基于LoRa的物聯(lián)網(wǎng)溫室監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)各產(chǎn)業(yè)相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，工作生活上越來越多的事物走向信息化，大大減輕了人們的生活負(fù)擔(dān)，節(jié)省了大量勞動力，也使得經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展。本項(xiàng)目考慮到溫室作物生長環(huán)境對作物產(chǎn)量的影響直接關(guān)系到作物的收益，而人們在生產(chǎn)過程中僅僅依靠感官和簡單的設(shè)備對作物生長狀況進(jìn)行判斷，難以把控產(chǎn)品質(zhì)量，特利用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)幫助生產(chǎn)者實(shí)現(xiàn)溫室生產(chǎn)的精準(zhǔn)化管理。利用LoRa相關(guān)技術(shù)配合傳感器實(shí)現(xiàn)植物周邊環(huán)境信息的實(shí)時(shí)采集和分析，保證植物生長環(huán)境的最優(yōu)化，以產(chǎn)出品質(zhì)優(yōu)良的產(chǎn)品，幫助人們實(shí)現(xiàn)較高的收益。

關(guān)鍵詞：溫室監(jiān)控系統(tǒng)；LoRa；傳感器

中圖分類號：TP391.44；TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）09-0187-03

Abstract：In recent years，with the rapid development of related technologies in various industries of the internet of things，more and more things are becoming information-based in work and life which has greatly reduced people’s burdens，saved a lot of labor，and has enabled rapid economic development. This project takes into account the impact of greenhouse crop growth environment on yield，which is directly related to crop yields. In the process of production， people only rely on sensory and simple equipment to judge the growth of crops，and it is difficult to control the quality of the products. The technology of Internet of things is used to help producers to realize the precision management of greenhouse production. The real-time collection and analysis of plant surrounding environment information are realized with LoRa related technology to ensure the optimization of plant growth environment to produce high quality products and help people achieve higher income.

Keywords：Greenhouse monitoring system；LoRa；sensors

0 引 言

LoRa是由Semtech公司在2013年發(fā)布的基于擴(kuò)頻技術(shù)的遠(yuǎn)距離通信調(diào)制技術(shù)，屬于窄帶低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN），經(jīng)過幾年的發(fā)展，伴隨物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，該技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)中得到了很大范圍的應(yīng)用，相關(guān)產(chǎn)品的性能也越來越成熟穩(wěn)定[1，2]。它發(fā)展至今已經(jīng)擁有了一套非常完整的生態(tài)鏈，從芯片到服務(wù)器，大大小小的環(huán)節(jié)都有很多企業(yè)參與，能夠給用戶提供全方面的服務(wù)保障。其優(yōu)點(diǎn)有通信距離長、功率損耗低、接收靈敏度高等，且用戶可以自主搭建服務(wù)器而不使用運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)，這使用戶對其更加青睞。目前LoRa通信使用的頻率在無需登記的頻段，例如433MHz、915MHz等，這樣可以有效的節(jié)約成本，低于需要一直繳納通信費(fèi)用的運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)。

其通信方式類似星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分布，整個(gè)系統(tǒng)大概由LoRa模塊、LoRaWAN網(wǎng)關(guān)、LoRaWAN服務(wù)器、用戶服務(wù)器組成。LoRaWAN是基于物理層（LoRa模塊）在上層數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定的一組協(xié)議，主要由程序控制來實(shí)現(xiàn)，其實(shí)現(xiàn)了通信之間的多信道通信、信道管理和切換、自適應(yīng)傳輸速率、定時(shí)收發(fā)，節(jié)點(diǎn)接入校驗(yàn)與數(shù)據(jù)加密等功能，LoRaWAN還可以消除硬件之間的不兼容，比如同一系統(tǒng)中出現(xiàn)多種LoRa設(shè)備，這時(shí)LoRaWAN就起到關(guān)鍵作用。

