基于LoRa的溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計

鄭貴林 汪體成

摘要：為了實現(xiàn)對溫室農業(yè)環(huán)境參數(shù)信息的遠程獲取，同時針對ZigBee、Wi-Fi等無線技術存在通信距離短、抗干擾能力弱、網絡拓撲復雜等缺點，提出一種基于無線低功耗局域網（LoRa）的無線溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)由傳感器子節(jié)點和匯聚節(jié)點組成。傳感器節(jié)點由2節(jié)18650鋰電池供電，選用互聯(lián)型芯片微處理機控制單元（MCU） STM32F107作為主控芯片，選用SX1278作為LoRa射頻模塊，通過星型網絡連接匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點下行通過LoRa射頻模塊連接傳感器節(jié)點，上行通過4G（指第4代移動通信技術）網絡連接服務器，同時設計有SD卡（secure digital memory card，簡稱安全數(shù)碼卡）存儲備份數(shù)據(jù)。試驗驗證表明，該系統(tǒng)具有安裝便捷、通信距離遠、抗干擾能力強、維護簡單等特點，具有很好的應用前景。

關鍵詞：農業(yè)監(jiān)測;溫室;LoRa技術;傳感器;智能監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號： S126;TP274+.2? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）10-0216-03

溫室又稱暖房，通過維持室內的光照、溫度、濕度、二氧化碳含量等，可以為培養(yǎng)的植物創(chuàng)造一個良好的生長環(huán)境，以達到反季節(jié)種植、增加產量等效果。近年來，我國設施園藝得到了快速發(fā)展，截至2012年，我國玻璃溫室面積接近 9 000 hm2，占世界總面積的22.5%[1]。隨著科學技術的發(fā)展，傳感器技術、自動控制技術、網絡通信技術被逐步應用于農業(yè)畜牧業(yè)中，促進了溫室智能化管理技術的發(fā)展[2-3]。實現(xiàn)對溫室內環(huán)境參數(shù)的實時精準測控，可以為作物提供最佳的生長環(huán)境，還能提高生產效率，降低管理成本。

韓慧設計了基于RS485總線的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[4]，李世紅等設計了基于控制器局域網絡（CAN）總線和GPRS（通用分組無線服務技術）的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)[5];付煥森等設計了基于PLC（可編程邏輯控制器）和組態(tài)技術的現(xiàn)代農業(yè)溫室控制系統(tǒng)[6]。上述系統(tǒng)均需要使用通信線連接傳感器，存在成本高、安裝維護復雜等缺點。陳高鋒等設計了基于STM32和ZigBee的小型溫室環(huán)境控制系統(tǒng)[7]，ZigBee網絡拓撲復雜，由于ZigBee技術的通信頻率高，信號衰減快，以及同一頻段Wi-Fi、藍牙信號的干擾，導致ZigBee傳輸距離短，抗干擾能力弱[8]。馬增煒等設計了基于Wi-Fi的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)[9]，Wi-Fi通信技術適合用于傳輸圖片、視頻等大流量數(shù)據(jù)，存在傳輸距離有限、功耗高等缺點。針對RS485、CAN、PLC等總線技術以及ZigBee、Wi-Fi等無線技術在溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)應用中存在的各種缺點，本研究設計了基于無線低功耗局域網（LoRa）無線技術的溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點組成，傳感器節(jié)點采集溫室內光照、溫度、濕度、二氧化碳含量等信息，通過LoRa網絡上傳數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點通過4G網絡上傳數(shù)據(jù)到服務器。系統(tǒng)兼顧了傳輸距離和節(jié)點功耗，安裝便捷，維護方便，具有很好的應用前景。

