基于LORA的農作物管理系統設計

摘 "要：該文提出一種基于LORA組網技術的農作物管理系統設計與實現方案。該系統利用多個LORA模塊進行組網，并與STM32單片機、YL-69土壤濕度傳感器、光感檢測等傳感器共同搭建，對農作物環境狀態進行數據的采集和處理，實現精準把控農作物的生長環境參數因子，并通過負反饋調節自動校正異常環境因子，實時確保農作物處于較為適宜的生長環境，從而提高產量，助力我國智慧農業的發展。通過測試，該管理系統在空曠地帶、氣候正常的條件下，穩定通信距離可以達到5 km，數據傳輸正常，且能夠完成該文設計的自動校正行為，校正行為誤差率均低于0.26%。

關鍵詞：LORA組網；農作物管理；環境因子；自動校正；人機交互

中圖分類號：S126 " " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2096-9902（2023）19-0017-06

Abstract： A design and implementation scheme of crop management system based on LORA networking technology is proposed. The system uses multiple LORA modules for networking， and is jointly built with STM32 single-chip microcomputer， YL-69 soil moisture sensor， light sensing detection and other sensors to collect and process data on the environmental status of crops， so as to accurately control the growth environment parameters of crops. Besides， the system automatically corrects abnormal environmental factors through negative feedback regulation and ensure that crops are in a more suitable growth environment in real time， thereby increasing production and helping the development of smart agriculture in China. Through the test， under the condition of open area and normal climate， the stable communication distance of the management system can reach 5 km， the data transmission is normal， and can complete the automatic correction behavior designed in this paper， and the correction behavior error rate is less than 0.26%.

Keywords： LORA networking; crop management; environmental factor; automatic correction; human-computer interaction

我國是一個農業大國，發展高效、高產、綠色的生態農業產業鏈是現代化農業建設的目標。然而，隨著耕地面積不斷減少、城鎮化的加速推進、農村人口的老齡化和勞作人口的流失等，使得我國的農業面臨著嚴峻的挑戰[1]。

在國外，一些發達國家的智慧化農業種植早已發展多年，都有著較為成熟的技術、完善的體系，為農業帶來了極大的變革。然而，我國絕大多數農民的農業經營方式依然還是下地耕種模式，智能化的農業手段由于造價高昂、開銷過大，遠遠沒有得到普及。另外，加上對農作物需要使用的大量的化肥和農藥，對水體、土壤、大氣和生物的多樣性造成的影響也是巨大的。如果運用智慧化的農作物管理模式，將很大程度上幫助人們來監管和處理這些因素。

目前，智慧化管理已經成為了當下農業的發展主題，如果智慧農業管理系統的應用能夠得到普及，這將會徹底改變幾億勞動人民的耕作方式，促進人民奔向更好的生活[2]。

智慧農業管理系統的實現就是借助各種傳感器技術和物聯網技術對農田、大棚、溫室等農業環境和植物生態進行智能監控，同時種植戶可以借助移動終端進行遠程監管，確保農作物達到比較適宜的生長環境[3-4]。本文提出的基于LORA的農作物管理系統從根本上實現了對農作物環境因子的監控并對異常因子做出修正、補償。打破了傳統的農作物種植方式，實現了低成本、智能化、信息化的農業管理模式。

1 "總體方案設計

本系統采用STM32F103系列處理器作為MCU控制系統，并搭配各種傳感器來實現對農田、大棚、溫室等農業環境和植物生態的智能監控，并通過對軟件、硬件進行模塊管理化的設計來提升系統的裁剪性、可替換性[5]，實現定制性、針對性需求。

1.1 "總體方案描述

農作物管理系統的主機、從機系統主要包括蜂鳴器模塊、按鍵模塊、LED指示燈模塊、LORA無線傳輸模塊、串口屏模塊和供電電池等。上述模塊構成的主機系統主要是提供數據接收、顯示界面、人機交互的平臺，而從機系統則是負責對當前環境因子進行數據采集，上報給主機系統。

1.2 "各模塊電路的選擇

1.2.1 "空氣溫濕度傳感器的選擇

采用DHT11溫濕度傳感器，其內部集成了數字傳感器采集芯片，可以檢測當前環境的溫度、濕度（量程為濕度20～90 %RH、溫度0～50 ℃；分辨率為濕度1 %RH、 溫度1 ℃）[6-7]。且傳感器具有體積小、質量輕、使用簡單等特點，滿足本設計需求，故采用DHT11溫濕度傳感器。

1.2.2 "土壤濕度傳感器的選擇

采用YL-69土壤濕度傳感器。其有2種采集模式，一種是數字量輸出，通過比較器檢測，當檢測濕度大于電位器預先設置的濕度閥值時，傳感器DO引腳輸出0（默認為1）；另一種是電壓模擬量輸出，可以實時輸出當前的濕度值，范圍精確。因此我們選擇最后一種。

