基于LoRa技術(shù)的溫室群遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

萬 云，蔣 陽

(1.重慶城市職業(yè)學院 信息與智能工程系，重慶402160；2.重慶大學 通信工程學院，重慶 400030)

0 引 言

如何在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)上提升農(nóng)作物的品質(zhì)和產(chǎn)量，智能溫室已成為有效途徑之一[1]。目前市場上已有一些智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)的解決方案，主要體現(xiàn)在有線控制和無線控制兩類。文獻[1,2]中采用以PLC為核心的有線控制方案，此類方案抗干擾性強，但存在布線困難、施工復(fù)雜、投入成本高等問題；文獻[3-6]中利用GPRS、ZIGBEE、WIFI等技術(shù)完成對溫室現(xiàn)場農(nóng)作物生長環(huán)境的無線監(jiān)測與控制，此類方案解決了有線傳輸?shù)谋锥耍廊淮嬖趥鬏斔俾瘦^慢、距離近、功耗高、易干擾、組網(wǎng)復(fù)雜等缺點[6]。且它們共同存在一個問題是只能對單個溫室實現(xiàn)監(jiān)控，若對于有2個或2個以上的溫室組成的溫室群則無法完成監(jiān)控。

通過以上無線溫室監(jiān)控系統(tǒng)的探索，借鑒前人的研究經(jīng)驗，本文設(shè)計了一種基于LoRa技術(shù)的智慧溫室群遠程監(jiān)控系統(tǒng)，它以STM32F103C8T6單片機為核心器件，采用低功耗、可遠距離傳輸?shù)腁TK-LoRa-01 SX1278無線模塊和NB-IOT模塊共同完成無線通信，實現(xiàn)溫室群中各參數(shù)的可靠傳輸與實時監(jiān)控。

1 系統(tǒng)功能分析

該系統(tǒng)需實現(xiàn)對溫室群(至少2個溫室，各溫室間距離在2 KM范圍內(nèi))的遠程監(jiān)測和控制，能遠程監(jiān)測各溫室內(nèi)光照度、溫濕度、CO2濃度和土壤水分等環(huán)境因子，并能通過PC端遠程顯示各環(huán)境因子實時值，當值超過正常范圍后，能自動控制或通過PC終端手動控制溫室內(nèi)風機、滴灌、補光燈、噴霧加濕器等設(shè)備，確保溫室內(nèi)各環(huán)境參數(shù)一直在有效范圍內(nèi)，以此增加農(nóng)作物產(chǎn)量，促進現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

為了實現(xiàn)以上功能，設(shè)計了該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架(本文采用2個溫室)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

該系統(tǒng)將溫室群中的各溫室定義為節(jié)點，每個溫室通過采集模塊中的傳感器分別采集室內(nèi)光照、溫濕度、CO2濃度和土壤水分的值，經(jīng)MCU處理后傳送給各節(jié)點的LoRa模塊，再經(jīng)LoRa自組網(wǎng)協(xié)議傳至由LoRa、MCU和NB共同構(gòu)成的網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)處理，最后經(jīng)云端透傳至用戶PC端上位機。上位機可根據(jù)所得值自動或手動控制溫室中的遮陽網(wǎng)、風機、補光燈、天窗、滴灌、CO2發(fā)生器等執(zhí)行設(shè)備，以確保溫室內(nèi)各環(huán)境因子值在有效范圍內(nèi)。

2 功能實現(xiàn)與電路設(shè)計

2.1 控制芯片MCU

基于以上功能分析，本系統(tǒng)共需3塊控制芯片完成整個控制，由于溫室遠程監(jiān)控為戶外監(jiān)控，其控制芯片要求具備運算速度高、功耗低、性能要求較高等特點，加之采集CO2濃度、土壤水分以及LoRa模塊需進行串口傳輸，由文獻[7]可知，單片機STM32F103C8T6符合要求，且價格較為適中，因此該系統(tǒng)將STM32F103C8T6作為核心控制芯片。同時為使該微控制器穩(wěn)定工作和后期調(diào)試，設(shè)計了晶振電路和燒寫程序插針口。