LoRa的前景非?？捎^，因?yàn)橄啾扰c其他物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)而言，其發(fā)展時(shí)間長、技術(shù)相對成熟，同時(shí)在各個(gè)環(huán)節(jié)能夠產(chǎn)生大量利潤，從而吸引了許多公司加盟。中國LoRa應(yīng)用聯(lián)盟（China Lora Application Alliance，簡稱CLAA）在LoRa Alliance支持下，由中興通訊發(fā)起，吸引各行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)合作伙伴加入并制定相關(guān)發(fā)展和建設(shè)規(guī)劃。伴隨著全球物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大趨勢，再加上政策引導(dǎo)，我們周圍將出現(xiàn)越來越多的事物加入物聯(lián)網(wǎng)行列，即便經(jīng)過一段時(shí)間，也并不會出現(xiàn)衰弱趨勢。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 要求

植物生長期間，周邊環(huán)境因素對植物的產(chǎn)量和品質(zhì)有很大的影響。對于溫室植物種植中高利益收入的植物來說，物理環(huán)境不利，將對植物產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生消極影響，從而導(dǎo)致農(nóng)民的有效收益大大減少。因此需要一套監(jiān)測設(shè)備來監(jiān)測植物生長的必要因素（二氧化碳、光照、溫度、土壤濕度、空氣濕度等），并將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行分析，根據(jù)分析的結(jié)果對風(fēng)扇通風(fēng)、補(bǔ)光設(shè)備、補(bǔ)熱設(shè)備以及滴灌設(shè)備進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)作物生長環(huán)境的精準(zhǔn)測量，并根據(jù)理論精準(zhǔn)控制，以此達(dá)到創(chuàng)造最優(yōu)化生長環(huán)境，且人們不用耗費(fèi)過多精力，節(jié)省了大量勞動力，并可以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明

如圖1所示，MCU端布置在溫室內(nèi)，用以控制各種執(zhí)行設(shè)備和傳感器，傳感器將環(huán)境對敏感元件產(chǎn)生的變化生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送給MCU，MCU將數(shù)據(jù)傳送給基于LoRa技術(shù)的通信模塊并發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)顯示、記錄、分析，上位機(jī)根據(jù)分析結(jié)果將執(zhí)行指令發(fā)給MCU用以控制設(shè)備，以此構(gòu)成一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)溫室監(jiān)控系統(tǒng)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 MCU系統(tǒng)電路

MCU采用的是STC89C52芯片，使用5V供電，內(nèi)置8K字節(jié)ROM，512字節(jié)RAM，需要使用外部時(shí)鐘電路，一個(gè)機(jī)器周期大約為1.08ms，主要利用的片內(nèi)外設(shè)有UART、32個(gè)雙向或準(zhǔn)雙向I/O口和定時(shí)計(jì)數(shù)器。

2.2 AS32-TTL-100LoRa通信模塊

AS32-TTL-100模塊的功率為100mW（20dBm），接收靈敏度為-130dBm，天線增益為5dBi，頻率為410-441MHz，共提供32個(gè)信道，可配置地址65536個(gè)，傳輸距離理想狀態(tài)下為3000m，采用TTL串口輸入輸出，波特率為1200-115200bps，有四種通信模式，即通用模式、喚醒模式、省電模式和睡眠模式。

它采用的SX1278擴(kuò)頻調(diào)制主控芯片，結(jié)合高效的循環(huán)交錯(cuò)糾錯(cuò)編碼算法，能夠應(yīng)對突發(fā)干擾情況，并內(nèi)置用于保存LoRaWAN協(xié)議的芯片，通過上位機(jī)參數(shù)配置軟件，將參數(shù)燒入模塊中，調(diào)整通信信道和地址。其內(nèi)置的LDO電路使當(dāng)模塊大于5V供電時(shí)，也可穩(wěn)定輸出3.3V電壓，這樣就出現(xiàn)了無法與5V MCU通信的問題。因此應(yīng)在RXD/TXD引腳接入10K上拉電阻，將電壓拉至5V，以使模塊與MCU之間能夠正常通信。其M0/M1引腳用于控制工作模式，AUX引腳非通信下處于低電平，每次發(fā)送和接收會被拉至高電平，以此進(jìn)行通信校驗(yàn)。