1.2.3 "光照采集傳感器的選擇

采用光敏電阻來采集光照強度。光敏電阻的工作原理就是其阻值和光照強度呈現比例關系，光照越強，阻值越小。通過搭建一個分壓電路，與單片機高達12位精度的ADC引腳進行連接，可以對光照強度進行采集。

1.2.4 "顯示系統方案的選擇

采用HMI串口屏（型號為TJC4827K0423）進行人機交互界面系統的設計。HMI串口屏具有控件豐富、顯示清晰、存儲flash空間大、壽命長和響應速度快等特點[8-10]，應用場景廣泛，因此選用TJC4827K0423串口屏進行開發。

1.2.5 "數據通信系統的選擇

采用ISM頻段的LORA模塊。該模塊采用射頻SX1278擴頻芯片，工作頻率為410～441 MHz，功耗低，傳輸距離在空曠地帶高達5 km，支持廣播和定向傳輸2種模式，可以實現組網功能[11]。因此采用該模塊來實現主機系統和從機系統的網關通信。

1.2.6 "轉向控制系統方案的選擇

采用MG995舵機模塊。該模塊旋轉角度范圍為360°，角度選擇由單片機PWM占空比進行線性控制，力矩可以達到13 kg/cm[12-14]，滿足設計需求，故采用MG995舵機。

1.2.7 "控制系統方案的選擇

采用16位的STM32F103C8T6單片機作為系統的控制單元。該芯片具有3個USART，2個12位精度的A/D轉換器，時鐘頻率高達72 MHz等，內部資源豐富，且高性能、穩定性強、低功耗[15]。使用該處理器可以非常高效、穩定地進行數據采集、PWM信號輸出和ADC采集等任務。

1.2.8 "系統總體方案的確定

綜上所述，系統的總方案確定如下：系統采用單片機STM32F103C8T6、DHT11溫濕度傳感器、光敏電阻、YL-69土壤濕度傳感器、TJC4827K0423串口屏、LORA模塊和MG995舵機模塊作為主要核心器件。

2 "硬件電路設計與分析

2.1 "硬件系統組成

由上述分析可知，硬件系統主要由單片機STM32F103C8T6、DHT11溫濕度傳感器、光敏電阻、YL-69土壤濕度傳感器和LORA模塊等組成。系統組成框圖如圖1所示。

主機、從機系統的硬件電路板設計均采用雙層布線打板工藝，利用Altium Designner 18軟件進行電路繪制，經過系統模塊化布局，加入豐富的外設接口，增加了系統上的穩定性、可靠性，功能上的可裁剪性、豐富性。

2.2 "主要模塊電路設計與分析

2.2.1 "采集系統電路

系統采用DHT11溫濕度傳感器、光敏電阻和YL-69土壤濕度傳感器進行環境數據的采集。DHT11溫濕度傳感器通過數字信號引腳將采集到的溫度、濕度以20個Bit的數字量形式傳輸給單片機；光敏電阻通過分壓電路的搭建，將分壓端接在單片機ADC功能引腳上進行數字電壓采集；YL-69土壤濕度傳感器也是與單片機的ADC引腳連接，采集土壤濕度量。

2.2.2 "顯示系統電路

TJC4827K0423串口屏利用通用異步收發器（UART）和單片機進行通信。作為人機交互系統，在顯示屏上實時顯示溫度、濕度等數據，并可以手動進行數據報警閥值的調節，可以針對不同的地域環境做出最快的調整。

2.2.3 "通信系統電路

通信系統采用LORA模塊，是一款無線串口通信模塊，與主機、從機系統之間均使用串口通信協議來進行通信，實現主機系統和從機系統之間的信息交互，示意圖如圖2所示。

3 "系統程序設計與工作流程

3.1 "系統主程序設計

主機系統實時接收從機系統采集到的環境因子數據，并通過判斷處理識別出異常的環境因子，針對異常的環境因子向從機系統發送指令進行校正，從機系統接收到指令后會執行對應的舉措，如灌溉、通風等。如圖3所示，整個交互形成一個閉環的反饋調節方式，使得環境因子能一直保持在動態平衡之中。

3.2 "數據濾波子程序設計

由于環境因子復雜多變，以及傳感器的采集精度等因素，會存在一定的異常數據干擾。為了避免這一干擾，采用了連續取值并進行求平均值的方法來確保采集數據的準確性。原理是連續采樣N次數據，去掉最大值和最小值，對剩下的N-2個數據進行求和取平均值，將該平均值作為最后判斷的參數。程序的設計就是定義一個能夠存放大小為N的數組，N通常選擇10，將每次采集的數據依次存放進去，當采集10次時，去掉最大、最小值，對該數組剩余元素進行求和、取均值。

3.3 "HMI系統通信程序設計

HMI串口屏和單片機是通過通用同步/異步串行接發/發送器（USART）協議進行通信。在這個通信過程中，為了防止單片機誤接收數據或者干擾信號，這里為單片機和HMI屏的信息交互添加了一個數據包幀協議，來增加數據的安全性、準確性。另外采用數據幀的格式來通信可以讓數據的傳輸、讀取更加高效、便利。一幀完整數據包由5個Byte組成，每個字節各代表一個功能，幀協議見表1。

