基于LoRa的花卉溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

阮進(jìn)軍

基于LoRa的花卉溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

阮進(jìn)軍

（安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系，安徽蕪湖，241002）

花卉種植溫室面積大、環(huán)境復(fù)雜，傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)中使用的ZigBee短距無線技術(shù)已經(jīng)無法滿足此類溫室環(huán)境監(jiān)測的需求。系統(tǒng)采用功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)的LoRa網(wǎng)絡(luò)將傳感器采集的溫室環(huán)境參數(shù)從感知層傳輸?shù)綉?yīng)用層，利用基于改進(jìn)自適應(yīng)加權(quán)算法的數(shù)據(jù)融合模型對采集的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，方便管理人員使用智能手持設(shè)備及時掌握選定溫室的整體環(huán)境狀態(tài)，為后續(xù)利用云平臺智能調(diào)控花卉溫室環(huán)境提供數(shù)據(jù)支持，具有廣泛的應(yīng)用前景。

LoRa; 數(shù)據(jù)融合；自適應(yīng)加權(quán)算法；環(huán)境監(jiān)測。

目前，溫室花卉種植企業(yè)從提高生產(chǎn)效率出發(fā)，設(shè)置的溫室單體面積都比較大，因此要求用于監(jiān)測環(huán)境的傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍也相應(yīng)較大。傳統(tǒng)的ZigBee技術(shù)在傳輸距離、抗干擾以及網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性等方面已經(jīng)不能滿足大面積花卉溫室環(huán)境監(jiān)測的需求。LoRa是一種低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）技術(shù)，解決了傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸與低功耗不能兼得的問題[1]。同時，它將數(shù)字信號處理技術(shù)、前向糾錯編碼技術(shù)、GFSK調(diào)制技術(shù)與擴(kuò)頻通信技術(shù)相融合[2]，具有更多的鏈路預(yù)算和更好的抗干擾性能[3]，此外LoRa使用非授權(quán)頻段通信，無需考慮后期向通信運(yùn)營商支付通信服務(wù)費(fèi)，系統(tǒng)使用成本低。因此LoRa技術(shù)更加適用于大面積花卉溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)體系設(shè)計(jì)，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

感知層中的終端節(jié)點(diǎn)實(shí)時采集溫室環(huán)境中影響花卉生長的環(huán)境因子（溫度、濕度、光照度和CO2濃度）數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)層利用LoRa網(wǎng)絡(luò)，將感知層數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)傳送至應(yīng)用層的云平臺服務(wù)器集群，云平臺服務(wù)器集群運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)完成數(shù)據(jù)的存儲、處理及分析工作后，將溫室的環(huán)境數(shù)據(jù)根據(jù)用戶的具體需求呈現(xiàn)在終端或智能設(shè)備之上，為后續(xù)利用云平臺智能調(diào)控花卉溫室環(huán)境提供數(shù)據(jù)支持。

1.2 終端節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

花卉溫室環(huán)境由于面積較大，每個溫室中都布設(shè)了較多的采集終端節(jié)點(diǎn)，雖然理論上LoRa網(wǎng)關(guān)可以容納幾萬個節(jié)點(diǎn)，但是在實(shí)際使用中如果單個LoRa網(wǎng)關(guān)連接的終端節(jié)點(diǎn)過多，存在網(wǎng)絡(luò)癱瘓或誤碼率增加的風(fēng)險(xiǎn)[4]。由此本系統(tǒng)為每個溫室配置一個獨(dú)立的LoRa網(wǎng)關(guān)，和采集終端節(jié)點(diǎn)組成多對一星型網(wǎng)絡(luò)，每個溫室中的采集終端節(jié)點(diǎn)只與自己配屬的LoRa網(wǎng)關(guān)通信。由于正常情況下這些單個溫室終端節(jié)點(diǎn)連接狀態(tài)不會出現(xiàn)大幅度的變化，且每個終端節(jié)點(diǎn)采集的信息數(shù)據(jù)量較小，對網(wǎng)絡(luò)傳輸速率和功耗要求低，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)無需使用復(fù)雜的LoRaWAN通信協(xié)議架構(gòu)，只需要讓網(wǎng)關(guān)與本溫室范圍內(nèi)的所有采集終端節(jié)點(diǎn)保持穩(wěn)定的長連接即可。因此系統(tǒng)的硬件的選型和設(shè)計(jì)上可以做到更加的輕量化，能為用戶節(jié)約大量的硬件投入成本。

