基于LoRa的農(nóng)業(yè)大棚無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計探究

郝 兵

（河套學院，內(nèi)蒙古自治區(qū) 巴彥淖爾 015000）

溫濕度會影響到農(nóng)作物的產(chǎn)量與質(zhì)量，為此應(yīng)該加大對農(nóng)業(yè)大棚溫濕度的監(jiān)測力度，才能保障大棚中農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。利用LoRa技術(shù)可以延長通信距離，提高農(nóng)業(yè)大棚溫濕度監(jiān)測效果，因此，在設(shè)計農(nóng)業(yè)大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)時可以充分應(yīng)用LoRa技術(shù)，準確及時地檢測大棚中的溫濕度。

1 相關(guān)概念分析

1.1 LoRa技術(shù)的概念

LoRa技術(shù)是由Semtech公司研發(fā)的，又被稱之為遠距離無線電，具有距離長、容量大、功耗低等特點。以LoRa技術(shù)為基礎(chǔ)的低功率廣域網(wǎng)解決方案由兩部分構(gòu)成，一是以Chirp擴頻為基礎(chǔ)的調(diào)制方案，二是LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[1]。其中，寬帶性調(diào)頻脈沖在Chirp擴頻調(diào)制中發(fā)揮著重要作用，其頻率的改變與編碼信息的含量有關(guān)。在二進制Chirp調(diào)制中，可以利用調(diào)制器調(diào)整數(shù)據(jù)。

式中，Es——s（t）在信號持續(xù)過程中的能量，fc——載波頻率，u——峰-峰頻率偏差，w——掃描的寬度[2]。

LoRa技術(shù)可以有效支持可變與自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率，在實現(xiàn)寬帶恒定的同時實現(xiàn)功耗與范圍以及穩(wěn)定性之間的平衡。

1.2 無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的概念

溫濕度檢測系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)大棚中的應(yīng)用是為提高農(nóng)作物的產(chǎn)量與質(zhì)量而檢測農(nóng)業(yè)大棚中的溫度與濕度，并通過有效措施調(diào)節(jié)溫度與濕度的系統(tǒng)。溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)主要包括無線電溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)型溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)以及485型溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)等，其中無線電溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)是當無線溫濕度傳感器監(jiān)測到溫度與濕度后，通過無線電將溫濕度參數(shù)傳輸至無線電環(huán)境監(jiān)控主機中，當環(huán)境監(jiān)控主機接收到信息后，將信息傳輸至網(wǎng)絡(luò)上[3]。

2 基于LoRa農(nóng)業(yè)大棚無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計策略

2.1 系統(tǒng)總設(shè)計

基于LoRa技術(shù)的農(nóng)業(yè)大棚無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)主要由3部分構(gòu)成，分別是LoRa網(wǎng)關(guān)、LoRa節(jié)點以及智能手機，具體結(jié)構(gòu)見圖1。LoRa的節(jié)點分布在大棚各處，可以感知到相應(yīng)位置的溫度與濕度，并將數(shù)據(jù)信息傳輸至LoRa網(wǎng)關(guān)。所有節(jié)點以電池作為電源，無需外接電源的支持，且對具體的擺放位置沒有嚴格的要求，布設(shè)較為簡單，各個節(jié)點之間無法直接通信，不會出現(xiàn)相互干擾的情況[4]。而LoRa網(wǎng)關(guān)可以管理各個LoRa節(jié)點，接收各個節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，并對數(shù)據(jù)信息進行處理與轉(zhuǎn)發(fā)。LoRa支持3種通信方式，即藍牙、WiFi以及以太網(wǎng)。在農(nóng)業(yè)大棚中，可以使用藍牙連接智能手機。智能手機可以展示所有的數(shù)據(jù)信息，這樣種植者就可以直接利用手機查詢各個大棚、各個節(jié)點的溫度與濕度等信息。

圖1 基于LoRa技術(shù)的農(nóng)業(yè)大棚無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of wireless temperature and humidity monitoring system for agricultural greenhouse based on Lora technology

2.2 系統(tǒng)平臺設(shè)計

2.2.1 設(shè)計系統(tǒng)硬件

（1）LoRa溫濕度節(jié)點硬件設(shè)計。LoRa溫濕度節(jié)點硬件的設(shè)計工作較為繁雜，包括諸多內(nèi)容，例如單片機、模塊與傳感器的設(shè)計（見圖2）。首先，設(shè)計人員需根據(jù)實際需求選擇單片機作為微控制模塊，例如可以選擇能耗低、成本低、簡易可控以及接口齊全的單片機，優(yōu)化設(shè)計[5]。其次，設(shè)計人員需科學選擇溫濕度傳感器，例如SHT20芯片，該傳感器的溫度測量范圍較大，在-20℃～60℃，精度±0.5℃，濕度的測量范圍在0%～100%，精度±3%，符合農(nóng)業(yè)大棚的溫濕度監(jiān)測要求。此外，LoRa模塊需要選擇SX1276芯片，并利用SPI通信實現(xiàn)該芯片與單片機之間的通信。

