基于LoRa的蔬菜大棚遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

楊秀增 黃秀梅 宋俊慷 肖麗玲

（廣西民族師范學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成與應(yīng)用重點實驗室，廣西崇左 532200）

蔬菜最重要的營養(yǎng)作用是為身體提供VC、胡蘿卜素、礦物質(zhì)和膳食纖維。隨著生活水平的不斷提高，人們每天對新鮮蔬菜的需求量日益增大，傳統(tǒng)季節(jié)性蔬菜已無法滿足人們的需求[1-4]。依靠現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，大力推廣蔬菜大棚，大規(guī)模種植新鮮蔬菜，是目前現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢[5-6]。在蔬菜大棚中種植蔬菜，要實時監(jiān)測調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的溫度、濕度、光照強度、CO2濃度，從而獲得蔬菜的最佳生長條件，達到高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)和生態(tài)的目的。因此，根據(jù)蔬菜生長的最佳環(huán)境要求，開發(fā)蔬菜大棚實時在線自動化監(jiān)控設(shè)備，對提高蔬菜品質(zhì)和菜農(nóng)收益具有重要的現(xiàn)實意義[7-8]。

本文針對傳統(tǒng)有線監(jiān)測設(shè)備的缺點，設(shè)計一套物聯(lián)網(wǎng)蔬菜大棚實時在線遠程監(jiān)控系統(tǒng)。采用LoRa無線傳輸技術(shù)，實現(xiàn)蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)的長距離傳輸，把蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)通過自建的LoRa網(wǎng)絡(luò)傳回到集中器，集中器再通過RGPS網(wǎng)絡(luò)把節(jié)點數(shù)據(jù)傳到服務(wù)器，用戶可通過移動終端查看監(jiān)測數(shù)據(jù)和控制設(shè)備。該系統(tǒng)能真正實現(xiàn)蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)遠程監(jiān)控，提高蔬菜大棚管理水平。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

圖1為系統(tǒng)總體設(shè)計框圖。該設(shè)計由蔬菜大棚采集及發(fā)射終端、數(shù)據(jù)集中器、服務(wù)器和監(jiān)控數(shù)據(jù)中心四大部分組成。蔬菜大棚采集及發(fā)射終端由傳感器及驅(qū)動電路、單片機控制器和LoRa通信模塊組成。蔬菜大棚采集及發(fā)射終端被部署在蔬菜大棚內(nèi)，在終端上安裝溫度、濕度、光照強度、CO2濃度傳感器。在單片機的控制下，這些傳感器實時采集蔬菜大棚的環(huán)境參數(shù)。這些環(huán)境參數(shù)通過LoRa通信模塊發(fā)送到數(shù)據(jù)集中器。數(shù)據(jù)集中器是數(shù)據(jù)匯集中心，主要由LoRa通信模塊和STC15控制器、GPRS通信模塊組成。數(shù)據(jù)集中器中的LoRa通信模塊能與各蔬菜大棚中的節(jié)點LoRa通信模塊進行無線連接，組成一個星型無線通信網(wǎng)絡(luò)。STC15控制器是數(shù)據(jù)集中器的控制中心，負(fù)責(zé)星型無線通信網(wǎng)絡(luò)的建立和控制命令的發(fā)送。GPRS通信模塊負(fù)責(zé)與通信子網(wǎng)的連接與通信。

2 硬件設(shè)計

2.1 大棚采集終端硬件設(shè)計

該大棚采集終端硬件主要由STC15W 4K32S4單片機、RS232/485轉(zhuǎn)換電路、CO2傳感器、光照傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器、繼電器驅(qū)動電路、繼電器、輸入鍵盤、LoRa通信模塊、數(shù)碼管驅(qū)動電路、數(shù)碼管顯示模塊、光伏板組件、電源管理模塊和鋰電池等硬件組成。每個采集終端采用太陽能光伏板供電，當(dāng)白天太陽光充足時，光伏板組件產(chǎn)生的電能通過電源管理模塊被儲存在鋰電池中。單片機采用宏晶科技生產(chǎn)的高速單片機STC15W4K32S4芯片，該單片機內(nèi)置4個高速異步串口通信端口，能很好地滿足本設(shè)計要求。由圖2可知，UART0連接LoRa通信模塊用于蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)無線發(fā)送，UART1連接RS232/485轉(zhuǎn)換電路用于蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的采集，UART2連接數(shù)碼管驅(qū)動芯片的輸入端口用于蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)的顯示，輸入鍵盤用于設(shè)置蔬菜大棚的控制參數(shù)值。當(dāng)單片機讀到的蔬菜大棚當(dāng)前各項環(huán)境參數(shù)值與預(yù)設(shè)參數(shù)值不一致時，單片機啟動加濕機、風(fēng)機和卷簾機等調(diào)節(jié)設(shè)備進行調(diào)節(jié)。當(dāng)大棚內(nèi)CO2濃度高于CO2的設(shè)置值時，風(fēng)機被打開；當(dāng)大棚內(nèi)濕度低于濕度設(shè)置值時，加濕機被打開，加濕器對蔬菜大棚內(nèi)的空氣進行加濕。