1 LoRa介紹

近年來，隨著物聯(lián)網技術的興起，為了滿足越來越多遠距離物聯(lián)網設備的接入需求，出現(xiàn)了一種低功耗廣域物聯(lián)網（low power wide area network，簡稱LPWAN）接入技術。該技術采用星型網絡覆蓋方式，具有傳輸距離遠、運行功耗低、運維成本低等特點，適合只有少量數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)膽脠鼍?。LoRa是LPWAN通信技術中的1種，它采用線性調頻擴頻技術，既降低了通信功耗，又增加了通信距離，改變了以往關于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式。特有的擴頻技術也使得其通信容量很大，即使不同擴頻序列終端使用相同的頻率也不會相互干擾，可并行接收處理多個節(jié)點的數(shù)據(jù)。它采用前向接錯技術，在待傳輸數(shù)據(jù)序列中增加了冗余信息，在接收端計時糾正數(shù)據(jù)傳輸過程中注入錯誤碼元，采用信道沖突檢測機制，解決了節(jié)點數(shù)據(jù)并發(fā)丟包問題，極大地提高了網絡的魯棒性[10]。

2 系統(tǒng)架構

為了對溫室內環(huán)境數(shù)據(jù)進行遠程監(jiān)控和管理，搭建了如圖1所示的溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)包括傳感器子節(jié)點、匯聚節(jié)點、云端服務器、可視化軟件4個部分。傳感器子節(jié)點可通過RS485方式采集各個傳感器的信息，利用子節(jié)點與匯聚節(jié)點的LoRa芯片，實現(xiàn)節(jié)點與匯聚節(jié)點之間的組網。LoRa通信網絡采用星形的網絡拓撲結構，匯聚節(jié)點作為網絡協(xié)調器，承擔建立網絡的職責，各個傳感器子節(jié)點可以自主加入網絡，并將傳感器檢測到的溫度、濕度、CO2濃度、光照等信息通過LoRa網絡傳送至匯聚節(jié)點。

本系統(tǒng)使用的LoRa芯片為Semtech公司的SX1278模塊，匯聚節(jié)點設備通過SPI（串行外設接口）接入SX1278模塊，并設置模塊的相關參數(shù)，傳感器子節(jié)點也用SPI接口接入SX1278模塊并設置成相同參數(shù)，傳感器子節(jié)點和匯聚節(jié)點便可自動組成通信網絡。

匯聚節(jié)點通過對收到的數(shù)據(jù)進行解析、校驗，根據(jù)信息中的地址信息判斷是哪一個傳感器子節(jié)點的消息，并將收到的數(shù)據(jù)進行保存，同時通過匯聚節(jié)點的4G模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至云端服務器。云端服務器可對數(shù)據(jù)進行分析、保存、歸類等，用戶可通過計算機或手機打開可視化軟件就可查看檢測到的信息。

3 系統(tǒng)的硬件設計

本研究設計的溫室環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設計主要包括匯聚節(jié)點設計、傳感器節(jié)點設計2個部分。其中匯聚節(jié)點用太陽能充電的蓄電池供電，傳感器子節(jié)點由2節(jié)可充電的18650鋰電池供電。

3.1 匯聚節(jié)點的設計

匯聚節(jié)點的硬件框架如圖2所示。匯聚節(jié)點是監(jiān)測系統(tǒng)中通信的關鍵，需要完成數(shù)據(jù)的接收、解析、校驗、存儲、發(fā)送5個環(huán)節(jié)?？紤]到系統(tǒng)對通信的實時性要求較高，故采用以Cortex-M3為內核的STM32F107VC為控制器作為匯聚節(jié)點的主控芯片。STM32外接25 MHz晶振，經內部振蕩電路，時鐘頻率最高可達72 MHz，集成64 kB SRAM（靜態(tài)隨機存取存儲器）、256 kB ROM（只讀存儲器），具有3路串行SPI接口、3路USART（通用同步/異步串行接收/發(fā)送器）接口，支持USB接口功能。SX1278 LoRa模塊和SD卡（secure digital memory card，簡稱安全數(shù)碼）通過SPI方式與控制芯片連接，4G模塊通過USB接口與控制芯片連接。電源管控模塊將所連接的太陽能電池發(fā)出的電力穩(wěn)壓、存儲入配套的鋰電池中，系統(tǒng)的全部工作電源包括數(shù)據(jù)采集、傳感器、控制命令等單元均由該蓄電池提供。

