基于LoRa的糧倉環境監控系統設計

摘要：糧倉環境監測是保障糧食安全的迫切需求，為了方便糧倉環境的監測，該設計將LoRa無線通信技術與傳感器技術相結合，制作出應用于糧倉的智能環境監控系統。該系統可實現對糧倉內溫濕度、二氧化碳濃度、光照度等數據的采集，并實現火災、鼠類侵害的遠程報警，以及糧倉內風機的自動與手動控制，力求改善目前糧倉環境監控系統維護成本高、系統可拓展性差、移動性差等問題，增強監控的實時性和監控效率，提高倉庫管理的應急處理能力。與傳統糧倉環境監控系統相比，該系統具有成本低、易于擴展、移動性強、監控實時性高、監控效率高等優點。

關鍵詞：糧倉；環境監控；LoRa；物聯網；火災監測；自組網

中圖分類號：TP368文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）20-0107-05

0前言

糧食是人類賴以生存的基礎，糧食問題不僅關系到國計民生的大事，而且關系到社會穩定，在整個國家的國民經濟生活中占據著舉足輕重的地位[1-2]。我國歷來重視糧食問題，一直把發展糧食、解決人民的溫飽問題放在重要位置。然而，在糧食儲存過程中，糧溫過高、濕度過大、二氧化碳濃度過高、光照度過強等因素均可導致糧食霉變、腐爛變質，造成巨大的經濟損失[3-4]。此外，大型糧庫普遍存在面積大、布局分散、布線困難等問題，傳統基于互聯網的監控系統難以實現大范圍、高效率的管理。同時，糧倉環境中的糧食易燃特性也對火災防控提出了嚴峻挑戰[5-6]。針對以上情況，設計出基于LoRa的糧倉環境監控系統，以解決傳統糧倉監控系統維護成本高、系統可拓展性差、移動性差等問題。

1總體架構

本設計采用分層次的體系結構，按照功能類型的不同主要分為3個層次：感知層、網關層、應用層。3個層次之間通過不同的網絡進行數據傳輸，感知層與網關層之間采用LoRa（LongRangeRadio，一種遠距離低功耗無線電技術標準）分布式MESH（無線網格網絡）傳輸的方式進行傳輸，網關層與應用層通過以太網進行連接和通信，如圖1所示。

本系統由傳感器節點、網關節點和物聯網平臺3個部分構成。其中傳感器節點被放入糧倉內，可以采集多種環境數據，包括溫度、濕度、光照、火焰、紅外、二氧化碳等數據；此外，在溫濕度或二氧化碳數據超出設定閾值時，傳感器節點可以自動或手動驅動糧倉內換氣風機進行換氣；同時，傳感器節點內置了相同的LoRa模塊，每個模塊均具有路由功能，因此數據在傳遞過程中還可以作為其他傳感器節點的路由節點，實現數據的中繼傳遞，擴大了數據傳輸的范圍。網關節點主要實現數據匯聚與發送的功能，采集到的多種環境數據通過LoRa無線網絡將數據傳輸至網關節點，利用MQTT協議通過以太網傳入物聯網平臺。物聯網平臺主要實現傳感器節點數據處理與邏輯管理定制。通過應用開發功能可以實現Web頁面數據可視化與遠程控制；同時，通過添加邏輯管理服務實現自動控制，如糧倉發生火災后，物聯網平臺監測到有糧倉環境監測系統的火焰信號上報，便會觸發火災報警通知服務。系統采用LoRa無線Mesh組網技術，可以方便地在大面積內布置數據采集節點，而不必擔心數據的遠距離傳輸問題。其整體系統結構組成如圖2所示。

2系統設計

2.1系統節點設計

傳感器節點包括主控、電池、DC-DC電源、二氧化碳傳感器、火焰傳感器、熱釋電傳感器、光照傳感器、溫濕度傳感器、LoRa模塊、繼電器等部分。在上電后，首先對各個傳感器及模塊進行初始化配置，LoRa模塊開始組網，之后對各個傳感器進行狀態檢測，若出現異常，則通過LoRa模塊進行異常數據上報；若無異常情況，傳感器節點進入等待請求命令狀態。當收到數據請求命令后，傳感器節點將對自身各個傳感器進行一次數據采集，同時將數據打包成一條數據幀進行發送。傳感器節點框圖如圖3所示。

網關節點包括主控、LoRa模塊、電源、以太網模塊、按鍵等部分。在上電后首先啟動LwIP（輕量化TCP/IP協議），之后對LoRa協調器模塊進行初始化配置并建立無線網絡，對加入網絡的節點發送數據請求命令。對于傳感器節點發來的無線數據，網關節點進行解析后再封裝成MQTT協議向物聯網平臺傳輸。

