基于LoRa與MQTT通信的智慧富硒茶園環境信息智能監測系統

蔡紹博 蔡紹碩 張 軍 夏志波

1.長江大學園藝園林學院 湖北荊州 434025；2.武漢市春曉曲農業科技有限公司 湖北武漢 430211；3.青島海紋智慧農業科技有限公司 山東青島 266001；4.武漢菜佰仟數字農業科技有限公司 湖北武漢 430074；5.武漢建春科技有限公司 湖北武漢 430074

在傳統的種植業中，很少有過多的對種植環境參數進行關注，更多的是依靠種植者多年種植經驗來進行判斷，但隨著科技的進步，通過人工經驗來判斷種植業的種植環境就變得不是很可靠了。更多的是根據環境參數來進行監測，利用傳感器以及無線傳感網絡來實現種植環境參數的采集以及傳輸。本文設計了一種基于LoRa與MQTT通信的智慧富硒茶園環境信息智能監測系統，利用LoRa通信網絡、傳感器以及MQTT協議來實現數據采集與云端通信，來實現富硒茶園環境信息的智能監測。

一、富硒茶園環境信息智能監測系統的技術分析

需要實現基于LoRa與MQTT通信的智慧富硒茶園環境信息智能監測系統，首先需要進行環境參數的檢測，檢測節點以STM32F103C8T6微控制器的單片機作為終端的核心，通過傳感器來采集富硒茶園的環境參數，傳感器檢測的參數包括土壤溫濕度、土壤pH值、空氣溫濕度和光照度。檢測節點采集到環境參數之后，通過LoRa網絡實現無線通信，實現多個LoRa終端節點接入LoRa網關節點，進行多節點的環境參數采集。LoRa網關通信模塊在接收到終端節點發送的環境參數之后，將參數發送到LoRa通信網絡的網關節UG87-LoRa網關，UG87-LoRa網關通過搭載的網絡通信模塊以及MQTT協議，將獲取到的環境參數發送到云端平臺，用戶通過終端設備訪問云平臺，實現智慧富硒茶園環境信息的智能監測。

二、富硒茶園環境信息智能監測系統的整體設計

整個系統的構成包括四個部分：檢測節點、網關節點、云平臺以及客戶端，如圖1所示，具備以下功能：

(一)實時監測

根據智慧富硒茶園環境信息智能監測系統的要求，需要檢測的環境參數有土壤墑情和大氣環境，主要包括：土壤溫濕度、土壤pH值、空氣溫濕度和光照度，在傳感器檢測到數據之后，將數據實時發送到云平臺實現實時監測。

(二)多節點采集

根據智慧富硒茶園環境信息智能監測系統的要求，大規模茶園環境監測需要多個檢測節點，網關節點和終端節點之間采用LoRa無線傳感網絡進行數據傳輸，采用一對多的模式，實現多節點采集。

(三)MQTT協議傳輸

根據智慧富硒茶園環境信息智能監測系統的要求，網關節點與One NET云平臺之間的數據傳輸采用MQTT通信協議，數據協議采用OneJson。MQTT協議是一個面向物聯網應用的即時通信協議，使用TCP/IP提供網絡連接，采用發布/訂閱(Pub/Sub)模式，通過連接服務器、訂閱和發布主題來實現傳統設備和MQTT云端的聯系。

(四)云平臺數據顯示

根據智慧富硒茶園環境信息智能監測系統的要求，利用One NET云平臺，One NET是由中國移動打造的PaaS物聯網開放平臺，平臺能夠實現設備接入與設備連接。網關節點設備完成接入，將終端節點檢測到的數據發送到云平臺。

(五)客戶端數據顯示

根據智慧富硒茶園環境信息智能監測系統的要求，客戶端需要實現富硒茶園環境信息的實時監測，通過Internet訪問One NET云平臺，進行茶園環境參數的監測，并且通過爬蟲程序將數據爬取，存儲在本地數據庫中，再對本地數據庫進行數據處理，將參數轉化為可以直接觀測的圖形。

圖1 智慧富硒茶園環境信息智能監測系統

檢測節點硬件設計采用STM32F103C8T6微控制器的單片機作為終端的核心，如圖2所示。整個檢測節點利用電池模塊進行供電，摒棄了傳統的電源布線供電，整個系統更為簡潔，供電電壓為2～3.6V。利用傳感器檢測富硒茶園環境參數，包括土壤墑情和大氣環境，土壤墑情需要檢測的參數有土壤溫度、土壤濕度和土壤pH值，大氣環境需要檢測的參數有空氣溫度、空氣濕度和光照度，傳感器通過單片機IO口接入STM32單片機，將檢測的模擬信號進行AD轉換，轉換為更直觀的環境參數。STM32單片機獲取到參數后，通過LoRa通信模塊將數據傳輸到LoRa網關節點，實現大規模、多節點的環境參數的采集。LoRa通信模塊通過IO口與STM32單片機相連。