1.2.1終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)主要由MCU、LoRa通信、傳感器和電源管理模塊構(gòu)成，如圖2所示。

MCU模塊選用TI公司16位單片機(jī)MSP430F149,該產(chǎn)品支持5種省電模式，可充分滿足終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)需求。通信模塊采用基于LoRa調(diào)制技術(shù)的無線射頻收發(fā)器SX1278[5],它工作于Sub-1GHz[6]頻段，功耗超低，能夠?qū)崿F(xiàn)超遠(yuǎn)距離的擴(kuò)頻調(diào)制通信，尤其適用于傳輸速率不高的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，它使用SPI總線與MCU雙向通信，可將MCU接收到的采集數(shù)據(jù)發(fā)送到LoRa網(wǎng)關(guān)，也可接收LoRa網(wǎng)關(guān)下發(fā)的指令交由MCU控制相應(yīng)的繼電器模塊實(shí)現(xiàn)對溫室環(huán)境的調(diào)控操作。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

傳感器模塊從可靠性、能耗、價格因素等實(shí)際需求出發(fā)，分別選擇了DS18B20數(shù)字溫度傳感器、DHT21數(shù)字濕度傳感器、TSL2561數(shù)字型環(huán)境光傳感器和自帶溫度補(bǔ)償功能的MH-Z19B CO2傳感器。其中DHT21、DS18B20傳感器采用單總線技術(shù)分別和MSP430F149的通用I/O口P6.2和P6.3連接，CO2傳感器MH-Z19B則通過RXD和TXD引腳與MSP430F149進(jìn)行連接，其中RXD引腳用于接收單片機(jī)的控制信號，TXD引腳負(fù)責(zé)向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。TSL2561傳感器通過I2C總線的SCL和SDA直接連接單片機(jī)控制器，使用內(nèi)部集成的16個寄存器接收MSP430F149的控制指令。以上各種傳感器與單片機(jī)的接口電路如圖3所示。

圖3 傳感器接口電路

考慮到溫室環(huán)境監(jiān)測的具體情況，系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)選擇了對環(huán)境污染較小，且單位能量高的3.7V鋰電池作為系統(tǒng)電源。但是終端節(jié)點(diǎn)中各模塊對電源電壓的要求卻并不相同，例如MCU模塊和LoRa通信模塊使用的是3.3V直流電源，傳感器模塊中的DHT21和MH-Z19B則采用5V直流電源供電。因此終端節(jié)點(diǎn)中的電源管理模塊分別利用PS7516和AMS1117-3.3芯片，搭建升壓和降壓電路，并附加必要的穩(wěn)壓和濾波電路為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流5V和3.3V兩種電源電壓，從而有效保障了系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)的用電需求。

1.2.2 LoRa網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)

LoRa網(wǎng)關(guān)在系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)中起到了中間橋梁的作用，它接收自己覆蓋范圍內(nèi)的終端節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，通過3G/4G/WiFi或者有線傳輸方式，利用Internet網(wǎng)絡(luò)上傳至云平臺服務(wù)器集群進(jìn)行存儲和處理，同時云平臺下達(dá)的控制指令也需要通過LoRa網(wǎng)關(guān)發(fā)送至控制節(jié)點(diǎn)執(zhí)行。