網關節點框圖如圖4所示。

2.2硬件實現

2.2.1主控模塊

傳感器節點選用STM32F103C8T6作為主控芯片，其為一款由意法半導體公司生產的32位ARMCortex-M3內核微控制器，具有高性能、低功耗的特點，廣泛應用于各種嵌入式系統和物聯網設備中。采用ARMCortex-M332位RISC內核，主頻可達72MHz，提供強大的處理能力。內置64KB的Flash存儲器和20KB的SRAM，滿足大多數應用程序的代碼和數據存儲需求。支持多種外設接口，如GPIO、USART、SPI、I2C、ADC等，便于與其他設備通信和擴展功能。其功能及性能滿足該系統的設計要求，主控模塊電路設計如圖5所示。

2.2.2火焰檢測電路

該部分電路采用紅外接收二極管作為火焰檢測的核心器件，該器件使用一種特殊的光學濾波器，只允許特定波長的紅外線透過。當火焰燃燒時，會產生大量的紅外線，這些紅外線被傳感器檢測到并轉換成電信號。該電信號與可調電阻R1輸出端共同連接LM393進行電壓比較，通過調節可調電阻可以實現對火焰檢測靈敏度的調節。當檢測到設定強度的火焰感應值時，電路中的LED燈會亮起，同時火焰信號可以通過數字量信號傳遞給主控模塊。具體火焰檢測電路如圖6所示。

2.2.3二氧化碳檢測電路

該部分電路采用MG811傳感器，這是一款基于固體電解質電池原理的半導體氧化物化學傳感器，具有靈敏度高、穩定性強等特點，用于檢測環境中的二氧化碳濃度。二氧化碳檢測電路如圖7所示。工作時，傳感器敏感電極和參考電極之間產生電動勢，輸出信號電壓與CO2濃度的對數成反比例線性關系。將信號電壓通過LM358放大電路輸送給主控模塊，經過ADC采樣可檢測到CO2濃度的變化。當CO2濃度超過變阻器設定的閾值后，電路中的LED會亮起，標志CO2濃度過高。

該器件正常工作需要6V的工作電壓，為了保證采集數據的精度，設計了專用的DC-DC供電電路。本部分供電電路采用GS1662大電流升壓芯片，通過設置兩個電阻的阻值來控制輸出電壓精確穩定在6V，具體計算公式為：

2.2.4溫濕度檢測電路

溫濕度傳感器采用SHT35，該器件是一款數字型溫濕度傳感器，由業內知名的瑞士Sensirion公司推出，內部具有高集成度的電容式測濕元件和能隙式測溫元件，確保了傳感器的高可靠性和長期穩定性。同時，SHT35還具有低功耗、響應速度快、抗干擾能力強等優點。其溫度、濕度測量范圍分別為-40～125℃、0～100%RH，精度分別為±0.2℃、±1.5%RH，具有內部自動校準、報警輸出、軟硬件復位和可選IIC地址功能。該部分電路采用IIC通信接口，為了確保IIC總線上的信號處于穩定狀態，避免信號干擾和誤判，SDA和SCL兩根線路需要連接上拉電阻拉至高電平。溫濕度檢測電路如圖8所示。

2.2.5光照及熱釋電紅外檢測電路

光照及熱釋電紅外檢測電路如圖9所示。

光照檢測電路采用PT550光敏二極管作為光線傳感器，該器件具有靈敏度高、響應速度快、輸出信號穩定等特點，因此被廣泛應用于各種需要檢測光線的場合。當受到光照時，光敏二極管能夠產生光電流，其大小隨入射光強度的變化而變化，變化的電信號通過串聯電阻R20傳遞給主控模塊，從而進行ADC采集處理實現光照度的感知。

熱釋電檢測電路采用L916探頭，該探頭具有靈敏度高、抗干擾能力強、低功耗等優點。在工作時，鼠類體溫產生的波長為10μm左右的紅外線經過探頭外部的菲涅耳透鏡進行匯聚，由此探頭產生電信號傳遞給探頭內部后續電路進行處理，該器件最終輸出開關量信號傳遞給主控模塊進行鼠類侵害的感知。

2.2.6風機控制電路

風機控制電路中使用S8050三極管作為電子開關，通過FAN_PIN引腳接收到的高低電平來導通或截止，從而控制繼電器的斷開或閉合。繼電器隔離了控制信號和負載電路，實現了更高的電流驅動能力。為了避免繼電器輸入引腳間的反向電動勢損壞電路中的其他元件，采用IN4184二極管提供能量泄放通路，確保電路的穩定性。風機控制電路如圖10所示。

2.2.7LoRa模塊電路設計

本設計采用YL-800MN系列分布式MESH網狀自組網TTL無線數傳模塊，該模塊具有高性能、低功耗、遠距離、微功率等特點。模塊與主控之間通過串口進行通信，通過指令協議，可以修改模塊的頻率、發射功率、路由生存周期、網絡地址、節點地址、串口速率、串口校驗等參數。本設計中LoRa模塊配置波特率為9600，無線頻率為434MHz，發射功率為7，路由生存周期為1，網絡地址為0x0000，節點地址為0x0001。該模塊可以進行七級八跳組網傳輸數據，即源數據到最終目標，途中最多經過7個路由節點，應用在本設計中可以使糧倉環境參數數據傳播更遠的距離。LoRa模塊電路如圖11所示。