圖2 檢測測節點硬件設計

網關節點硬件設計采用的UG87-LoRa網關作為網關節點的核心，采用NXP A53處理器，數據處理能力強，運行穩定。UG87-LoRa網關是一款基于LoRa低功耗廣域網技術的工業級戶外物聯網網關。產品內置Semtech高性能收發器SX1301并可擴展至16通道，支持超過2000個節點接入網關，通信距離最遠可超過10千米，滿足大型項目和各種室內室外應用場景中對終端數據采集的需求。如圖3所示。UG87-LoRa網關可通過內置的4G通信模塊、Wi-Fi通信模塊或有線網絡方式將數據傳輸到云端服務器。UG87不僅兼容多種主流LoRaWAN網絡服務器，還可以運用內置的網絡服務器和星縱云方案，用快速部署自己的物聯網應用，實現定制化的智能服務。通過網關節點的LoRa無線通信模塊接收來自檢測節點發送的茶園環境參數，并將數據進行處理，打包為MQTT通信協議的數據報文格式，UG87-LoRa網關的Wi-Fi模塊或4G通信模塊將數據發送到One NET云平臺，通過路由器為網關節點提供Wi-Fi網絡通信。

圖3 網關節點設計

云平臺設計采用One NET云平臺，通過One NET云平臺的控制臺界面，創建產品，再進行設備的添加。節點類型選擇網關設備，接入類型選擇MQTT通信協議，數據協議選擇OneJson格式，采用發布/訂閱(Pub/Sub)模式，通過連接服務器、訂閱和發布主題來實現傳統設備和MQTT云端的聯系，MQTT連接需要三個參量：mqttClientId、mqttUsername、mqttPassword，聯網方式為Wi-Fi網絡。完成設備的添加之后，在設備管理界面可以查看添加的網關節點設備。

客戶端通過PC端和手機APP實現富硒茶園環境信息智能監測，如圖4所示。PC端通過Internet訪問One NET云平臺即可以實時查看檢測節點檢測到的環境參數，并且PC端將從云平臺獲取到的數據存入MySQL數據庫，MySQL數據庫設計包括兩張數據表，一張為土壤墑情信息表，主要數據字段有時間、土壤溫度、土壤濕度和土壤pH值，另一張為大氣環境信息表，主要數據字段有時間、空氣溫度、空氣濕度和光照度。

圖4 客戶端

三、硒茶園環境信息智能監測系統的分析實驗

在完成該系統的設計和實現后，本文對該系統進行了實驗室模擬環境的測試。首先需要進行檢測節點的傳感器環境參數檢測功能的測試。通過電池對終端STM32單片機進行供電，設備可以實現運行；通過GPIO口將傳感器連接到STM32單片機上，再通過上位機串口助手對檢測到的環境參數進行測試，通過串口將檢測節點與上位機進行連接，發現可以在上位機串口助手上面進行土壤溫濕度、土壤pH值、空氣溫濕度和光照度等參數的顯示，當改變環境因素時，傳感器檢測到的數值也發生相應的改變，檢測節點的檢測功能可以實現。測試結果如表1所示。

表1 傳感器測試參數

再通過對LoRa無線通信網絡的測試，如表2所示，在合理范圍內，將檢測節點的LoRa通信模塊與UG87-LoRa網關的通信模塊實現網絡連接，將檢測發送指定的數據，網關節點能夠進行正常接收，沒有出現數據包、數據幀的丟失，沒有發生信道碰撞以及沖突。LoRa網絡可以進行正常通信。

表2 LoRa通信測試

網關節點接收到數據之后，將數據上傳到云端，使用MQTT協議，云端與終端設備之間可以實現主題的訂閱和發布，并且可以實時觀測到富硒茶園的各種環境參數。

客戶端通過PC以及手機APP可以進行云端平臺的訪問，并且可以實時獲取茶園的環境參數，且PC端將從云平臺獲取到的數據存入MySQL數據庫，并且可以轉化為更直觀的數據圖像。

通過一系列的模擬環境測試，該系統在監測數據變化和動態監控中，均表現出了良好的適用性，能夠實現富硒茶園環境參數的采集與實時查詢，并且終端服務器通過訪問云平臺，能夠實現遠程實時監測。因此當這個測試系統持續擴容，運用到更大范圍內的實際生活生產中，具有一定的可實現性。

結語

文章利用傳感器、LoRa通信網絡以及MQTT通信協議實現了智慧富硒茶園環境信息智能監測系統，并且通過一系列的測試實驗證明了系統的設計合理。本系統的涵蓋性高，可通過檢測節點更換其他環境參數的傳感器，并且對單片機進行不同傳感器驅動的燒錄，可以廣泛運用于果園、菜園和農田等其他農業環境的場景監測中。