LoRa網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖4所示，它由MCU、LoRa通信模塊、電源管理和網(wǎng)絡(luò)接口模塊四部分組成。其中LoRa通信模塊、電源管理模塊和上述終端節(jié)點(diǎn)中的相應(yīng)模塊采用相同的設(shè)計(jì)方法，考慮到網(wǎng)關(guān)需要轉(zhuǎn)發(fā)大量數(shù)據(jù)、有一定量的復(fù)雜數(shù)據(jù)計(jì)算，因此MCU模塊選擇ST公司的STM32L073RZT6 32位微處理器作為主控芯片。STM32L073RZT6基于ARMCortex-M3內(nèi)核架構(gòu)設(shè)計(jì)，具有休眠電流小、工作頻率高且價格低廉等優(yōu)勢，完全能滿足LoRa網(wǎng)關(guān)的硬件需求。網(wǎng)絡(luò)接口模塊負(fù)責(zé)LoRa網(wǎng)關(guān)與云平臺之間的數(shù)據(jù)傳輸，它通過UART與主控芯片連接，利用現(xiàn)有成熟、穩(wěn)定可靠的有線、無線傳輸方式（RJ45網(wǎng)線、3G/4G、WIFi等）將LoRa網(wǎng)關(guān)接收到的節(jié)點(diǎn)采集信息傳輸?shù)皆破脚_。

圖4 LoRa網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)

2.數(shù)據(jù)處理

溫室面積比較大，即使在同一個溫室不同位置的環(huán)境溫度、濕度、光照度和CO2濃度參數(shù)也會存在一定差異，此外采集過程中傳感器也可能受到外界干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大幅度的偏差。為此，系統(tǒng)在溫室不同位置布置多個傳感器同時采集溫室環(huán)境參數(shù)，再利用自適應(yīng)加權(quán)融合算法實(shí)施數(shù)據(jù)級融合，分別獲得整個溫室溫度、濕度、光照度和CO2濃度的最優(yōu)估計(jì)值，方便用戶比較直觀的掌握每個獨(dú)立溫室的整體狀態(tài)。根據(jù)上述花卉溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文提出了一種基于改進(jìn)自適應(yīng)加權(quán)算法的數(shù)據(jù)融合模型，由于每個節(jié)點(diǎn)都要采集溫度、濕度、光照度和CO2濃度4個環(huán)境信息，因此系統(tǒng)需要分別使用4個融合模型進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，每一種模型處理數(shù)據(jù)的原理和步驟完全相同，模型結(jié)構(gòu)如圖5所示。模型由信息輸入層、中間層和融合輸出層組成，分別對應(yīng)花卉溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

圖5 基于改進(jìn)自適應(yīng)加權(quán)算法的數(shù)據(jù)融合模型結(jié)構(gòu)圖

2.1 信息輸入層模型

位于系統(tǒng)感知層的采集終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)為信息輸入層提供數(shù)據(jù)，以CO2濃度采集為例，由于溫室環(huán)境相對比較封閉，在連續(xù)幾個采樣區(qū)間采集的CO2濃度可能變化幅度非常小，如果不做任何處理直接發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，不僅沒有意義，還會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中存在大量冗余數(shù)據(jù)增加網(wǎng)絡(luò)傳輸能耗，因此信息輸入層首先在每個節(jié)點(diǎn)內(nèi)對各自采集的CO2濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，具體方法是：只有本次采集的值x(t)與前次采集的記錄值x(t-1)變化超出預(yù)設(shè)值θ時，才能被記錄下來，并被節(jié)點(diǎn)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，否則將被視為無顯著變化數(shù)據(jù)不予記錄，從而有效降低了網(wǎng)絡(luò)傳輸能耗。

2.2 中間層模型

此時確定與中位數(shù)的距離大于𝛃mf的數(shù)據(jù)為離異值（此處𝛃為常數(shù)，用于控制系統(tǒng)的精度，通常取值為0.5、1.0或2.0），因此

2.3 融合輸出層

中間層采用分布圖法剔除了疏失誤差后，可以將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)傳輸至系統(tǒng)應(yīng)用層的云平臺服務(wù)器集群進(jìn)行存儲，但是每個溫室的傳感器數(shù)據(jù)非常多，不利于用戶直觀掌握整體溫室的環(huán)境狀況，自適應(yīng)加權(quán)數(shù)據(jù)融合算法[8]比較簡單，在使用多個傳感器監(jiān)測某信源特征信號時,通過把數(shù)據(jù)誤差小的傳感器權(quán)數(shù)增大,誤差大的權(quán)值縮小的方式調(diào)整各權(quán)值,使總均方誤差最小,保證融合后的特征值最優(yōu)[9]。圖5中的融合輸出層展示了其基本結(jié)構(gòu)。