2.2.8網關節點設計

網關節點的主控模塊選用STM32F407ZGT6芯片，該芯片為意法半導體公司生產的Cortex-M4內核的芯片，具有處理性能強、外設接口豐富等特點，可以滿足網關節點中LoRa模塊、以太網模塊等接口要求，同時強大的性能可以提高數據的處理能力。在該芯片中可以實現LwIP的運行，使用該協議?？梢詫崿F定位基站的以太網通信。

網關節點接收到的數據采用以太網的方式進行上傳，以太網收發電路采用LAN8720A，該芯片為一款物理層（PHY）芯片，支持10/100Mbps的高性能以太網數據傳輸。利用該芯片可以實現定位基站主控芯片的MAC層與以太網線的通信。該芯片與主控芯片之間采用RMII接口連接，使得電路中的連接線路減少。在以太網收發電路中采用RJ45接口用于連接以太網線，以太網收發模塊電路原理圖設計如圖12所示。

3系統程序設計

系統啟動后，傳感器節點首先采集環境參數，并將數據通過LoRa網絡傳輸至網關節點。網關節點接收數據后，將其封裝成MQTT協議格式，并上傳至物聯網平臺進行處理和可視化。物聯網平臺可以通過MQTT協議下發控制命令，網關節點接收命令后，將其轉發至相應的傳感器節點執行。其中MQTT是一種消息傳輸協議，輕量級、高效性、可靠性與穩定性等特點使其成為本系統的理想選擇。在本系統中MQTT協議可以實現傳感器數據的分發與訂閱，提高了系統的可擴展性與靈活性。傳感器節點與網關節點工作具體流程如圖13、圖14所示。

智能糧倉監控系統采用阿里云物聯網平臺作為云端服務平臺，阿里云物聯網平臺為設備提供安全可靠的連接通信能力，向下連接海量設備，支撐設備數據采集上云；向上提供云端API，指令數據通過API調用下發至設備端，實現遠程控制。在糧倉環境采集系統的網關節點中執行的主函數中，執行MQTT數據發布函數可向物聯網平臺發布數據并返回發送長度，其中的參數payload_out為包含環境參數的JSON格式數據，字段分別為溫度、濕度、光照度、熱釋電紅外檢測狀態、火警狀態、二氧化碳濃度，數據類型包含整形、小數型和布爾型，其格式如圖15所示。

為了方便環境參數的可視化和對終端節點的控制，本系統創建了Web應用，方便糧倉管理人員進行實時監控。在物聯網Web應用開發環境中選擇用于數據可視化的儀表盤或曲線圖，拖動組件放入編輯的Web應用中，之后對組件進行數據源的配置即可進行數據的可視化。Web應用界面設計如圖16所示。

4系統測試

將傳感器節點放入封閉環境內模擬糧倉，通過LoRa協調器節點接收的數據可以判斷傳感器節點數據上報功能是否正常。可以利用USB-TTL轉接線把LoRa協調器節點與電腦相連接，打開串口調試助手軟件，選擇16進制數據接收格式可以看到數據的上報結果。數據幀以“0x05”作為幀頭，最后兩位作為CRC校驗碼，若收到“0x05”作為幀頭的數據幀且CRC校驗結果正確，則表明通信正常且數據沒有發生傳輸錯誤。

串口調試界面如圖17所示。

打開物聯網云平臺，觀察Web應用中的環境參數是否顯示正確，風機的啟?？刂剖欠裾?。在測試過程中，首先在糧倉內改變溫度、濕度、二氧化碳、光照等參數，使傳感器節點感知到變化的環境參數，觀察頁面內儀表數值指示及記錄曲線是否準確，相應數值超出范圍后觀察傳感器節點是否可以自動控制風機啟停；其次，在糧倉模擬環境下點燃明火并放入鼠類，觀察火警指示與紅外指示是否正常響應；最后，點擊風機開關按鈕，查看遠程控制的風機是否正常啟停。利用該系統在模擬糧倉環境內進行了一段時間的監測，系統在穩定性以及準確性方面均有良好的使用效果。Web調試界面如圖18所示。

5結束語

本文提出了一種基于LoRa的糧倉環境監控系統設計方案，實現了糧倉環境的實時監測、遠程報警和智能控制等功能，大大減小了數據采集節點的部署難度。該系統可廣泛應用于糧庫、糧站、糧食加工企業等場所，對于保障糧食安全、提高糧食儲存效率具有重要意義。

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【通聯編輯：梁書】