基于LoRa傳輸?shù)霓r(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

康妍妍，宋廣軍

（浙江海洋大學(xué) 數(shù)理與信息學(xué)院，舟山316000）

目前，市場中存在的農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式有2 種：一種是有線傳輸，即通過RS232，MXA485 串口協(xié)議傳輸，其優(yōu)點在于穩(wěn)定性強、安全性高，但存在傳輸距離短、造價高等缺點。另一種是無線傳輸方式，主要有藍牙，WiFi，ZigBee，等。無線傳輸使得現(xiàn)場更加方便靈活， 但存在傳輸距離較短、信號不穩(wěn)定、功耗大等缺點。在此所設(shè)計的農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)， 基于長距離無線電LoRa （long range radio）擴頻技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，傳輸距離遠，穿透力強，抗干擾能力高，采用的窄帶傳輸，傳輸功率密度大，使傳輸距離大大增加。

農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)可分階段完成農(nóng)業(yè)大棚作業(yè)的智能化， 主要用于幫助用戶科學(xué)管理農(nóng)業(yè)大棚。在大棚較密閉的空間內(nèi)，人為控制該空間內(nèi)的溫度、濕度，使農(nóng)作物在最優(yōu)環(huán)境內(nèi)生長，減少澇旱、病蟲等自然災(zāi)害的影響，采用自動采集監(jiān)控方式解決傳統(tǒng)人工監(jiān)測所產(chǎn)生的偏差和疏漏的問題，實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，同時改善用戶居住環(huán)境，用戶不必居住在大棚附近，可遠程調(diào)控大棚環(huán)境，以最少的成本獲取最大利益，使人力、物力得到合理分配，有利于農(nóng)業(yè)信息化的可持續(xù)發(fā)展。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

隨著農(nóng)業(yè)信息化的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)成為新一代農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的重要組成部分。物聯(lián)網(wǎng)通過各種信息傳感設(shè)備，實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程等各種需要的信息，基于互聯(lián)網(wǎng)形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò)，使用戶端延伸并擴展到任何物品與物品之間。物與物進行信息交換和通信，實現(xiàn)萬物相連[1]。

搭建大棚內(nèi)環(huán)境監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，以LoRa 技術(shù)為基礎(chǔ)，把各個監(jiān)控器件連接入網(wǎng)絡(luò)形成傳輸距離遠、功耗低、穩(wěn)定性強的監(jiān)控系統(tǒng)框架。傳感器采集大棚內(nèi)環(huán)境信息，經(jīng)過子節(jié)點微處理器進行處理，然后發(fā)送到主節(jié)點，主節(jié)點對數(shù)據(jù)進行存儲、處理，用戶可通過手機進行查詢。該系統(tǒng)可在子節(jié)點和主節(jié)點處，對大棚內(nèi)控制器件進行手動調(diào)控，也可以通過手機控制各組成部件，形成環(huán)境數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)。農(nóng)業(yè)大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計總體框圖如圖1所示。

圖1 農(nóng)業(yè)大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計總體框圖Fig.1 Overall block diagram of agricultural greenhouse monitoring system

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 無線通信

2.1.1 AS32-TTL-1W 模塊

AS32-TTL-1W 為一款高穩(wěn)定性，工業(yè)級的無線傳輸模塊。該模塊采用SX1278 主芯片，LoRa 擴頻傳輸，可以實現(xiàn)更遠距離通信[2]。AS32-TTL-1W 實物如圖2所示。該模塊具有4 種工作模式，一般模式、喚醒模式、省電模式、休眠模式。通過MD1，MD2 實現(xiàn)在運行時自由切換。模塊通過定點傳輸實現(xiàn)組網(wǎng)、中繼等多種功能。

圖2 AS32-TTL-1W 實物Fig.2 AS32-TTL-1W physical object

1）一般模式 該模式需要先發(fā)送32 B 數(shù)據(jù)包啟動無線發(fā)射，然后等待3 B 時間，如果無數(shù)據(jù)繼續(xù)輸入則認為數(shù)據(jù)終止，模塊會啟動無線發(fā)射將所有數(shù)據(jù)包發(fā)出[3]。數(shù)據(jù)是否發(fā)出可由AUX 端口的高低電平檢測。通過一般模式發(fā)出的數(shù)據(jù)包，只能由處于一般模式和喚醒模式的接收模塊接收。模塊的無線接收功能會一直打開，可以接收來自一般模式和喚醒模式發(fā)出的數(shù)據(jù)包。

