基于LoRa的養豬場環境監測系統設計

張玲玉 ，卿晶晶

（長沙民政職業技術學院，湖南 長沙 410004）

隨著經濟社會的快速發展，集約化智能養殖已經成為當前生豬供應的普遍養殖方式，將生豬集中養殖在一起，利用先進的物聯網技術對生豬進行統一管理，對生豬生長環境的各項參數進行精準監測。物聯網由感知層、網絡層及應用層構成，物聯網網絡層常用的通信技術有藍牙、Wi-Fi、ZigBee、LoRa和NBIoT等[1-3]。在這些通信技術中，藍牙通信距離只有10 m，ZigBee和Wi-Fi的覆蓋范圍在200 m左右，且工作在2.4 G頻段，信號的穿透能力較弱，NB-IoT通信覆蓋范圍廣，能滿足養豬場環境監測系統的要求，但是NB-IoT工作在1 G以下的付費頻段，且依賴運營商的基站網絡，而LoRa工作在ISM免授權頻段，不依賴運營商，可靈活自建網絡[4]。為了更有效監測養豬場環境，本研究組建覆蓋全養豬場的LoRa無線通信網絡，以STM32單片機為基礎開發用于CO2濃度、NH3濃度、溫濕度等信號采集、發送和接收的模塊。

1 系統總體設計

CO2濃度、NH3濃度、溫濕度對生豬的健康生長至關重要，養豬場的環境需以這三個信號或者更多其他信號作為參考基準，即傳感器節點采集到環境數據后，經過單片機處理，并傳輸出去。LoRa有低功耗、廣覆蓋、遠距離、低成本等特點[5-6]，因此系統的數據傳輸選擇LoRa無線通信技術，基于LoRa的生豬養殖監測系統框圖如圖1所示，由LoRa終端節點、LoRa網關、手機App等部分組成。

圖1 基于LoRa的生豬養殖監測系統框圖

針對養豬場需要監測的位置，將養豬場分成若干個區域，每個區域部署一個網關和若干個終端節點，終端節點負責將該節點采集到的CO2濃度、NH3濃度、溫濕度借助LoRa無線通信網絡發送到其對應的網關，LoRa網關將接收到的信號上傳到物聯網云平臺，監控App從物聯網云平臺實時獲取數據，App用戶可以根據獲取到的數據實時評估養豬場環境，做到集中高效管理、健康智能化養殖。

2 LoRa節點設計

圖1的系統框圖的LoRa節點分終端節點和網關匯聚節點，終端節點負責采集數據并將其發送出去，網關節點接收從終端節點發送過來的數據并轉送到云平臺，數據監控中心從云平臺實時獲取數據，進行養豬場環境的綜合判斷。

LoRa終端節點主要由單片機處理芯片STM32F103VET6、時鐘、供電電源、復位、JTAG接口、LoRa組成，外接DHT11采集溫濕度數據，接GS-Y系列CO2濃度傳感器采集CO2濃度，接NH3濃度傳感器MQ137采集NH3的濃度。LoRa終端節點基本結構如圖2所示。

圖2 LoRa終端節點基本結構

LoRa終端節點中STM32F103VET6是意法半導體公司出品的32位的基礎型微控制器，外設資源多，功耗最低為1.9 μA。CO2濃度測量采用紅外CO2氣體傳感器GS-Y5，工作平均電流約5.5 mA，分辨率1 ppm，測量范圍400 ppm~10 000 ppm，精度±（50 ppm+5%讀數），最大響應時間2 min。NH3濃度的測量采用傳感器MQ137，使用壽命長，成本低，對NH3的靈敏度較高，檢測范圍5 ppm~500 ppm，加熱功耗≤900 mW。溫濕度傳感器采用DHT11，溫度測量范圍0 ℃~50 ℃，測量誤差±2 ℃，濕度測量范圍20%~95%，測量誤差±5%，工作電壓3.3 V~5.5 V。LoRa無線模塊選擇SX1278，采用調頻擴頻技術，其工作在420 MHz~450 MHz頻段，發射功率為100 mW，最大發射功率20 dBm，支持多種調制模式，FIFO容量大，支持256 Byte數據緩存，接收靈敏度-148 dBm，SPI通信接口，可與STM32F103VET6直接連接[7-8]。

LoRa網關節點接收來自終端節點發送過來的溫濕度、CO2濃度、NH3濃度等環境數據，并通過GPRS或者以太網將數據上傳到運營商云平臺。LoRa網關節點和終端節點一樣單片機處理芯片用的STM32F103VET6，LoRa模塊用SX1278，STM32F103VET6與SX1278通過SPI通信[9-10]。

3 LoRa通信程序設計

LoRa終端節點每隔固定時間向LoRa網關節點發送養豬場的環境數據，與網關節點通信的請求幀設計如表1所示。

表1 請求命令結構

LoRa網關節點接收到終端節點發送過來的數據后將其轉發到物聯網云平臺，網關節點接收到終端節點數據的響應幀設計如表2所示。

表2 響應命令結構

4 結語

綜上所述，集約化健康養殖已經成為當今較為普遍的養殖方式，將物聯網技術融入生豬養殖的日常管理工作，LoRa終端節點采集并發送數據到LoRa網關，LoRa網關收到數據后將其發送到物聯網云平臺，數據管理中心即手機App從云平臺獲取養豬場各位置的數據，養殖人員能精準地掌握生豬所處的各項環境參數。當溫濕度、CO2濃度、NH3濃度等環境參數超過理想的閾值時，豬場管理人員能及時采取干預措施，保證生豬健康成長的同時實施高產量養殖。