基于LoRa網(wǎng)絡(luò)的Android智慧養(yǎng)殖場(chǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

周金鑫 吳珂挺 劉 穎 宋新樂(lè)

（防災(zāi)科技學(xué)院信息工程學(xué)院，河北 三河 065201）

1 引言

我國(guó)的貂、狐、貉等毛皮動(dòng)物主要以大規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)的形式進(jìn)行養(yǎng)殖，極高的養(yǎng)殖密度給養(yǎng)殖帶來(lái)了疫病防控等安全隱患，同時(shí)還存在養(yǎng)殖設(shè)備老舊、養(yǎng)殖環(huán)境惡劣等問(wèn)題[1]。隨著我國(guó)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，與之相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也逐漸被人們所重視，讓智慧養(yǎng)殖場(chǎng)成為未來(lái)發(fā)展的一種趨勢(shì)[2]。我們以低成本低能耗的Lora網(wǎng)絡(luò)結(jié)合Android軟件開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上，采用Java和SQL進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)出一套合理、高效的智慧養(yǎng)殖場(chǎng)系統(tǒng)。通過(guò)本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)的實(shí)時(shí)環(huán)境及數(shù)據(jù)監(jiān)控，同時(shí)能夠通過(guò)手機(jī)移動(dòng)端遠(yuǎn)程控制，改善調(diào)節(jié)養(yǎng)殖環(huán)境，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖人員對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)的智能化管理，從而達(dá)到改善養(yǎng)殖環(huán)境，提高養(yǎng)殖水平，增加養(yǎng)殖收入的目的。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件共分為L(zhǎng)oRa組塊、Android前后端、高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭及傳感器繼電器節(jié)點(diǎn)四部分。本系統(tǒng)以Android軟件及LoRa自組織網(wǎng)絡(luò)為中心。傳感器節(jié)點(diǎn)將采集的環(huán)境數(shù)據(jù)通過(guò)自組織網(wǎng)絡(luò)將信息傳遞至網(wǎng)關(guān)，進(jìn)而可通過(guò)連接網(wǎng)關(guān)的手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)手機(jī)可通過(guò)LoRa自組織網(wǎng)絡(luò)發(fā)送指令控制養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)的繼電器等設(shè)備的開(kāi)關(guān)。同時(shí)養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)設(shè)置高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭，可連接至手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)手機(jī)對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。本系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 LoRa網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)

LoRa網(wǎng)關(guān)主要由MCU主控芯片、LoRa收發(fā)模塊及收發(fā)天線、WiFi模塊、ZigBee模塊、以太網(wǎng)控制器及RJ45通訊模塊五大部分構(gòu)成，能實(shí)現(xiàn)連接LoRa節(jié)點(diǎn)，連接ZigBee網(wǎng)絡(luò)、WIFI的功能。結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 LoRa網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖

MCU采用的是ATMEL ATSAMD20 e18a作為系統(tǒng)主控芯片，是基于ARM Cortex-M0+內(nèi)核SAM D20微控制器，功能強(qiáng)大，主要用于執(zhí)行程序、協(xié)議轉(zhuǎn)換以及協(xié)調(diào)各外圍功能模塊工作。

LoRa模塊由收發(fā)天線和收發(fā)模塊兩部分構(gòu)成，LoRa收發(fā)模塊這里選用的是WH-L101，WH-L101是一個(gè)支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信協(xié)議（同時(shí)支持集中器通信協(xié)議，需要更換固件）的低頻半雙工LoRa模塊，工作的頻段為：398~525Mhz(默頻470Mhz)。使用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，降低了無(wú)線應(yīng)用的門檻，可實(shí)現(xiàn)一對(duì)一或者一對(duì)多的通信。LoRa具有功率密度集中、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，模塊通訊距離可達(dá)3500m（空曠視距，天線增益3dBi，高度大于2m，0.268Kbps空中速率）。模塊可以工作在1.8~3.6V電壓下，休眠電流僅3uA，滿足電池供電需求，適合超低功耗的應(yīng)用場(chǎng)合。模塊的尺寸26.65×18.22×2.60mm，采用SMT封裝，幾乎可以滿足所有用戶應(yīng)用中的對(duì)空間尺寸的要求，例如M2M、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等。通過(guò)SPI總線與主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。LoRa收發(fā)模塊有兩種角色中繼器和集中器，可以實(shí)現(xiàn)LoRa組網(wǎng)和LoRa網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。