2.2 通信模塊

該系統(tǒng)所有設(shè)備均采用無線方式實現(xiàn)通信，它由ATK-LoRa-01模塊和NB100模塊構(gòu)成。ATK-LoRa-01是ALIENTEK公司推出的一款低功耗、體積小、微功率、高性能遠距離LoRa無線串口模塊，最遠距離可達3 KM，其采用高效的ISM頻段射頻SX1278擴頻芯片，工作頻率在410 Mhz-441 Mhz免費頻段[8,9]。而NB100模塊是NBIOT產(chǎn)品中的一種，它自身已集成了電源、SIM卡座、天線、ESD防護等電路，上電即可使用[10]。

ATK-LoRa-01實現(xiàn)的是節(jié)點間與網(wǎng)關(guān)通信，NB100實現(xiàn)的是網(wǎng)關(guān)與云端的通信。無論是LoRa模塊還是NB100模塊，他們要正常通信，就必須與MCU直連，才能實現(xiàn)對數(shù)據(jù)有效處理。根據(jù)傳輸原理，設(shè)計時只需直接引出ATK-LoRa-01模塊的串口收發(fā)引腳RX和TX、NB100模塊的收發(fā)引腳RXD和TXD分別接至MCU的PA9、PA10和PB10、PB11腳即可。

2.3 采集模塊

該系統(tǒng)中需要采集溫室內(nèi)環(huán)境因子有：光照度、溫濕度、CO2濃度和土壤水分，因此需要用到對應(yīng)的傳感器，這些傳感器一起構(gòu)成了采集模塊，他們將所采集到的信息傳送給MCU進行處理，其電路設(shè)計如圖2所示。

光照傳感器采用的是BH1750，如圖2(a)所示，具有測量范圍廣(在1-65535LX之間)，光譜范圍接近人眼，對光源依賴性不大，受紅外線影響小，工作溫度范圍大等優(yōu)點[11]。該傳感器共有VCC、SCL、SDA、ADDR和GND這5個接口(即圖2(a)中5至1口)，分別表示接3 V-5 V電源，IIC總線時鐘線、IIC總線數(shù)據(jù)線、IIC地址引腳和接地。在該系統(tǒng)中，此傳感器電源采用了接3.3 V直流電，SCL時鐘線和SDA數(shù)據(jù)線分別接至MCU中的PB8和PB9。

溫濕度傳感器采用的是DHT11，它有4引腳，分別接至3.3 V電壓、MCU的PA11、懸空和GND端。如圖2(b)所示，其濕度測量范圍在20%-90%RH之間，溫度測量范圍在0 ℃-50 ℃之間，溫濕度的分辨率在1個單位，采樣周期為1 s，能夠滿足系統(tǒng)的采集要求[12]。該傳感器采用校驗和的方式進行數(shù)據(jù)校驗，一次性可將40 bit濕度和溫度數(shù)據(jù)傳輸給單片機。傳輸格式為：8 bit濕度數(shù)據(jù)(整數(shù)部分)+8 bit濕度數(shù)據(jù)(小數(shù)部分)+8 bit溫度數(shù)據(jù)(整數(shù)部分)+8 bit溫度數(shù)據(jù)(小數(shù)部分)+8 bit校驗和；其中校驗和數(shù)據(jù)為前4個字節(jié)相加。

圖2 采集模塊電路設(shè)計

例如：某次從傳感器中讀取見表1。

表1 溫濕度傳感器DHT11數(shù)據(jù)處理值計算方法

由以上數(shù)據(jù)就可得到濕度和溫度的值，計算方法：

濕度=byte4. byte3=44.0 (%RH)

溫度=byte2. byte1=20.0 (0C)

校驗=byte4+byte3+byte2+byte1=64(=濕度+溫度)(即校驗正確)

CO2濃度傳感器采用的是MH-Z19，其利用非色散紅外(NDIR)原理對空氣中存在的CO2進行探測，具有高靈敏度、高分辨率、低功耗、抗水氣干擾、優(yōu)異的穩(wěn)定性和可溫度補償?shù)葍?yōu)點[13]。該傳感器有兩種讀取數(shù)據(jù)形式，即PWM輸出和串口輸出[14]。其中PWM輸出的算法如下