網(wǎng)關(guān)連接上位機(jī)需要進(jìn)行USB轉(zhuǎn)換后連接上位機(jī)，采用CP2102芯片，將通過USB端口發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為UART串行端口進(jìn)行發(fā)送或接收，且需要搭配上位機(jī)的驅(qū)動程序一起完成工作。

2.3 相關(guān)傳感器

2.3.1 MG811二氧化碳傳感器

MG811二氧化碳模擬傳感器采用原電池原理，化學(xué)反應(yīng)如下：

該傳感器的敏感元件需要進(jìn)行加熱才能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)加熱到較高溫度時(shí)，兩電極產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)構(gòu)成一個(gè)原電池，兩端會輸出電流信號，通過電阻后產(chǎn)生電壓，根據(jù)傳感器特性曲線顯示濃度越低輸出電壓越高，隨后通過阻抗變換運(yùn)算放大器CA3140將信號放大，然后進(jìn)行電壓信號的讀取，再轉(zhuǎn)換成有直接意義的二氧化碳濃度值[3]。該傳感器對二氧化碳的讀取范圍是350-10000 ppm，并不適用于高濃度二氧化碳的測定，而溫室當(dāng)中的二氧化碳濃度屬于常見濃度，所以比較合適。

將MG811引腳輸出的模擬電壓值送至ADC0809，MCU控制ADC0809轉(zhuǎn)換并通過端口P1讀取轉(zhuǎn)換后的值。下面使用相同過程的TEMT6000和FC-28不再一一介紹。

2.3.2 TEMT6000光照強(qiáng)度傳感器

TEMT000光強(qiáng)模擬傳感器由一個(gè)光敏三極管構(gòu)成，采用的是5V供電，光強(qiáng)照射傳感器的敏感元件時(shí)，將會在三極管基極產(chǎn)生一個(gè)與光強(qiáng)相對應(yīng)的電流，這時(shí)三極管的導(dǎo)通度不同，其集電極輸出的電壓也將根據(jù)光照強(qiáng)度發(fā)生變化，可讀取的光強(qiáng)范圍為1-1000 Lux，輸出電壓為0V-5V，呈線性比例變化，可直接根據(jù)讀取到的電壓值轉(zhuǎn)換成光強(qiáng)數(shù)據(jù)輸出。TEMT6000對光照強(qiáng)度的反應(yīng)范圍也是人們經(jīng)?？梢杂龅降模容^適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用和常規(guī)測量。

2.3.3 FC-28土壤濕度傳感器

FC-28土壤濕度模擬傳感器根據(jù)土壤的濕度變化時(shí)電阻也將發(fā)生變化，這樣傳感器探頭與假想電阻構(gòu)成回路，假想電阻的變化與電流成反比、與電壓成正比，由此輸出范圍為0V-5V，呈比例變化。因沒有具體數(shù)值可以衡量土壤濕度，可以采用相對濕度的表示方法，使用百分比表示濕度大小。

2.3.4 DHT11溫濕度傳感器

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款數(shù)字輸出型溫濕度傳感器，它內(nèi)部集成了兩個(gè)敏感元件用以感受溫濕度的變化，并添加了單總線設(shè)備進(jìn)行通訊[4]。單總線是Dallas公司推出的串行總線技術(shù)，這種通信方式使系統(tǒng)的總線接口減少，適合一些需要減少接線的場合。單總線的工作時(shí)序也與其他總線有天壤之別，單總線空閑時(shí)一直由主機(jī)拉高總線，等到需要喚醒時(shí)，主機(jī)拉低總線20ms，從機(jī)內(nèi)部的芯片讀取到總線拉低，等待主機(jī)拉高總線后，從機(jī)開始控制總線進(jìn)行通信，從機(jī)先發(fā)出80μs給主機(jī)表示從機(jī)存在響應(yīng)，主機(jī)和從機(jī)進(jìn)入等待接收或發(fā)送數(shù)據(jù)模式。

