

該監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)于溫室群中各溫室終端采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中包含電源模塊、采集模塊、執(zhí)行模塊、主控單元和通信模塊。

圖2 溫室群終端硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure of greenhouse group terminal

電源模塊的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)各模塊的穩(wěn)定供電。在該系統(tǒng)中，MCU、通信模塊和采集模塊中的溫濕度傳感器、光照度傳感器、CO2濃度傳感器均需直流3.3V供電，執(zhí)行模塊和采集模塊中的土壤水分傳感器需直流5V供電。因此，電源模塊需給系統(tǒng)提供3.3V和5V供電。

采集模塊的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室內(nèi)各環(huán)境因子數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)傳送給MCU。在該系統(tǒng)中所需采集的環(huán)境因子有溫濕度、光照度、土壤水分和CO2濃度。其中，溫濕度的采集通過集溫濕度一體的DHT11數(shù)字傳感器實(shí)現(xiàn)，光照度的采集通過BH1750型傳感器實(shí)現(xiàn)，土壤水分的采集通過485型PR-3000-TR-N01傳感器實(shí)現(xiàn)，CO2濃度的采集通過MH-Z19紅外CO2傳感器實(shí)現(xiàn)。

執(zhí)行模塊的功能是從MCU獲取數(shù)據(jù)，將各環(huán)境因子控制在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。在該模塊中，設(shè)備有天窗、遮陽(yáng)網(wǎng)、熱風(fēng)機(jī)、循環(huán)風(fēng)機(jī)、噴霧加濕器、滴灌、補(bǔ)光燈、CO2發(fā)生器等，這些設(shè)備的運(yùn)行均可通過MCU對(duì)其所接的繼電器發(fā)送指令來實(shí)現(xiàn)控制。

主控單元是整個(gè)溫室終端控制的核心，可選用意法半導(dǎo)體ST推出的低功耗處理器STM32F103C8T6進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)，完成各環(huán)境因子的數(shù)據(jù)采集與控制，并將相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)自組通信協(xié)議傳送給集中器，同時(shí)也接收來自集中器的指令。

通信模塊為各終端子網(wǎng)至集中器之間提供通信保障。系統(tǒng)選用有SX1278擴(kuò)頻芯片的LoRa模塊來實(shí)現(xiàn)，它是一款低功耗、小體積、微功率、高性能、遠(yuǎn)距離LoRa無線串口模塊，理論距離可達(dá)8km左右，可滿足遠(yuǎn)距離、穩(wěn)定、準(zhǔn)確和低成本的應(yīng)用需求[8]。

3 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

3.1 低功耗設(shè)計(jì)

因各溫室終端子網(wǎng)內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，所以需對(duì)監(jiān)控終端進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)主要從兩方面實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)。

（1）從硬件上選用低功耗器件

MCU選用低功耗處理器STM32F103C8T6，這是一款基于ARM Cortex-M內(nèi)核的32位的微控制器，支持等待、睡眠和停止3種低功耗工作模式。

各終端子網(wǎng)與網(wǎng)關(guān)通信選用LoRa模塊實(shí)現(xiàn)，其外觀如圖3所示。LoRa技術(shù)工作在1GHz以下的非授權(quán)頻段，在應(yīng)用時(shí)無需額外付費(fèi)，其節(jié)點(diǎn)可根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景需求進(jìn)行或長(zhǎng)或短的睡眠，所以電池供電壽命長(zhǎng)。除此之外，LoRa技術(shù)對(duì)建筑的穿透力極強(qiáng)。總之，其所具備的成本低、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)和穩(wěn)定性強(qiáng)等技術(shù)特點(diǎn)非常適合于低成本、大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)部署，因此其已成為智慧溫室群監(jiān)控系統(tǒng)通信組網(wǎng)技術(shù)的首選[9-10]。其內(nèi)部的SX1278芯片采用了擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)技術(shù)，支持睡眠、等待等低功耗模式，可實(shí)現(xiàn)在低功耗前提下的遠(yuǎn)程通信[11]。

圖3 LoRa模塊外觀圖Fig.3 External view of LoRa module

網(wǎng)關(guān)與云平臺(tái)通信選用NB-IoT模塊實(shí)現(xiàn)，其外觀如圖4所示。NB-IoT網(wǎng)絡(luò)是通訊網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。它依托于蜂窩通信技術(shù)，能夠承載海量數(shù)目的連接終端，其深度覆蓋能力很強(qiáng)，功耗較低，便于移動(dòng)，指向傳感類、計(jì)量類和監(jiān)控類物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景。相較于長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)（Long Term Evolution，LTE），NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的核心優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在能夠連接海量數(shù)據(jù)、覆蓋范圍廣、功耗較低、模塊成本較低等；相比 GPRS，它最大的優(yōu)勢(shì)是低功耗[12-13]。基于上述特點(diǎn)，NB-IoT成為本系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)至云平臺(tái)通信的首選技術(shù)。