式中：Cppm——通過計算得到的CO2濃度值，單位為ppm；TH——1個輸出周期中輸出為高電平的時間；TL為——1個輸出周期中輸出為低電平的時間。

串口輸出是將傳感器Vin端接5 V，GND端接地，MCU的RXD 端接傳感器的TXD，MCU的TXD端接傳感器的RXD。這樣就可通過傳感器的UART接口直接讀出氣體濃度值。本系統(tǒng)采用此種讀取形式，如圖2(c)所示，所示，直接將傳感器的2、3號引腳接至MCU的PA9和PA10。

土壤水分傳感器485型PR-3000-TR-N01，該傳感器的水分測量范圍在0-100%之間，具有響應(yīng)快，精度高，受土壤含鹽量影響較小和輸出穩(wěn)定等特點，適用于各種土質(zhì)，并可長期埋入土壤中，耐長期電解，耐腐蝕，抽真空灌封，完全防水[15]。由于該傳感器為485型，需外接RS-485收發(fā)器才能正常獲取采集數(shù)據(jù)，因此在傳感器和MCU之間加了SP3485收發(fā)器來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。根據(jù)管腳定義，如圖2(d)中將6、7腳引出至P6端子口，分別接傳感器的RS485-A和RS485-B即可，接收器輸出使能端RE腳接至MCU的PA0腳。

2.4 驅(qū)動模塊

驅(qū)動模塊作用是為了讓溫室內(nèi)環(huán)境因子始終控制在有效范圍內(nèi)而驅(qū)動執(zhí)行設(shè)備。在該監(jiān)控系統(tǒng)中，為了讓室內(nèi)環(huán)境因子維持在一定范圍內(nèi)，設(shè)計了8路驅(qū)動，分別是驅(qū)動天窗、遮陽網(wǎng)、熱風機、循環(huán)風機、噴霧加濕器、滴灌、補光燈、CO2發(fā)生器等8個設(shè)備。每路驅(qū)動原理一致，均采用控制繼電器的方式對其驅(qū)動。

3 軟件設(shè)計

3.1 通信協(xié)議的設(shè)計

通信協(xié)議是保證收發(fā)雙方能夠可靠通信的約定，該設(shè)計中采用定時收發(fā)自組協(xié)議的方式進行，在采集環(huán)境因子實時值時，上位機會定時通過網(wǎng)關(guān)下發(fā)指令給各采集節(jié)點，采集節(jié)點會按照定義好的數(shù)據(jù)幀協(xié)議上傳給網(wǎng)關(guān)[16,17]。

根據(jù)SX1278解析數(shù)據(jù)時間開銷及系統(tǒng)實時性響應(yīng)要求，其讀寫各子節(jié)點的數(shù)據(jù)幀由幀頭、節(jié)點地址、數(shù)據(jù)域、幀尾組成，該幀中數(shù)據(jù)域包含有空氣濕度、溫度、土壤水分、光照度和CO2濃度等值，其中光照度和CO2濃度占2個字節(jié)，其它均為1個字節(jié)，其格式見表2。

表2 LoRa節(jié)點采集數(shù)據(jù)幀格式

該數(shù)據(jù)幀中，幀頭幀尾分別固定為9AH和FFH，表示一個完整的數(shù)據(jù)起始；節(jié)點設(shè)備號表示各溫室中采集節(jié)點的編號，本系統(tǒng)中有2個溫室，即用01H和02H分別表示2個溫室節(jié)點號。

3.2 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)功能是定時收發(fā)(預(yù)設(shè)100 ms)各溫室節(jié)點的數(shù)據(jù)，對其組網(wǎng)后將數(shù)據(jù)定時(預(yù)設(shè)250 ms)上傳至云端服務(wù)器。主程序中，初始化成功后，當查詢到UART或LoRa數(shù)據(jù)時，網(wǎng)關(guān)中的NBIOT模塊會判斷自身是否收到服務(wù)器或者集中器的數(shù)據(jù)，如果收到則會對數(shù)據(jù)進行解析并記錄狀態(tài)值，如果未收到數(shù)據(jù)，則會向集中器發(fā)送指令，查詢LoRa集中器是否收到數(shù)據(jù)，若在集中器中收到數(shù)據(jù)，會將對應(yīng)的數(shù)據(jù)賦值給NBIOT中對應(yīng)的變量，若仍未收到數(shù)據(jù)，則會繼續(xù)往下一級LoRa節(jié)點發(fā)送指令，同理查詢定時時間是否到，若到定時值也有數(shù)據(jù)，則將繼電器狀態(tài)放入發(fā)送數(shù)組發(fā)送給NBIOT模塊，若到定時值但無數(shù)據(jù)，則會檢查NBIOT上的定時是否到時間值，若到時間，則會繼續(xù)將繼電器狀態(tài)往上級發(fā)送，直至NBIOT收到數(shù)據(jù)為止。網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計流程如圖3所示。

