基于物聯網的溫室智能監控系統設計

焦玉全，顧誠甦，朱燕祥

（南通科技職業學院機電與交通工程學院，江蘇南通，226007）

0 引言

作物的生長過程本質是將環境、營養、水分等外部因子的作用進行轉化的動力學過程。溫室能有效改善溫室作物的生產條件，實現作物的高效優質生產[1]。溫室環境參數時空跨度大，變量多，影響因子相互強耦合[2-5]，農業物聯網為溫室環境調控提供了新思路。本文根據現有國內外溫室環境調控方法和技術，基于LoRa和MQTT構建一種通用型的溫室信息檢測系統，通過采集溫室內溫濕度、光照度和CO2濃度等信息，根據農作物不同生長周期實現對溫室群作物的動態監測、智能控制、在線決策，提高溫室管理的效率，達到節能、高效、高產的效果[6,7]。

1 系統架構設計

農業物聯網是通過對設施內的作物環境、生理參數進行監測、傳輸、存儲和分析，并做出決策與執行實現自動化、精細化、智能化的技術。根據物聯網架構層次定義，溫室系統自底向上由感知控制層、網絡傳輸層和應用層構成。其中感知控制層由采集節點承擔；匯聚節點完成網絡傳輸，網絡傳輸層主要采用個人區域網絡（PAN）的LoRa無線通信和無線局域網（WLAN）的4G通信；應用層則依托MQTT構建分布式應用。系統架構如圖1所示。

圖1 系統架構框圖

2 感知控制層設計與實現

感知控制層主要借助物理、化學傳感器對溫室內作物生長環境，包括空氣溫度、空氣濕度、光照強度和二氧化碳濃度等參數進行檢測。

2.1 采集節點單片機選型與電路設計

采集節點要完成溫室多種環境參數的檢測和數據的無線透傳任務，在工作功耗上有較高要求，綜合上述特點選用了超低功耗STM8L101處理器。最小系統如圖2所示，STM8L通過SWIM接口完成程序燒錄，通過I2C總線讀取和設置傳感器，通過四線制SPI總線和LoRa無線模塊傳遞數據，通過GPIO控制LoRa無線模塊和傳感模塊的工作模式，通過PA2口按鍵讓節點進入入網注冊申請模式，指示燈指示節點通訊故障。

圖2 主控芯片最小系統原理圖

2.2 LoRa 通信單元電路設計

LoRa通信單元采用億佰特公司的E32-400M20S無線模塊，模塊內部采用SX1278無線芯片，支持410～493MHz頻段，通信距離可達5km。LoRa無線通信模塊電路如圖3所示。其中RST為芯片復位觸發輸入腳，低電平有效；模塊采用四線制的SPI方式與處理器進行通信；其工作在半雙工通信方式，同一時刻只能進行發送或者接收，當RXEN高電平，TXEN低電平時，模塊處于接收模式；當TXEN高電平，RXEN低電平時，模塊處于發射模式；ANT為天線接口。

圖3 LoRa 無線通信模塊

采集節點數據處理流程如圖4所示，其中系統初始化是通過SPI接口對SX1278的寄存器進行配置：通過 RegOpMode寄存器來設置射頻芯片工作在LoRa調制方式；通過RegFrMsb、RegFrLsb和RegFrMib寄存器來設置通信波頻率433.125MHz；通過RegModemConfig1寄存器將信號帶寬設置為500KHz、糾錯編碼率為CR(4/5)；通過RegModemConfig2寄存器來設置擴頻因子SF11等。采集節點通過PA2的按鍵中斷，進入組網模式，完成采集節點的入網申請。當SX1278檢測到前導碼、發送完成或者接收完成后通過DIO0觸發STM8L101處理器中斷，處理器會根據狀態機讓SX1278切換到接收模式、發送模式或CAD模式。

圖4 采集節點數據處理流程圖

2.3 溫濕度和CO2濃度傳感單元設計

溫濕度和CO2濃度傳感單元選用Sensirion的SCD30模塊，CO2濃度測量精度：±30ppm，測量范圍：400～10000 ppm；相對濕度測量精度：3%RH，測量范圍0～95%RH；典型溫度精度：0.4℃溫度測量范圍-40～70℃。溫濕度和CO2濃度傳感單元電路如圖5所示。其中SEL低電平時采用I2C總線，RDY高電平時數據轉換完成。