因?yàn)楸緜鞲衅髦皇褂玫搅藦臋C(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，所以不再對主機(jī)寫時(shí)序進(jìn)行闡述。從機(jī)高電平持續(xù)時(shí)間的長短決定該數(shù)據(jù)位是1還是0，當(dāng)高電平持續(xù)時(shí)間為28μs時(shí)表示0，當(dāng)高電平持續(xù)時(shí)間為70μs時(shí)表示1，根據(jù)此時(shí)序，使主機(jī)在30μs和70μs之間進(jìn)行檢測，以此判斷該位為1還是0，每傳送一位數(shù)據(jù)都會有50μs的低電平間隙，當(dāng)最后一位數(shù)據(jù)傳送完后，從機(jī)產(chǎn)生間隙后，控制權(quán)返回給主機(jī)，主機(jī)將總線拉高進(jìn)入空閑模式。該傳感器需在上電1s后才可進(jìn)入工作狀態(tài)，需要在數(shù)據(jù)線上接入4.7K上拉電阻，以保證通信的穩(wěn)定性，隨后主機(jī)發(fā)送開始信號，從機(jī)響應(yīng)完后即開始傳送40位溫濕度數(shù)據(jù)。

3 軟件程序語言編寫

3.1 測量端

MCU程序用C語言編寫，使用KEIL軟件編譯并生成HEX文件，并通過串口燒寫軟件將HEX文件燒入ROM中[5]。MCU上電后，先對寄存器進(jìn)行配置。

當(dāng)特殊功能寄存器PCON的SMOD位取0，TMOD值為0x22，SCON值為0x50，TH1和TL1同為0xfd時(shí)，定時(shí)器溢出率為307200，串行端口波特率為9600bps，隨后持續(xù)等待上位機(jī)指令，接收到指令后開始運(yùn)行程序以完成相應(yīng)的功能。

ADC0809采用逐次逼近原理，ABC引腳為三位地址，用以控制一個(gè)模擬量輸入引腳有效，ALE用以將地址存入寄存器，ST為啟動AD轉(zhuǎn)換，EOC為檢測轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，OE控制輸出。

ADC0809需要一個(gè)時(shí)鐘信號輸入以進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，本程序利用定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0產(chǎn)生中斷，由中斷函數(shù)通過P2^1向外產(chǎn)生時(shí)鐘信號。

3.2 上位機(jī)

上位機(jī)使用Visual Basic進(jìn)行用戶界面設(shè)計(jì)，Visual Basic是基于Windows系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)語言，程序首先對串口參數(shù)進(jìn)行配置，以保證可以和MCU正常通信，然后根據(jù)按鈕提示，發(fā)出指令控制MCU。

當(dāng)MCU將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)后，會將當(dāng)前數(shù)據(jù)記錄到上位機(jī)文本中，并且可以根據(jù)選擇的農(nóng)作物不同提供不同的作物生長數(shù)據(jù)庫，用以匹配出最佳的控制方案。

4 結(jié) 論

整個(gè)系統(tǒng)成本低、簡單、易于維護(hù)，可以實(shí)時(shí)對農(nóng)場進(jìn)行監(jiān)控。系統(tǒng)共提供了5項(xiàng)信息的檢測和4項(xiàng)執(zhí)行器的控制，可以完成作物生長環(huán)境上基礎(chǔ)的管理，并保留了可擴(kuò)展性，可以在此之上完成更高科技含量、更現(xiàn)代化的產(chǎn)品。

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作者簡介：張攀（1996.11-），男，河北邯鄲人，本科。研究方向：自動控制；楊揚(yáng)（1986.05-），女，山東東營人，碩士。研究方向：自動控制。