2.2 數(shù)據(jù)集中器硬件電路設(shè)計

蔬菜大棚數(shù)據(jù)集中器主要由控制器、觸摸屏顯示器、MAX232接口、GPRS通信模塊、LoRa通信模塊等組成（圖3）。控制器采用高速單片機STC15W4K32S4。STC15W4K32S4單片機是宏晶公司2014年推出的1T單片機，工作電壓為2.5～5.5 V，具有工作穩(wěn)定、抗干擾強等特點。更為重要的是，STC15W4K32S4單片機內(nèi)置的外設(shè)資源豐富，具有4個全雙工異步串行通信口（UART）、7個定時器、8個脈寬調(diào)制器（PWM）、8路10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和1路SPI串行通信器。這些外設(shè)資源很適合開發(fā)本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集中器。STC15W4K32S4單片機的異步串行通信口UART0與MAX232接口芯片相連，能與PC機通信，主要用于程序下載和設(shè)備調(diào)試。STC15W4K32S4單片機異步串行通信口UART1與LoRa無線通信模塊輸入端相連，通過LoRa無線通信模塊能與大棚采集終端通信。STC15W4K32S4單片機異步串行通信口UART2與觸摸屏顯示器相連，用于顯示從大棚采集終端發(fā)回來的數(shù)據(jù)。STC15W4K32S4單片機異步串行通信口UART3與GPRS通信模塊相連，通過此模塊單片機把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)到數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。

3 軟件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)集中器程序設(shè)計

圖4為數(shù)據(jù)集中器主程序算法流程圖。當(dāng)單片機上電時，單片機開始執(zhí)行程序，設(shè)置好LoRa模塊的工作頻段和工作方式，建立LoRa無線網(wǎng)絡(luò)。打開異步串行通信口UART1，用于接收蔬菜大棚采集節(jié)點的發(fā)回數(shù)據(jù)。設(shè)置并啟動定時器1，當(dāng)定時時間到時，單片機執(zhí)行定時器1中斷服務(wù)子程序，向各蔬菜大棚采集節(jié)點周期性地發(fā)送器數(shù)據(jù)發(fā)回命令。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)回命令發(fā)送后，單片機執(zhí)行一段延時子程序，等待采集節(jié)點發(fā)回數(shù)據(jù)。延時程序執(zhí)行完成后，單片機查詢串口1在單片機延時等待這段時間內(nèi)是否接收到新的由蔬菜大棚采集節(jié)點發(fā)回的數(shù)據(jù)，如果有新的數(shù)據(jù)，單片機把接收到的數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)鏈表中；如果沒有收到新的數(shù)據(jù)，說明此蔬菜大棚采集節(jié)點出現(xiàn)故障。再判斷所有節(jié)點是否采集完成，如果所有采集節(jié)點采集完成，節(jié)點地址清零，微處理器把所有數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包形式通過GPRS通信模塊發(fā)送服務(wù)器，以便遠程用戶通過智能終端查詢、統(tǒng)計和分析。

3.2 蔬菜大棚采集終端程序設(shè)計

圖5為蔬菜大棚采集終端的主程序算法流程圖。當(dāng)單片機上電時，單片機首先執(zhí)行一段初始化程序，設(shè)置好LoRa通信模塊的工作頻段和工作模式，完成與數(shù)據(jù)集中器的無線連接，為無線通信做好準(zhǔn)備。執(zhí)行串口0初始化程序，允許串口0中斷，為接收數(shù)據(jù)集中器數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備。啟動定時器T0，為周期性采集蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)做好準(zhǔn)備。此時單片機判斷定時器T0定時是否達到，如果達到，單片機設(shè)置數(shù)據(jù)采集事件，讓單片機執(zhí)行數(shù)據(jù)采集程序，讀取蔬菜大棚中每個傳感器的值，并把讀到的數(shù)據(jù)存放在單片機內(nèi)存中。讀取參數(shù)完成之后，單片機設(shè)置設(shè)備工作狀態(tài)更改事件，讓單片機執(zhí)行設(shè)備狀態(tài)更改程序，單片機根據(jù)讀到的蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)值，與預(yù)設(shè)值進行比較，依據(jù)比較結(jié)果，打開相應(yīng)的蔬菜大棚內(nèi)的設(shè)備工作，調(diào)節(jié)蔬菜大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)達到最佳。之后，單片機查詢串口0的數(shù)據(jù)接收鏈表中是否有從數(shù)據(jù)集中器發(fā)來的發(fā)送數(shù)據(jù)命令。如果收到該命令，單片機把蔬菜大棚的環(huán)境參數(shù)以數(shù)據(jù)包的形式通過LoRa無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)集中器。

4 系統(tǒng)測試

為了驗證系統(tǒng)性能，根據(jù)以上技術(shù)方案完成樣機設(shè)計，傳感器都選用普銳森社傳感器，這些傳感器采用485標(biāo)準(zhǔn)ModBus-RTU通信協(xié)議，其通信地址及波特率可通過官方提供的上位機參數(shù)設(shè)定程序設(shè)置，具有工作穩(wěn)定、精度高、外殼防護等級高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)大棚、花卉培養(yǎng)溫室、農(nóng)業(yè)大田、電子設(shè)備生產(chǎn)線等。試制的樣機上電后，打開手機中安裝好的本系統(tǒng)App程序，樣機工作穩(wěn)定之后，對顯示的界面進行截圖。圖6為數(shù)據(jù)集中器LCD上看到的蔬菜大棚發(fā)回的數(shù)據(jù)界面。此外，在手機App界面可看到蔬菜大棚0#的1 h內(nèi)濕度變化情況。

5 結(jié)語

隨著生活水平的提高，人們對新鮮蔬菜的需求量很大，傳統(tǒng)人工栽培蔬菜的方式已無法適應(yīng)新形勢的發(fā)展需求，因而蔬菜大棚具有很大的應(yīng)用前景。本文利用現(xiàn)代自動控制技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計一套物聯(lián)網(wǎng)蔬菜大棚實時在線遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)的自動采集、傳輸以及環(huán)境參數(shù)的自動調(diào)節(jié)和遠程實時監(jiān)控，大幅減少人工參與，減輕菜農(nóng)工作量，有利于提高菜農(nóng)的經(jīng)濟效益。