2）模塊喚醒模式 該模式啟動數(shù)據(jù)包發(fā)射的條件與AUX 功能均等同于一般模式， 不同之處在于：模塊會根據(jù)用戶參數(shù)設(shè)定的喚醒時間，在每個數(shù)據(jù)包前自動添加不同長度的喚醒碼。喚醒碼是用于喚醒工作在省電模式的接收模塊。所以，喚醒模式發(fā)射的數(shù)據(jù)可以被一般模式、喚醒模式、省電模式收到。

3）省電模式 模塊處于休眠狀態(tài)，串口被關(guān)閉，無法接收來自外部MCU 的串口數(shù)據(jù)， 所以該模式不具備無線發(fā)射功能。在省電模式下，要求發(fā)射方必須工作在喚醒模式。無線模塊定時監(jiān)聽喚醒碼，一旦收到有效的喚醒碼， 模塊將持續(xù)處于接收狀態(tài)，并等待整個有效數(shù)據(jù)包接收完畢。然后，模塊將AUX 輸出低電平，并延遲2 ms 后，打開串口將收到的無線數(shù)據(jù)通過TXD 發(fā)出， 然后將AUX 輸出高電平。無線模塊繼續(xù)進入“休眠-監(jiān)聽”的工作狀態(tài)[4]。

4）休眠模式 該模式無法發(fā)送接收無線數(shù)據(jù)。

主機在發(fā)送數(shù)據(jù)頭需要加上從機的目標地址實現(xiàn)定點傳輸， 從機發(fā)送透明數(shù)據(jù)僅主機可以接收。為降低功耗，從機發(fā)送數(shù)據(jù)時加上喚醒碼和主機處接受模塊地址信道，喚醒主機處的接受模塊接受數(shù)據(jù)。

2.1.2 SIM900A 模塊

無線數(shù)據(jù)傳輸電路SIM900A 模塊5 V 供電，可直接與3.3 V 或5 V 單片機相連。硬件連接完成后可通過串口發(fā)送AT 指令，支持短信、彩信、上網(wǎng)等，具有遠程復(fù)位和DTMF 功能，可實現(xiàn)現(xiàn)場無人遠程復(fù)位與遙控。另外，模塊有待機、休眠2 種狀態(tài)，可低功耗傳輸數(shù)據(jù)， 待機時電流約80 mA， 休眠時約10 mA。

該系統(tǒng)設(shè)計中主機不會主動向用戶端發(fā)送信息，但可以接受、處理從機傳輸過來的數(shù)據(jù)。只有用戶端向主機發(fā)送相應(yīng)指令時，主機才會把對應(yīng)信息發(fā)送給用戶端。用戶端發(fā)送指令模式為8 位數(shù)據(jù)碼，主機向用戶端發(fā)送數(shù)據(jù)也是8 位，具體見表1。

表1 數(shù)據(jù)格式Tab.1 Data format

表中，機位為待查詢的從機編碼；功能碼的低位規(guī)定必須為0，功能碼功能見表2。

表2 對應(yīng)功能碼功能Tab.2 Functions of corresponding function codes

例如，用戶端向主機發(fā)送“01 20 00 00”，表示用戶要求查看從機1 的溫度、濕度。主機會對從機發(fā)過來的數(shù)據(jù)進行處理，然后向用戶端發(fā)送當前從機1 的溫度和濕度為“01 00 20 30”，而用戶看到的為溫度值20 和濕度值30。

2.2 電源模塊

對傳感器、控制器持續(xù)供電是保證各節(jié)點正常工作的關(guān)鍵。在大棚內(nèi)采用埋線法對各器件供電，不僅降低靈活度，還存在安全隱患，電路維修也存在困難。