3.2 LoRa通信接口設計

LoRa芯片選用SX1278模塊，SX1278是一款高性能、低功耗、遠距離的微功率無線模塊，是標準的4線SPI接口。系統(tǒng)主控芯片STM32F107自帶SPI接口，可與之直接連接，通過SPI方式對SX1278進行參數(shù)配置、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收即可實現(xiàn)LoRa的通信功能。SX1278模塊與微處理機控制單元（MCU）需要共地連接，否則模塊將無法正常工作。模塊的RESET管腳用來復位模塊，低電平有效，高電平運行，只有在程序初始化時需要對模塊進行復位操作，之后需要保持復位管腳高電平，因此將復位管腳設計成上拉方式，可以保證模塊正常運行。SD卡與MCU（微控制單元）的連接方式與LoRa模塊的連接方式相同，LoRa的SPI接口設計如圖3所示。

3.3 4G接口設計

匯聚節(jié)點選用USR-G402TF作為與服務器的通信模塊。USR-G402TF支持移動/聯(lián)通2G、3G、4G和電信4G網絡高速接入，具有50 Mbps上行、150 Mbps下行的最大通信速率。通信端口為USB 2.0高速接口。STM32F107主控芯片是STM32互聯(lián)型產品OTG_FS控制器，可作為USB主機和從機雙重模式，支持USB高速模式。將USR-G402TF模塊的USB接口與MCU的USB接口連接，即可實現(xiàn)MCU與4G模塊之間的通信。

3.4 傳感器子節(jié)點的設計

傳感器子節(jié)點的硬件框架如圖4所示。傳感器子節(jié)點是系統(tǒng)檢測的基礎，需要對溫室內溫度、濕度、氣壓、CO2濃度、光照度等信息進行收集。傳感器與傳感器子模塊通過RS485方式進行通信，可隨時增加傳感器節(jié)點數(shù)。RS-485總線采用差分信號傳輸，抑制共模干擾的能力較強，控制芯片的串行通信接口直接與隔離性RS485收發(fā)器ADM2483相連，完成RS485電平與TTL（晶體管-晶體管邏輯集成電路）電平之間的轉換。ADM2483內部集成磁隔離技術，無需添加額外的隔離電路，且不需要外接限流電路，相比于傳統(tǒng)的RS485收發(fā)器+光耦隔離器的設計方式，極大地簡化了電路。傳感器子模塊使用電池供電，要求功耗低，所以選用低功耗處理器STM8S103為控制器作為主控芯片。STM8S103帶1路SPI接口，與匯聚節(jié)點一樣可以與SX1278 LoRa模塊直接連接。為了防止電池出現(xiàn)電量耗盡的情況，系統(tǒng)還添加了電池監(jiān)控電路，定期測量電池的電量，低電量時便提醒更換電池。

4 嵌入式軟件設計

嵌入式軟件設計的重點在于匯聚節(jié)點主控程序設計、LoRa無線通信程序設計、傳感器子節(jié)點控制程序設計等。嵌入式軟件利用KEIL 5.0作為開發(fā)環(huán)境，對于匯聚節(jié)點開發(fā)完成了串口驅動程序、4G模塊驅動程序、SD卡驅動程序、LoRa驅動程序，并移植了UCOSⅡ系統(tǒng)，可同步運行多個處理任務。

4.1 匯聚節(jié)點的程序設計

匯聚節(jié)點執(zhí)行的任務主要包括數(shù)據(jù)采集任務和與云端服務器的通信任務。上電后，STM32對硬件需求進行初始化配置，包括串口USART初始化、SPI接口初始化、USB接口初始化等。然后利用UCOSⅡ系統(tǒng)創(chuàng)建了通信任務和數(shù)據(jù)采集任務。在通信任務中，匯聚節(jié)點與云端服務器之間的數(shù)據(jù)交互由4G通信完成，匯聚節(jié)點與傳感器子節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交互由LoRa通信完成，調試時用USART完成。數(shù)據(jù)采集任務將系統(tǒng)設置為周期性采集，當?shù)竭_采集時間時，系統(tǒng)向傳感器子節(jié)點發(fā)送采集命令，并打開定時器，在一定時間段內若收到傳感器子節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)分類保存到SD存儲卡中。數(shù)據(jù)采集任務流程如圖5所示。