HMI串口屏通過搭配上位機軟件可以進行圖形用戶面（GUI）設計開發。利用特定的語言指令加上靈活的控件選擇，可以根據需求設計特定功能的GUI人機交互顯示界面。這里針對2種情況進行圖片截取，圖4為主菜單顯示界面，這里開發設計了諸多應用“軟件”，其中包括設置、文件夾、監控等功能，每個應用均實現特定設計的功能。圖5為應用“設置”的功能顯示界面，包含狀態參數（用來調節溫度、濕度等參數的閥值）、亮度調節等功能。

3.4 "LORA組網通信模型設計

LORA有3種傳輸模式，分別為透明傳輸、定向傳輸及廣播模式。其中透明傳輸是針對設置地址、通信信道、無線速率相同的設備之間的通信，任意一個模塊發送，其他的模塊都可以接收，其傳輸模型如圖6所示。定向傳輸模式下，模塊發數據時可修改地址和信道，用戶可以指定數據發送到任意地址和信道，實現模塊之間的跨越式數據傳遞，可以實現組網和中繼功能，其中的中繼功能能夠有效地避免主機和從機系統之間由于距離過遠導致的無法通信現象。通過對比上面2種傳輸模式，定向傳輸有著適用性強、覆蓋性廣的優勢，因此選擇定向傳輸模式來作為LORA組網的程序設計模型，其傳輸模型圖如圖7所示。

3.5 "理論分析及測試結果

3.5.1 "環境因子校正算法

本系統設置了2種控制算法用來實現環境因子的校正，一種控制算法是主機系統內部程序自動控制，另一種控制算法是人為通過HMI串口屏交互界面進行選擇控制。如圖8所示。

3.5.2 "測試結果及分析

1）改變主機和從機的通信距離，測量數據傳輸的穩定性。在空曠地帶，初步選擇通信距離為1 km，環境實際數據為相同設備采集。測試結果見表2。

2）當通信距離為5 km時，測試結果見表3。

3）當測試距離達到5 km以上時，信號開始出現中斷現象，傳輸數據出現不穩定狀態，主機系統接收數據開始出現亂碼，結束距離延伸測試。

4）當通信距離為1 km、5 km時，測試主機對從機采集的數據進行指令控制及響應。這里設置環境因子閥值如下：溫度為26 °C；濕度為30 %RH；光照強度為30 LX。

檢測原理：當采集數據溫度小于閥值溫度，濕度小于閥值濕度，光照強度大于閥值光照強度時，代表環境因子異常，主機會向從機發送環境因子校正指令。從機收到指令后，進行相應模塊的驅動工作，使從機周圍的環境狀態到達閥值之下，達到恢復農作物正常生長環境的效果。測試結果見表4。

本文對于校正的結果情況均進行了10次測試分析。因為在3 km距離內，通信情況都是穩定的，故這里選取在通信距離為1 km的情況下進行測試，且當前的環境參數：溫度為23.8 °C；濕度為52.2 %RH；光照強度為45 LX。

從機系統的校正測試結果見表5。由于處于校正期間，數據會處于一個上下波動的范圍，因此該測試結果為參數穩定狀態下的數據。

為了更直觀地看到數據的穩定性，需要對其進行可視化處理，將環境因子校正后的數據轉換成折線圖，如圖9所示。可以發現，連續數據之間坡度變化率很小，數據校正的穩定性均處于一個較為平穩的狀態。

但是這樣做，并沒有辦法對誤差率進行評估，因此，針對上面10組采樣數據求取樣本方差值、平均值和誤差率，其中樣本方差公式為

S2=（xi-）2 。

針對樣本數據處理的結果見表6。

由以上測量結果分析可知，系統的通信距離在5 km內的空曠地帶能夠穩定地傳輸數據。另外，根據從機系統在實現智能化校正異常環境因子的舉措測試實驗數據中，在10次的測試樣本數據中，溫度、濕度、光照強度的誤差率均低于0.26%，且樣本數據的方差分別為0.029 3、0.067 7、0.015 1，均小于0.07，離散程度非常低，可見數據的總體波動很小。就目前的測試數據來講，該系統在針對環境參數的監控和校正方面是有著較高的準確性及執行性的。但是不排除傳感器精度的原因、程序算法的不完善性、天氣狀態的不穩定性及采樣數據過少等因素給實驗測試帶來誤差影響。

4 "結論

本文提出了一種基于LORA的農作物管理系統設計方案，從機系統搭載了各種傳感器來采集農作物生長的環境因子數據，主機端來對這些數據進行處理和判斷，且經過大量測試，該系統具有較強的針對異常環境因子進行智能化、精準化的校準能力。其系統的最大優點是人力需求小、通信功耗低、數據傳輸穩定和可自動化校準，但由于受到器件精確性（如DHT11溫濕度傳感器）的影響，使得采集的環境溫濕度數據與實際環境參數的值之間存在一定的誤差。

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