圖4 NB-IoT模塊外觀圖Fig.4 External view of NB-IoT module

（2）從軟件設(shè)計(jì)上通過分時(shí)采集和分時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)方式實(shí)現(xiàn)節(jié)能

通常情況下，MCU和SX1278處于等待和睡眠工作模式，MCU按設(shè)定的采樣周期定時(shí)采集傳感器的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并寫入SX1278的緩存器。當(dāng)檢測(cè)到信道空時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，MCU自動(dòng)轉(zhuǎn)入低功耗模式；當(dāng)SX1278接收到數(shù)據(jù)時(shí)，向MCU發(fā)送中斷請(qǐng)求，依據(jù)讀取到的SX1278狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)，然后進(jìn)入低功耗模式，使MCU在大部分情況下處于低功耗的工作狀態(tài)[11]。

3.2 信道抗干擾與通信協(xié)議設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)選擇星型拓?fù)渥鳛闊o線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖5所示。每個(gè)LoRa模塊與溫室內(nèi)的各傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了一個(gè)星型子網(wǎng)，每個(gè)子網(wǎng)再將數(shù)據(jù)匯集到網(wǎng)關(guān)，形成大星型網(wǎng)絡(luò)。考慮到單個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)容量有限且無法覆蓋遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)的問題，系統(tǒng)根據(jù)溫室個(gè)數(shù)將系統(tǒng)劃分為多個(gè)子網(wǎng)，并為每個(gè)子網(wǎng)分配了獨(dú)立的信道。相同信道的節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)組成星型結(jié)構(gòu)子網(wǎng)，可降低信號(hào)間的相互干擾，擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò)容量，增加覆蓋范圍。

圖5 自組網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖Fig.5 Self-organizing network architecture

為確保各子網(wǎng)與網(wǎng)關(guān)的通信暢通，設(shè)計(jì)了如表1所示的自組通信協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式，子網(wǎng)和網(wǎng)關(guān)間的通信需遵循該幀格式協(xié)議。

表1 自組通信協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式Table 1 Data frame format of private communication protocol

該數(shù)據(jù)幀由幀頭、子網(wǎng)號(hào)、數(shù)據(jù)域和幀尾組成，幀頭和幀尾各占1個(gè)字節(jié)，分別固定為9AH和FFH，在數(shù)據(jù)傳送過程中可表示一個(gè)完整的數(shù)據(jù)起始；子網(wǎng)號(hào)占1個(gè)字節(jié)，代表每個(gè)溫室的地址編號(hào)，溫室群中最多可擴(kuò)展為256個(gè)溫室；數(shù)據(jù)域包含空氣濕度、空氣溫度、土壤水分、光照度和CO2濃度等值，除光照度和CO2濃度占2個(gè)字節(jié)外，其他參數(shù)均為1個(gè)字節(jié)。

3.3 通信設(shè)備工作流程設(shè)計(jì)

該溫室群的遠(yuǎn)程監(jiān)控通信實(shí)質(zhì)就是對(duì)所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸與處理、顯示等，其工作流程如圖6所示。在具體運(yùn)行過程中，數(shù)據(jù)的通信主要體現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)的通信上。

圖6 系統(tǒng)工作流程圖Fig.6 Workflow of system

節(jié)點(diǎn)通信即對(duì)子網(wǎng)中傳感器節(jié)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理過程主要分為3步:1）節(jié)點(diǎn)是否收到網(wǎng)關(guān)中LoRa集中器發(fā)送的數(shù)據(jù)指令。如檢測(cè)到數(shù)據(jù)，則會(huì)解析繼電器狀態(tài)，并執(zhí)行相應(yīng)設(shè)備操作以確保環(huán)境因子在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，同時(shí)會(huì)采集和回傳傳感器中新的數(shù)據(jù)至網(wǎng)關(guān)，否則會(huì)繼續(xù)等待定時(shí)時(shí)間；2）判斷設(shè)定的采集數(shù)據(jù)時(shí)間值。在系統(tǒng)程序中，將采集和回傳時(shí)間分別設(shè)定為200ms和250ms固定值，即每隔200ms會(huì)采集一次數(shù)據(jù)，每隔250ms會(huì)回傳一次數(shù)據(jù)；3）低功耗。為降低功耗，節(jié)點(diǎn)采用休眠設(shè)計(jì)，在定時(shí)時(shí)間未到時(shí)，節(jié)點(diǎn)的射頻芯片和傳感器等會(huì)進(jìn)入休眠低功耗狀態(tài)。