網(wǎng)關(guān)在典型LoRa通訊模塊的基礎(chǔ)上添加了WiFi、Zig-Bee、RJ45有線網(wǎng)絡(luò)三種通訊模式。其中WiFi、ZigBee這兩種通訊方式使用TTL通訊方式與網(wǎng)關(guān)MCU進(jìn)行連接，RJ45有線通訊方式通過(guò)DM9000以太網(wǎng)控制器與網(wǎng)關(guān)MCU進(jìn)行連接，通過(guò)MCU配置相關(guān)運(yùn)行參數(shù)。WiFi通訊方式可以用解決網(wǎng)關(guān)與手機(jī)等數(shù)碼設(shè)備的無(wú)線數(shù)據(jù)交換問(wèn)題。ZigBee通訊方式解決網(wǎng)關(guān)與傳統(tǒng)ZigBee自組網(wǎng)傳感器的數(shù)據(jù)交換問(wèn)題。RJ45有線網(wǎng)絡(luò)通訊方式解決網(wǎng)關(guān)與PC服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)不同終端側(cè)多種連接協(xié)議轉(zhuǎn)換，從而進(jìn)行長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)關(guān)的實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 網(wǎng)關(guān)實(shí)物圖

2.2 LoRa節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

LoRa節(jié)點(diǎn)主要包括MCU主控芯片、LoRa收發(fā)模塊及收發(fā)天線、傳感器、繼電器及外圍接口電路構(gòu)成。如圖4所示。

圖4 LoRa節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

MCU采用的是ATMEGA328，是高性能、低功耗AVR 8位微控制器，具有先進(jìn)的RISC體系結(jié)構(gòu)，高耐力非易失性內(nèi)存段，內(nèi)部校準(zhǔn)的振蕩器外部和內(nèi)部中斷源，有6個(gè)睡眠模式等特性，TQFP封裝，有32個(gè)引腳。LoRa收發(fā)模塊也采用WH-L101，與網(wǎng)關(guān)不同的是選用連接網(wǎng)關(guān)模式，節(jié)點(diǎn)支持多種功耗模式：運(yùn)行模式、喚醒模式、低功耗接收模式和低功耗發(fā)送接收模式。其中低功耗接收模式和低功耗發(fā)送接收模式為低功耗模式，模塊上電后開(kāi)始計(jì)時(shí)，若在空閑時(shí)間內(nèi)串口和網(wǎng)絡(luò)端均無(wú)數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)模塊進(jìn)入低功耗狀態(tài)，即休眠。休眠后也可以通過(guò)WAKE引腳下降沿中斷來(lái)喚醒模塊，喚醒后的模塊恢復(fù)運(yùn)行模式，當(dāng)空閑時(shí)間大于設(shè)定時(shí)間時(shí)模塊再次進(jìn)入休眠狀態(tài)。傳感器選用了溫濕度傳感器、光照傳感器、液位傳感器、煙霧、CO2和PM2.5檢測(cè)傳感器等。

3 LoRa自組網(wǎng)設(shè)計(jì)

3.1 LoRa自組織網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介

LoRa是一種低功耗廣域網(wǎng)通訊技術(shù)。LoRa具備長(zhǎng)距離、低功耗、低成本、易于部署、標(biāo)準(zhǔn)化等特點(diǎn)，為使用用戶提供了一種簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信的技術(shù)。

LoRa的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)包括157 dB鏈路預(yù)算、距離＞15 km的遠(yuǎn)距離優(yōu)勢(shì)；最小的基礎(chǔ)設(shè)施成本、使用網(wǎng)關(guān)/集中器擴(kuò)展系統(tǒng)容量的易于建設(shè)和部署的優(yōu)勢(shì)；電池壽命>10年、接收電流10 mA，休眠電流<200 nA的延長(zhǎng)電池壽命的優(yōu)勢(shì)以及免牌照的頻段、基礎(chǔ)設(shè)施成本低、節(jié)點(diǎn)/終端成本低等優(yōu)勢(shì)[3]。

3.2 LoRa部署架構(gòu)

LoRa部署采用星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[4]。星型架構(gòu)與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比，具有低延遲、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。同時(shí)星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)便于安裝配置，同樣易于后期的管理維護(hù)。

本系統(tǒng)采用LoRa模塊的透明傳輸模式，在該模式下數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程不影響數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容，所發(fā)即所收，透明傳輸模式的優(yōu)勢(shì)在于可實(shí)現(xiàn)兩模塊即插即用，無(wú)需任何數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議[5]。

