基于LoRa技術與云技術的智慧農業系統設計與實現

◆李穎

基于LoRa技術與云技術的智慧農業系統設計與實現

◆李穎

（煙臺汽車工程職業學院信息與控制工程系 山東 265500）

本文針對目前目慧溫室大棚存在無線通信距離短、數據采集節點功耗大、數據采集節點成本高等問題，通過對物聯網技術和云技術的分析，以農業智慧大棚為依托，提出了將物聯網技術中的LoRa技術、傳感器技術，結合云技術，應用于智慧農業系統之中。設計了基于LoRa技術的環境監控系統、基于云技術的遠程監控系統，使該系統具有智能感知、數據挖掘分析、數據可視化、遠程智能控制等功能，實現遠距離、低功耗、智能化、多維度、多尺度的農作物信息實時監測。

物聯網；云技術；智慧農業；環境監控

1 智慧農業系統的背景和現狀

智慧農業是云計算、物聯網、3S等多種信息技術在農業中綜合、全面的應用，通過對農業產業鏈的智能感知、監測、跟蹤、數據分析，實現了對產業鏈的精準化管理和可視化診斷，提升了農業產業鏈的價值創造力，提高了經濟效益，是一種新型的農業生產方式。

最初，智慧農業環境監測系統采用GSM技術，但是由于GSM系統的成本比較高，逐漸被基于ZigBee技術的系統所取代，但是，在實際運行過程中，發現ZigBee技術存在傳輸距離短、無線組網結構復雜、信號抗干擾性弱、數據傳輸安全性低等缺點，因此在農業生產的過程中也沒有得到大規模的推廣使用。而Lora技術的出現，解決了智慧農業環境監測系統所要求的長距離通信、強抗干擾能力、組網簡單等需求問題。

2 智慧農業系統技術論述

本文提出了一種基于物聯網技術和云技術的智慧農業環境監控系統，通過無線傳感網技術對農業大棚的環境信息進行實時采集和傳輸，同時，通過云平臺將環境信息存儲，并將數據實時下發至大棚管理人員的移動終端。

基于物聯網和云技術的智慧農業環境監控系統的核心是物聯網技術和云技術。在物聯網技術中，感知信息的基礎是各種信息傳感設備，信息傳輸的基礎是各種網絡通信設備，信息處理與應用的基礎是廣泛智能化應用的解決方案集。物聯網技術的目的是實現物與物、物與人，所有的物品與網絡的連接，方便識別、管理和控制。云技術通過整合網絡技術、信息技術、整合技術、管理平臺技術、應用技術等，組成資源池，便于用戶靈活地按需使用。側重點在于信息的分析、整合、管理。

3 系統設計

本項目設計包括數據采集模塊、LoRa網關設備、云服務器、移動監控終端。數據采集模塊是獲取溫室環境數據的終端節點，主要負責采集溫濕度、光照強度、CO2濃度等環境參數信息。節點與網關之間通過LoRa模塊組網進行無線傳輸。LoRa網關設備負責將LoRa終端節點采集的數據進行匯聚，通過WiFi網絡將節點數據打包上傳至云平臺。云服務器將LoRa網關所上傳的消息進行處理、存儲，并通過CGI+HTML技術與Web前端進行數據交互，將數據實時顯示到Web界面上。用戶可以通過瀏覽器對溫室環境參數進行遠程監控。采用Eclipse平臺開發移動端監控系統，以實現實時遠程監控的功能。

3.1 基于LoRa技術的智慧大棚環境監測系統

基于LoRa技術的智慧大棚環境監測系統由LoRa終端設備和LoRa網關設備構成。LoRa網關設備采用基于SEMTECH的射頻集成芯片SX127X射頻模塊，設備之間基于LoRaWAN協議進行數據交互。網關設備實現的功能包括：控制LoRa模塊完成在LoRa設備之間的數據接收與發送；通過串口與智能終端設備進行數據通信。LoRa終端設備硬件結構與LoRa網關設備一致，同樣采用SX127X射頻模塊，并在此基礎之上擴展外圍傳感器電路和控制電路，實現采集環境數據并發送至網關設備。