網(wǎng)關(guān)通信即對(duì)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸與處理，主要體現(xiàn)在兩方面:1）負(fù)責(zé)監(jiān)聽各終端子網(wǎng)上傳的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存入云平臺(tái)，客戶PC端從云平臺(tái)調(diào)用存入的數(shù)據(jù)，進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)操作；2）負(fù)責(zé)接收用戶PC端上位機(jī)經(jīng)云平臺(tái)發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過與MCU相連的LoRa通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至各子網(wǎng)。網(wǎng)關(guān)通信的工作流程如圖7所示。

4 測(cè)試與分析

為測(cè)試系統(tǒng)的通信效果，設(shè)定如下測(cè)試條件:

1）采用2個(gè)小型實(shí)驗(yàn)溫室組成溫室群并將其作為終端子網(wǎng)，采用1個(gè)LoRa模塊和1個(gè)NB-IoT模塊構(gòu)成網(wǎng)關(guān)，它們共同組成星型網(wǎng)絡(luò)，如圖8所示。

圖8 實(shí)物搭架測(cè)試圖Fig.8 Physical drawing of test

2）各子網(wǎng)內(nèi)含有溫濕度、光照度、土壤水分和CO2濃度4路傳感器節(jié)點(diǎn)和天窗、遮陽(yáng)網(wǎng)、熱風(fēng)機(jī)、循環(huán)風(fēng)機(jī)、噴霧加濕器、滴灌、補(bǔ)光燈、CO2發(fā)生器等8路執(zhí)行設(shè)備（用繼電器代替）。

3）租用谷雨云透徹平臺(tái)作為云端，購(gòu)買電信物聯(lián)網(wǎng)卡1張，將其綁定至云端建立連接，如圖9所示。

圖9 云平臺(tái)搭建圖Fig.9 Diagram of cloud platform

4）通信參數(shù)設(shè)定:LoRa模塊發(fā)射功率為100mW，覆蓋頻率為410MHz～441MHz，在程序中將傳感器采集數(shù)據(jù)的時(shí)間設(shè)為200ms，網(wǎng)關(guān)定時(shí)收發(fā)傳感器數(shù)據(jù)的時(shí)間設(shè)為100ms，定時(shí)上傳云服務(wù)器的時(shí)間設(shè)為250ms。

4.1 系統(tǒng)連通性和實(shí)時(shí)性測(cè)試

上電后，在上位機(jī)IP地址欄處輸入云端IP地址和端口號(hào)，點(diǎn)擊連接服務(wù)器，系統(tǒng)能顯示連接成功提示語(yǔ)，在終端設(shè)備頁(yè)面也能實(shí)時(shí)查看在兩個(gè)溫室內(nèi)所采集到的數(shù)據(jù)值，如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)連通性和實(shí)時(shí)性測(cè)試Fig.10 System connectivity and real-time testing

4.2 系統(tǒng)通信距離和可靠性測(cè)試

在測(cè)試兩個(gè)溫室間的通信距離時(shí)，選擇相對(duì)空曠的地帶進(jìn)行測(cè)試。將一個(gè)溫室固定，另一個(gè)溫室在每隔固定溫室500m的距離時(shí)通過串口數(shù)據(jù)調(diào)試窗口發(fā)送100個(gè)數(shù)據(jù)包，所得測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 通信測(cè)試數(shù)據(jù)Table 2 Test data of communication

實(shí)測(cè)結(jié)果表明，在發(fā)射功率為100mW時(shí)，測(cè)試距離在1.5km范圍內(nèi)幾乎無丟包現(xiàn)象；測(cè)試距離在2km～2.5km范圍內(nèi)，開始出現(xiàn)丟包現(xiàn)象；當(dāng)測(cè)試距離接近3km，丟包率已高達(dá)20%。但由于采取了獨(dú)立信道抗干擾和分時(shí)傳輸機(jī)制，確保了數(shù)據(jù)的有效傳輸。綜上所述，在相對(duì)空曠的地帶、發(fā)射功率為100mW的情況下，能保證至少2km的有效通信，系統(tǒng)具備功耗低、傳輸遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)可靠的通信能力。

5 結(jié)論

將LoRa技術(shù)和NB-IoT技術(shù)相結(jié)合并應(yīng)用于智慧溫室群遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了用戶與各溫室之間的通信，完成了用戶端遠(yuǎn)程監(jiān)控各溫室環(huán)境因子的功能。由測(cè)試結(jié)果可知，所構(gòu)建的通信模式具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、功耗低、距離遠(yuǎn)和數(shù)據(jù)傳輸可靠的優(yōu)勢(shì)，特別適用于溫室群的遠(yuǎn)程管理。不過由于以上數(shù)據(jù)是在較空曠的環(huán)境下獲得，在復(fù)雜環(huán)境下，類似系統(tǒng)還有較好的技術(shù)開發(fā)空間。