2.4 自適應(yīng)加權(quán)數(shù)據(jù)融合算法改進(jìn)

（1）系統(tǒng)調(diào)用數(shù)據(jù)庫中存儲的第i個CO2濃度傳感器相鄰的k次測量原始值，計(jì)算該傳感器的均值為：

（2）此時的總估計(jì)值為：

（3）總均方差為：

3.系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)例

花卉溫室管理人員及基地高層管理人員使用手機(jī)通過身份驗(yàn)證后登錄系統(tǒng)云平臺，可查看自己權(quán)限范圍內(nèi)所有花卉基地的溫室環(huán)境狀態(tài)，如圖6（a）所示。系統(tǒng)會自動對基地進(jìn)行排序，將最需要關(guān)注的基地置頂，方便用戶及時處理，用戶也可以利用搜索欄直接查找需要關(guān)注的溫室基地信息。點(diǎn)擊圖6（a）中需要查看的基地名稱，打開該基地的溫室情況一覽界面，如圖6（b）所示。界面中的數(shù)據(jù)每隔1分鐘會根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)刷新一次，保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時有效性。當(dāng)基地中的某個溫室環(huán)境參數(shù)超出了該溫室種植花卉的適宜環(huán)境指標(biāo)閾值上限時，系統(tǒng)將顯示警告及異常信息提醒用戶及時關(guān)注和處理。圖6（b）中1號溫室的濕度參數(shù)達(dá)到了閾值上限，2號溫室的溫度則超出了閾值上限，系統(tǒng)分別顯示黃色警告標(biāo)志和紅色異常標(biāo)志，此時用戶可以選擇自動控制按鈕，選擇云平臺根據(jù)溫室歷史大數(shù)據(jù)智能計(jì)算獲得的最優(yōu)解決方案，控制執(zhí)行部件迅速使溫室環(huán)境恢復(fù)到適宜作物生長的正常狀態(tài)。

6(a) 6(b)

4.結(jié)語

針對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)ZigBee技術(shù)功耗大、容易受到外界干擾、傳輸距離有限，難以適應(yīng)面積大、環(huán)境復(fù)雜的現(xiàn)代花卉溫室環(huán)境監(jiān)測需求，采用改進(jìn)的多傳感器自適應(yīng)加權(quán)數(shù)據(jù)融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)了基于LoRa技術(shù)的花卉溫室環(huán)境監(jiān)測，花卉溫室管理人員及基地高層管理人員可以遠(yuǎn)程實(shí)時掌握選定溫室的溫度、濕度、光照度和CO2濃度信息，方便用戶后續(xù)使用云平臺智能調(diào)控花卉溫室環(huán)境，提高溫室生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。

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Design and Implementation of Flower Greenhouse Environment Monitoring System Based on LoRa

RUAN Jin-jun

The flower-growing greenhouses are becoming larger with the increasingly complex environment, so the ZigBee short-range wireless technology used in traditional monitoring systems cannot meet the requirements for this type of greenhouse environmental monitoring.The new system can transmit the greenhouse environmental parameters collected by the sensor from the sensing layer to the application layer by use of the LoRa network with low power consumption, long transmission distance and strong anti-interference ability and carry out the data fusion on the collected sensor data by use of the data fusion model based on the adaptive weighting algorithm performs.Hence, the administrators can select the overall environmental status of the selected greenhouse in time with the smart handheld devices to provide data support for the subsequent intelligent control of the flower greenhouse environment with the cloud platform, which has broad application prospects.

LoRa; data fusion;adaptive weighting algorithm; environmental monitoring

S126

A

1009-1114（2019）03-0030-05

2019-07-11

阮進(jìn)軍（1976—），安徽桐城人，副教授，碩士，研究方向?yàn)闊o線傳感網(wǎng)絡(luò)、智能系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

研究項(xiàng)目：安徽省教育廳自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（KJ2015A413、KJ2017A589）；安徽省教育廳高等職業(yè)教育創(chuàng)新發(fā)展動計(jì)劃項(xiàng)目（2016CX30）。

文稿責(zé)編 喻潔