基于LoRa技術的智慧大棚環境監測系統程序均基于sapi框架開發。

其中sapi應用接口在AppCommon.c文件中實現，其主要的幾個函數是：

（1）void NS_RadioInit（uint32_t freq，int8_t power，uint32_t txTimeout，uint32_t rxTimeout）

功能：對射頻模塊發送、接收參數進行初始化。

（2）void hal_temHumInit（void）

功能：初始化溫濕度模塊。

（3）void AdcInit（Adc_t *obj，PinNamesadcInput）

功能：初始化ADC轉換。光照度和CO2濃度需要通過AD轉換的方式進行采集。

（4）void Tim3McuInit（uint16_t PeriodValueMs）

功能：TIM3定時器初始化，設置中斷周期PerioValueMS毫秒。

（5）void MyRadioRxDoneProcess（ void ）

功能：無線模塊數據接收完成處理進程函數。

（6）void LoRa_DataParse（uint8_t *LoRaRxBuf，uint16_t len ）

功能：數據解析，發送響應數據

（7）void LoRa_GetSensorDataProcess（void）

功能：換算傳感器數據，并上傳傳感器值。

3.2 云平臺

本文采用新大陸時代教育集團提供的云平臺，完成接收網關傳送的數據、展示節點采集的實時數據、查詢歷史數據、實時傳送數據到移動終端等任務要求。

首先，登錄物聯網云平臺，然后注冊應用項目，并對應用項目進行配置，包括添加網關、添加傳感器、修改項目信息、設置設備的公開權限等操作。最后，發布項目，就可以在云平臺的項目展示頁中查看傳感器數據。同時，在移動終端也能夠實時查看傳感器數據。

3.3 移動終端程序設計

移動終端程序設計是本項目所設計系統的頂層設計，用戶最終需要通過移動終端實時查看傳感器數據信息，因此移動終端程序設計必須兼顧穩定、簡潔、易操作、靈敏、資源占用率低等特點。移動終端調用了實時數據服務、用戶數據服務。

4 博物館安防物聯網云系統性能測試

本文所提出的系統方案，其應用背景為農業大棚，以物聯網技術與云技術的融合為手段，該系統對農業大棚內的環境數據進行了測量。統計結果為7日內同一時段的平均值。

表1 溫度數據統計結果

采樣時間9：0010：0011：0012：0013：0014：0015：0016：00 溫度（℃）25.225.526.627.428.227.727.226.8

表2 濕度數據統計結果

采樣時間9：0010：0011：0012：0013：0014：0015：0016：00 濕度（RH（%））68.362.760.155.552.750.456.660.6

表3 光照度數據統計結果

采樣時間9：0010：0011：0012：0013：0014：0015：0016：00 光照度（klux）22.823.224.525.126.527.326.825.9

表4 CO濃度數據統計結果

采樣時間9：0010：0011：0012：0013：0014：0015：0016：00 CO2濃度（ppm）300330270210150230260320

5 結論

本項目研究的基于物聯網技術的智慧農業系統以物聯網技術為依托，以云平臺提供的數據采集、存儲、管理等基礎服務和各種云服務API接口為核心，以數據傳送格式標準化為基礎，以智能物聯網云網關為關鍵設備，以便攜式智能終端為手段，以LoRa通信為組網方式，實現傳感器數據采集，實現了實時監測、數據查詢等功能，有效地解決了傳統農業系統所存在的問題，有效地降低了建設成本、系統維護成本，實現了數據共享、數據傳送與存儲的格式標準化，降低了日常使用的難度。

[1]張麗麗. 關于智慧農業的概述[J]. 新農業，2019（20）：36 -38.

[2]張天立，楊宏業. 基于LoRa的遠程溫室大棚環境監測系統[J]. 內蒙古工業大學學報（自然科學版），2019，38（6）：446-453.

[3]駱東松，趙磊，周宇軒. 基于LoRa的溫室遠程灌溉系統研究[J]. 安徽農業科學，2020，48（6）：194-197.

[4]張天立，楊宏業. 基于LoRa的遠程溫室大棚環境監測系統[J]. 內蒙古工業大學學報（自然科學版），2019，38（6）：446-453.

[5]翟凌宇，孫凱旋. 基于云計算的智慧農業物聯網云平臺[J]. 軟件，2020，41（1）：258-262.

煙臺汽車工程職業學院橫向課題（YTQC2020H02）