4.2 LoRa通信部分的軟件設計

SX1278工作前先要復位，然后才能進入初始化。操作的主要步驟就是復位、初始化、發(fā)射、接收等。

（1）復位。這步是將RESET腳拉低大于100 μs，然后拉高大于5 ms，即可對其進行初始化。（2）初始化。主要通過SPI接口進行設置。首先將模塊設置為睡眠模式，接著設置為LoRa擴頻調制模式，再設置為空閑模式，然后依次設置各種參數(shù)：端口映射、頻率、功率、擴頻因子、糾錯編碼率、CRC（循環(huán)冗余校驗碼）校驗、擴頻帶寬、同步頭、有效負載長度、接收超時時間、低數(shù)據(jù)率優(yōu)化等，如果需要接收功能，初始化后將模塊設置為連續(xù)接收模式。之后就可以進行發(fā)射與接收處理了。（3）發(fā)射。SX1278的模式切換必須先經過空閑模式，而后才能切換到相應的模式。所以在數(shù)據(jù)準備好之后，做發(fā)射操作之前，應先將模塊設置為空閑模式，然后再配置相應的操作，如跳頻設置、端口映射、有效負載長度、FIFO（first input first output，簡稱先進先出）基址等，然后以SPI突發(fā)訪問的方式往緩沖區(qū)中送數(shù)據(jù)，送完后即可設置為發(fā)射模式，讓其自動發(fā)射。（4）接收。SX1278的接收可以通過判斷映射腳的狀態(tài)（默認為DIO0，有高電平出現(xiàn)）或者通過查詢中斷標志寄存器0x12的第6位的狀態(tài)來決定是否接收到了數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用的是查詢中斷標志寄存器的方式。

4.3 傳感器子節(jié)點的程序設計

傳感器子節(jié)點的主要任務是接收匯聚節(jié)點的采集指令并對傳感器下發(fā)采集命令。傳感器節(jié)點利用485總線對傳感器數(shù)據(jù)進行采集。未收到采集命令時，子節(jié)點控制器與SX1278均處于待機狀態(tài)。當SX1278 LoRa模塊收到匯聚節(jié)點發(fā)送的采集命令時，LoRa模塊通過SPI的方式喚醒控制器，控制器解析指令后，打開傳感器電源并通過RS485總線給傳感器發(fā)送所感知數(shù)據(jù)的讀取指令，當控制器收到傳感器反饋的環(huán)境數(shù)據(jù)后，控制器關閉傳感器電源并將數(shù)據(jù)上傳至匯聚節(jié)點，然后控制器讀取電池電量信息，若電量已經過低，則向匯聚節(jié)點上報電量低警告，然后子節(jié)點系統(tǒng)再次進入待機狀態(tài)，等待下一個數(shù)據(jù)讀取周期。

5 可視化軟件設計

筆者利用HTML 5開發(fā)了溫室環(huán)境智能監(jiān)測軟件，僅需要瀏覽器便可以打開，可跨平臺運行，可應用于多種終端設備，安裝和維護成本較低。使用者通過該軟件可實時在線查看溫室內的環(huán)境信息，觀察歷史變化曲線，軟件可以幫助用戶更好地使用數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)的智能化水平。軟件界面如圖6所示。

6 應用與總結

將系統(tǒng)運行在某農場內，對其溫室環(huán)境進行監(jiān)測，整個農場僅需1臺匯聚節(jié)點設備即可實現(xiàn)整個農場溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的實時上傳，可擴展性的傳感器子節(jié)點也為其帶來了便利，可隨時增加對傳感器的需求。通過將數(shù)據(jù)上傳至云端服務器，可以隨時隨地查看溫室內的環(huán)境信息，基于HTML 5的APP（應用程序）也使得軟件更新方便、快捷 跨平臺的應用對于開發(fā)人員減少了開發(fā)周期，便于及時修補漏洞，使得用戶的體驗度更好?？傮w可見，本研究搭建的基于LoRa的溫室環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)有一定的應用價值，值得推廣。

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