圖2 LoRa溫濕度節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 The hardware structure of Lora temperature and humidity node

（2）LoRa網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計。LoRa網(wǎng)關(guān)需要收集數(shù)據(jù)信息并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)信息，其原理見圖3。

圖3 LoRa網(wǎng)關(guān)原理Fig.3 The principle of Lora gateway

設(shè)計人員需選擇5 V適配器當作電源模塊，利用低能耗芯片STM32L152RET6，該芯片處理器的工作頻率可以達到32 MHz，閃存為512 KB。同時，也需要利用SX1276芯片實現(xiàn)與各個LoRa節(jié)點之間的通信。

2.2.2 設(shè)計系統(tǒng)軟件

（1）通信協(xié)議的制定。LoRa節(jié)點只能感知大棚中的溫度與濕度等信息，若想傳輸數(shù)據(jù)還需要LoRa網(wǎng)關(guān)通信的支持，而LoRa網(wǎng)關(guān)也需要將數(shù)據(jù)信息都傳輸至智能手機中，所以需要科學設(shè)計通信協(xié)議。LoRa節(jié)點與LoRa網(wǎng)關(guān)的通信協(xié)議幀格式見表1。

表1 LoRa網(wǎng)關(guān)通信協(xié)議幀格式Tab.1 The frame format of Lora gateway communication protocol

（2）嵌入式軟件設(shè)計。LoRa網(wǎng)關(guān)連接電源且初始化后可以連接藍牙，對環(huán)境的空閑信道進行掃描，之后將掃描信息傳輸至智能手機。LoRa網(wǎng)關(guān)收到智能手機app端用戶選用的空閑通信信道與節(jié)點個數(shù)的配置后，可以通過廣播進行信息的轉(zhuǎn)發(fā)，節(jié)點便會收到信息并分析數(shù)據(jù)，切換信道，明確時隙。當節(jié)點在自身時隙為網(wǎng)關(guān)傳輸數(shù)據(jù)后，網(wǎng)關(guān)就會向節(jié)點回復ACK，如果節(jié)點接到回復的話就會休眠，但如果沒有接收到回復就會再次發(fā)送，若仍然沒有接到就會停止發(fā)送，并直接休眠。

（3）安卓app軟件設(shè)計。當手機app啟動之后會自動連接LoRa網(wǎng)關(guān)的藍牙，當LoRa網(wǎng)關(guān)明確藍牙連接后就會查詢空閑信道，并將結(jié)果傳輸至app。當app接收到信息后，就會展示信息，用戶就可以進行信道的選擇，也可以配置節(jié)點編號與位置，并通過app將信息傳輸至網(wǎng)關(guān)。

2.3 系統(tǒng)測試與性能分析

（1）測試通信距離。可以在某高層建筑中測試系統(tǒng)的通信距離。已知節(jié)點的發(fā)射功率是20 dBm，寬帶是125 kHz，LoRa節(jié)點會周期性地為網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)信息，可以發(fā)現(xiàn)在不同的擴頻因子下，節(jié)點的丟包率不同。當擴頻因子＞10且節(jié)點在較高的樓層時，節(jié)點的丟包率就比較大，而當擴頻因子＜10時，無論節(jié)點位于哪里，節(jié)點的丟包率都比較小，所以該系統(tǒng)的覆蓋范圍較為廣泛，且具有較強的抗干擾能力，符合大棚的通信距離要求[6]。

（2）測試節(jié)點能耗。已知節(jié)點的發(fā)射功率為20 dBm，寬帶為125 kHz，溫濕度節(jié)點的上傳數(shù)據(jù)周期為5 min，可以發(fā)現(xiàn)當擴頻因子越大，節(jié)點能耗就越大。

3 結(jié)語

應(yīng)用LoRa技術(shù)設(shè)計農(nóng)業(yè)大棚無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)可以降低成本和能耗，擴大覆蓋面，有利于為農(nóng)作物的生長提供良好的環(huán)境。為此，應(yīng)該利用LoRa技術(shù)進行系統(tǒng)總設(shè)計、系統(tǒng)平臺設(shè)計、系統(tǒng)測試與性能分析，完善溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的功能。