圖3 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計流程

3.3 節(jié)點軟件設(shè)計

節(jié)點主要是完成各溫室中環(huán)境因子數(shù)據(jù)的采集，將采集的數(shù)據(jù)通過自組LoRa協(xié)議進行上傳，且及時接收網(wǎng)關(guān)中LoRa集中器的指令。

主程序中，當查詢到UART或者LoRa數(shù)據(jù)符合協(xié)議時，節(jié)點會判斷是否收到集中器數(shù)據(jù)，若收到則會解析執(zhí)行模塊中繼電器的狀態(tài)，并根據(jù)狀態(tài)信息驅(qū)動開關(guān)和回傳最新的傳感器采集數(shù)據(jù)，再繼續(xù)判斷定時采集時間(預(yù)設(shè)200 ms)是否到時；若未收到，則會直接判斷定時采集傳感器是否到200 ms，若到定時值，則采集相應(yīng)傳感器的值，若未到定時值，則節(jié)點處于休眠狀態(tài)，等待下次協(xié)議指令的到來。其節(jié)點軟件工作流程如圖4所示。

圖4 節(jié)點軟件設(shè)計流程

3.4 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件設(shè)計主要包含有下行指令的處理、上行數(shù)據(jù)的處理。上位機軟件設(shè)計均采用事件方式處理，網(wǎng)關(guān)初始化Socket對應(yīng)的事件，與云平臺服務(wù)器建立連接[18,19]。

在下行指令的處理過程中，按照通信協(xié)議，通過PC端監(jiān)控界面發(fā)送操控指令給云平臺服務(wù)器，云平臺服務(wù)器對指令進行解析并將控制包下發(fā)給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)的MCU再根據(jù)通信協(xié)議解析，解析后的新指令包繼續(xù)下發(fā)至LoRa集中器，集中器再根據(jù)協(xié)議配置給各節(jié)點，同時將配置成功的信息反饋回PC端監(jiān)控界面。

而在上行數(shù)據(jù)處理過程中，云平臺服務(wù)器通過網(wǎng)關(guān)一直處于偵聽數(shù)據(jù)狀態(tài)，一是不斷偵聽從節(jié)點終端、集中器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存入云端平臺的服務(wù)器中；二是要不斷偵聽從PC端向云端服務(wù)器發(fā)出的數(shù)據(jù)讀取請求，服務(wù)器響應(yīng)請求并訪問服務(wù)器讀取相應(yīng)的值，將數(shù)據(jù)發(fā)送至前端進行實時顯示。其軟件設(shè)計流程如圖5所示。

4 系統(tǒng)實驗與結(jié)果

4.1 實驗條件設(shè)定

為驗證系統(tǒng)遠程通信、在溫室群中各溫室間最大通信距離、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、PC端監(jiān)控界面可操作性等，將設(shè)計好的系統(tǒng)如圖6所示布局。

同時設(shè)定實驗條件如下：

(1)溫室群中有兩個溫室，即2路節(jié)點，為更好測試兩個溫室間最大通信距離，假定一路節(jié)點為固定狀態(tài)，一路節(jié)點為可移動狀態(tài)；

圖5 上位機軟件設(shè)計流程

圖6 系統(tǒng)節(jié)點布局

(2)每個溫室節(jié)點中配有相同的光照度、溫濕度、CO2濃度和土壤水分4種傳感器；

(3)兩個節(jié)點和網(wǎng)關(guān)中LoRa模塊發(fā)射功率均為100 mW，覆蓋頻率均為410 MHz-441 MHz；

(4)在程序中，兩個節(jié)點中傳感器采集數(shù)據(jù)時間均預(yù)設(shè)為200 ms，網(wǎng)關(guān)定時收發(fā)節(jié)點數(shù)據(jù)時間預(yù)設(shè)為100 ms，定時上傳至云端服務(wù)器時間預(yù)設(shè)為250 ms。