該設(shè)計采用由太陽能電池板、 充電鋰電池、充電管理電路、 穩(wěn)壓電路等組成的供電系統(tǒng)， 如圖3所示。太陽能板通過充電電路向鋰電池充電，鋰電池通過穩(wěn)壓電路向耗電設(shè)施提供電量。使設(shè)備自給自足解決電源問題。系統(tǒng)各節(jié)點可靈活放置，節(jié)省人力物力。

圖3 供電系統(tǒng)Fig.3 Power supply system

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)的子節(jié)點主要用于采集、控制大棚內(nèi)的溫濕度等信息。子節(jié)點處微處理器對信息進行處理后將數(shù)據(jù)發(fā)送至主節(jié)點。同時，子節(jié)點處微處理器也會根據(jù)主節(jié)點傳回的信息，控制相關(guān)設(shè)備改變大棚內(nèi)的溫、濕度等環(huán)境參數(shù)。如果用戶在大棚內(nèi)，也可以通過子節(jié)點處的按鍵控制相關(guān)設(shè)備來改變大棚內(nèi)溫、濕度等環(huán)境參數(shù)。

該系統(tǒng)的程序流程如圖4所示。子節(jié)點處微處理器先對程序進行初始化處理，判斷是否有中斷請求， 如果有則程序會在正在執(zhí)行的地方形成斷點，去執(zhí)行中斷，開啟與主機的通信。如果主機發(fā)出了傳輸數(shù)據(jù)的請求， 從機會把采集到的大棚內(nèi)的溫、濕度等數(shù)據(jù)發(fā)送到主機；如果從機收到由用戶端發(fā)送到主機再由主機發(fā)送給從機的加熱指令，從機會控制加熱器打開，使其加熱至指定溫度，達到指定溫度后加熱器關(guān)閉； 如果從機收到增加濕度的指令，從機會控制水泵打開并開始滴灌，當達到指定濕度時水泵關(guān)閉停止滴灌。當中斷處理完成時，程序會再次回到斷點處執(zhí)行當初未完成的程序。

如果沒有中斷請求，從機會對大棚內(nèi)溫、濕度等進行采集處理。

主節(jié)點可以與從機進行通信，可以與用戶端進行通信。它是從機與用戶端的中轉(zhuǎn)站，實現(xiàn)信息的遠距離傳輸，從機采集信息發(fā)送給主機，再由主機發(fā)送到用戶端；用戶要查詢大棚內(nèi)的情況，先向主機發(fā)送指令，再有主機將指令發(fā)送給從機進行控制。

圖4 系統(tǒng)程序流程Fig.4 System program flow chart

用戶端發(fā)送的指令主要有：查看指令——了解哪些從機在工作；查詢溫濕度指令——當發(fā)送該指令時從機會將大棚內(nèi)溫、 濕度等數(shù)據(jù)發(fā)送過來；更改指令——執(zhí)行該指令發(fā)出時從機會根據(jù)指令內(nèi)容進行控制，使大棚內(nèi)的加熱器或水泵工作。

由圖4b 可見， 主節(jié)點微處理器判斷用戶端是否向其發(fā)送查看指令，如果發(fā)送指令則先查看哪些從機處于工作狀態(tài)，然后判斷是否需要發(fā)送溫濕度數(shù)據(jù)，根據(jù)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)再判斷是否需要更改大棚內(nèi)的溫度和濕度。

4 結(jié)語

科學(xué)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，由此實現(xiàn)的低功耗、低污染綠色農(nóng)業(yè)具有利國利民的重大意義。文中描述了基于LoRa 傳輸?shù)霓r(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。該系統(tǒng)通過多傳感器檢測大棚內(nèi)空氣和溫濕度等， 并將檢測數(shù)據(jù)進行處理通過LoRa 技術(shù)發(fā)送到主機，主機通過SIM900A 以短信方式最終發(fā)送到用戶端（如手機）；手機與主機雙向通信，手機發(fā)送指令改變環(huán)境參數(shù)，也可以發(fā)送指令在第一時間了解大棚內(nèi)部的實際狀況。通過對信息的及時處理，最終使大棚內(nèi)作物產(chǎn)量增加，解放人工勞動力，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動化監(jiān)控。