圖5 溫濕度和CO2濃度傳感單元電路

2.4 光照強度單元設計

光照強度單元選用ROHM公司的BH1730FVC-TR數字輸出型的環境光亮度傳感器，由光電二極管、電流電壓轉換電路、A/D轉換器、控制邏輯電路以及接口電路等構成，采用I2C接口，可以檢測0.001lx～100000lx，測量偏差小于±15%。光照強度單元設計電路如圖6所示。其中DVI為I2C總線電壓。

圖6 光照強度單元設計電路

BH1730FVC有兩個輸出，x（14h，15h寄存器內容）可見光測量數據，y（16h，17h寄存器內容）紅外線測量數據，光照強度計算式為：

其中G為ADC分辨率，T為測量積分時間。

3 網絡傳輸層設計與實現

匯聚節點是采集節點和MQTT服務器通信的橋梁，它負責將采集節點的數據匯總，再通過CAT1模塊將數據傳輸到云服務器存儲和處理。匯聚節點總體結構設計如圖7所示，其主要由三部分構成：樹莓派、LoRa數傳電臺和4G Cat1數傳電臺。

圖7 匯聚節點總體結構設計

(1) 樹莓派

匯聚節點采用樹莓派4B，該型號是基于ARM Cortex-A72為核心架構的微型電腦主板，支持Linux操作系統，運行頻率1.5GHz，其體積小巧，功耗較低，功能和接口和普通PC機類似。相較之前版本的樹莓派，Raspberry Pi 4B新增了4個PL011 串口，其功能足以滿足匯聚節點系統所需的各類配置。

(2) LoRa數傳電臺

LoRa數傳電臺選用億佰特公司的E90-DTU，內置功率放大器（PA）與低噪聲放大器（LNA），提供透明RS232/RS485 接口，采用LoRa擴頻技術實現一點（匯聚節點）對各采集節點無線數據傳輸，工作在433MHz頻段，通訊距離可達10km。

E90-DTU工作在透傳模式，支持定點發射和廣播發射，定點發射的報文格式如表1所示。

表1 定點發射報文結構

定點發射時，接收端只有自身地址和目標節點地址相同，且信道也為0x4的節點才能接收到報文。報文格式如表2所示。定點發射主要用于采集節點和匯聚節點間的溫室環境數據的上傳，采集節點注冊入網。

表2 定點發射命令域和數據域結構

廣播發射時，接收端信道為0x4的節點都可以接收到報文。報文格式如表3所示。廣播發射主要用于通知節點開放/禁止注冊入網申請。

表3 廣播發射開放/禁止入網申請報文結構

(3)4G數傳電臺

4G數傳電臺選用億佰特公司的E840-DTU，帶4G+GPS分集接收功能，支持三大運營商Cat1網絡接入，可通過簡單的AT 指令實現串口設備到云服務器的雙向數據透明傳輸，可以接入標準MQTT協議物聯網平臺。通過RS232/RS485與串口設備互聯。

3.1 LoRa無線組網方案

LoRa通信主要包括采集節點的注冊入網和匯聚節點的輪詢采集。

3.1.1 采集節點注冊入網

溫室設備初次安裝時，通過修改匯聚節點的設備列表完成采集節點批量入網，當單個采集節點發生更換時，首先采集節點PA2口按鍵中斷，讓采集節點立即進入到組網模式，開始偵聽廣播發文，然后匯聚節點再通過按鍵中斷，匯聚節點會在輪詢間歇期間進入組網模式，根據自身設備列表情況發送開放或禁止組網報文，具體流程如圖8所示。

圖8 單節點注冊入網流程

3.1.2 匯聚節點輪詢采集

匯聚節點和采集節點之間采用單跳星型網絡拓撲結構，各采集節點間互相獨立無數據鏈路。匯聚節點點名采集節點，對應采集節點給予對應的響應，發送響應報文給匯聚節點，然后匯聚節點再以相同的方式輪詢其他采集節點。具體流程如圖9所示。

圖9 匯聚節點輪詢采集流程

3.2 MQTT接入物聯網平臺

通過配置軟件將E840-DTU設置成MQTT工作模式，根據物聯網平臺運營商提供的參數，完成4G數傳電臺的ClientID、用戶名、密碼、目標地址、目標端口和訂閱發布地址的配置。樹莓派通過UART2與4G數傳電臺實現數據透傳交互。

4 結論

根據農業物聯網的特點，本文提構建了適用于溫室的架構方案，利用LoRa技術實現連棟溫室數據的匯聚，通過MQTT接入物聯網平臺,實現了溫室環境參數消息的推送。該系統可進行溫室環境信息的長期全面感知、遠程監測和預警。