4 Android軟件設(shè)計(jì)

4.1 Android軟件功能設(shè)計(jì)

智慧養(yǎng)殖場(chǎng)系統(tǒng)APP是基于Android Studio開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使用Java語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，充分發(fā)揮了Android Studio運(yùn)行速度快、智能化、虛擬速度快和跨平臺(tái)優(yōu)勢(shì)[6]。后端使用Java語(yǔ)言、基于Eclipse平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)APP運(yùn)行于手機(jī)或手機(jī)虛擬機(jī)，通過(guò)WiFi連接至LoRa網(wǎng)關(guān)。其主要功能框架如圖5所示。

圖5 功能框架

如圖5所示，系統(tǒng)主要分為用戶登錄功能，備忘提醒功能，知識(shí)學(xué)習(xí)功能，視頻監(jiān)控功能以及智慧養(yǎng)殖功能。用戶登錄可進(jìn)行賬戶登錄，賬戶注冊(cè)以及賬號(hào)密碼找回操作，從而完成賬戶登錄。備忘提醒功能可根據(jù)需要添加記錄事件并設(shè)置提醒時(shí)間，完成重要事件的記錄保存與定時(shí)提示。知識(shí)學(xué)習(xí)功能可以跳轉(zhuǎn)到養(yǎng)殖知識(shí)學(xué)習(xí)網(wǎng)址獲取養(yǎng)殖知識(shí)，同時(shí)可以進(jìn)入百度貼吧進(jìn)行養(yǎng)殖經(jīng)驗(yàn)交流與學(xué)習(xí)。視頻監(jiān)控功能可通過(guò)高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，方便養(yǎng)殖場(chǎng)的管理以及提高養(yǎng)殖場(chǎng)財(cái)產(chǎn)的安全保障。

4.2 Android軟件技術(shù)要點(diǎn)

本系統(tǒng)主要采用LoRa無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，需要對(duì)LoRa節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)進(jìn)行配置，通過(guò)AT指令配置模塊的工作模式、波特率、信道和設(shè)備地址等參數(shù)。同時(shí)將設(shè)備連接至Android設(shè)備上進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)智慧養(yǎng)殖功能連接至LoRa網(wǎng)關(guān)，可通過(guò)LoRa自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，以及發(fā)送指令對(duì)環(huán)境進(jìn)行控制；可獲取實(shí)時(shí)的養(yǎng)殖場(chǎng)溫濕度，養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)儲(chǔ)存水位以及煙霧狀態(tài)數(shù)據(jù)；同時(shí)可完成對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)的多路電路控制。

4.3 關(guān)鍵代碼

在Android開(kāi)發(fā)中采用handler類傳遞Message，用于接受子線程發(fā)送的數(shù)據(jù)，并用此數(shù)據(jù)配合主線程更新UI。以下

4.4 功能實(shí)現(xiàn)效果

本系統(tǒng)在Android Studio環(huán)境下進(jìn)行編寫(xiě)程序并編譯調(diào)試，生成APK文件，并運(yùn)行在其中的Device Manger中，同時(shí)在物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建仿真環(huán)境，進(jìn)行仿真調(diào)試。軟件運(yùn)行后進(jìn)行相應(yīng)功能的測(cè)試，系統(tǒng)各項(xiàng)功能運(yùn)行正常。環(huán)境數(shù)據(jù)采集部分運(yùn)行如圖6所示。

圖6 功能實(shí)現(xiàn)

5 結(jié)語(yǔ)

智慧養(yǎng)殖場(chǎng)系統(tǒng)APP實(shí)現(xiàn)了Android軟件開(kāi)發(fā)及LoRa自組網(wǎng)之間的技術(shù)聯(lián)系。實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)殖事件提醒備忘，知識(shí)學(xué)習(xí)，視頻監(jiān)控以及手機(jī)端對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境的監(jiān)控。既可通過(guò)手機(jī)發(fā)送指令獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，控制改善養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境，亦可開(kāi)啟智慧養(yǎng)殖模式，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖場(chǎng)管理的自動(dòng)化及智能化。本系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于各種大型的養(yǎng)殖場(chǎng)，各項(xiàng)功能充分滿足了養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)的養(yǎng)殖需求。

智慧養(yǎng)殖系統(tǒng)APP實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)殖場(chǎng)的物聯(lián)網(wǎng)模式，實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)殖的數(shù)字化、智能化、自動(dòng)化。隨著技術(shù)的不斷完善與升級(jí)，該系統(tǒng)將能推廣應(yīng)用于各類養(yǎng)殖場(chǎng)。