4.2 系統(tǒng)遠程通信測試

通信的成功與否是實現(xiàn)溫室群遠程監(jiān)控的第一步，將兩大節(jié)點和網(wǎng)關(guān)均上電，在上位機輸入云端IP地址和端口號，點擊上位機“連接服務(wù)器”，即可顯示通信連接成功提示，且能收到云端發(fā)送的兩個節(jié)點數(shù)據(jù)，表示上位機與云端已成功建立連接；同時在云端也能接收到兩個節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)信息和上位機傳送回的數(shù)據(jù)，如圖7所示。此時表明兩個節(jié)點、網(wǎng)關(guān)、上位機已經(jīng)成功建立了通信，實現(xiàn)了遠程連接。

4.3 溫室間通信距離的測試

為了準確測試兩個溫室間距離在2 KM范圍內(nèi)能正常通信，在實驗過程中將一路節(jié)點固定放重慶城市職業(yè)學院物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)推廣中心的實驗溫室中，另一路節(jié)點分別從相對空曠區(qū)域每隔500 m直線距離模擬測試一次，所測數(shù)據(jù)見表3。

從測試結(jié)果看，在2.5 KM范圍內(nèi)的兩個溫室互相通信成功率極高，能滿足系統(tǒng)設(shè)計需求，也表明在2.5 KM直徑范圍內(nèi)的溫室群均能正常通信，只需將溫室間數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送到云端后，就能實現(xiàn)對溫室群的遠程監(jiān)控。

圖7 系統(tǒng)遠程通信測試結(jié)果

表3 溫室間通信距離的測試結(jié)果

4.4 數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性測試

經(jīng)過在谷雨云透傳平臺的數(shù)據(jù)調(diào)試，在通信距離為1000 m、1500 m、2500 m時系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)見表4。

表4 數(shù)據(jù)傳輸實時性和可靠性測試結(jié)果

從表4分析可知，該系統(tǒng)在溫室間通信距離2500 m時的誤碼率為

即傳輸10 000個字符時可能出現(xiàn)3字符錯誤信息，能夠滿足監(jiān)測需求；

同時從表中可知，從1500 m時有數(shù)據(jù)延時現(xiàn)象發(fā)生，隨著距離的增加，數(shù)據(jù)延時現(xiàn)象較多，但在系統(tǒng)性能允許范圍之內(nèi)。

4.5 PC端監(jiān)控界面可操作性測試

為了方便農(nóng)戶遠程實時監(jiān)控溫室群，為該系統(tǒng)設(shè)計了如下監(jiān)控界面，如圖8所示。在該監(jiān)控界面，只需輸入云端服務(wù)器IP地址和端口號，即可實時觀測兩個溫室中各環(huán)境因子的值，并能實時觀測各執(zhí)行設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)，同時還可方便地手動設(shè)置溫室中所監(jiān)測對象的范圍及調(diào)控溫室內(nèi)各執(zhí)行設(shè)備。

圖8 遠程PC端監(jiān)控界面

5 結(jié)束語

本文從實際應(yīng)用出發(fā)，根據(jù)現(xiàn)代化溫室群監(jiān)控的需要，設(shè)計了一種基于LoRa技術(shù)的智能溫室群遠程監(jiān)控系統(tǒng)。從實驗結(jié)果可知，該系統(tǒng)在具備無線遠程通信、實時可靠等功能的基礎(chǔ)上，還具備低功耗、易操作、可遠距離同時監(jiān)控溫室群(2 KM范圍內(nèi)的多個溫室)的特點。

由于以上實驗均是在較空曠地帶臨時所測，因此在未來的設(shè)計中，還需在更加復(fù)雜環(huán)境中對系統(tǒng)進行測試與改進，復(fù)雜環(huán)境中溫室群的智能監(jiān)控將是下一步研究的重點。