LoRa的智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳江雪

摘? 要：現(xiàn)階段，我國(guó)農(nóng)業(yè)智能化普遍采用ZigBee技術(shù)，但ZigBee由于通信頻率較高、容易受到外界信號(hào)的干擾、傳輸距離短、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法保證傳輸?shù)耐暾?、?zhǔn)確性、實(shí)用性和便捷性。針對(duì)ZigBee技術(shù)的短板，基于LoRa技術(shù)以及LoRa開放協(xié)議的智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者的理想選擇。文章以LoRa技術(shù)作為支撐，設(shè)計(jì)了集低耗、高效、綠色于一體的智能化農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：LoRa技術(shù);智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng);系統(tǒng)設(shè)計(jì);系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

中圖分類號(hào)：TP274 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）07-0098-02

Abstract： Agriculture is an important part of our social economy and an important industry to support the national economy. In the context of information globalization， information network technology is gradually mature， and the development of agriculture also needs to keep pace with the times. At present， ZigBee technology is widely used in China's agricultural intelligence， but ZigBee cannot guarantee the integrity， accuracy， practicability and convenience of transmission due to its high communication frequency， easy to be interfered by external signals， short transmission distance and complex network structure. Aiming at the short board of ZigBee technology， the design of intelligent agricultural system based on LoRa technology and LoRa open protocol has become an ideal choice for agricultural producers. Based on Lora technology， an intelligent agricultural Internet of things system with low consumption， high efficiency and green is designed in this paper.

Keywords： Lora technology; intelligent agricultural system; system design; system implementation

隨著社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的興起將農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)推向了新的高度。為了完成物聯(lián)網(wǎng)的全球部署，農(nóng)民及牧場(chǎng)主亟需一種低功耗、低成本、高頻率的傳感器。LoRa作為超遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)有以下三個(gè)方面：首先，LoRa功耗極低，可滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的最基本需求。第二，LoRa具有接收靈敏度高的特點(diǎn)，能夠滿足無線連接準(zhǔn)確性的需求。第三，LoRa具有超遠(yuǎn)的通信距離，能夠有效降低信息干擾。如何利用LoRa技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，將多元化LoRa網(wǎng)絡(luò)與智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)相結(jié)合是本文研究的重點(diǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。本文所設(shè)計(jì)的LoRa智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)主要包括以下五個(gè)方面，分別是：農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)、綠態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)、用戶訪問平臺(tái)、數(shù)據(jù)管理云平臺(tái)、LoRa基站以及終端節(jié)點(diǎn)。其中農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)具有智能學(xué)習(xí)、生產(chǎn)模擬、制定生產(chǎn)策略、技術(shù)指導(dǎo)等功能。綠態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能夠根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，精細(xì)化管理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的農(nóng)藥用量、飼料添加量等。用戶訪問平臺(tái)主要指PC端或手機(jī)客戶端，用以視頻監(jiān)控農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況或接受反饋信息。數(shù)據(jù)管理云平臺(tái)負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括儲(chǔ)存、上傳和反饋。LoRa基站是系統(tǒng)中必不可少的中繼站，用以連接數(shù)據(jù)管理云平臺(tái)和終端節(jié)點(diǎn)，保證數(shù)據(jù)交互。終端節(jié)點(diǎn)包括采集節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)。

本文對(duì)LoRa智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則為雙向、可視可控、綠色以及智能。在自下而上的傳輸過程中，采集節(jié)點(diǎn)收集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過LoRa自組網(wǎng)傳輸給LoRa基站，再經(jīng)過WiFi/3G/4G互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給數(shù)據(jù)管理云平臺(tái)，該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)不僅體現(xiàn)在LoRa技術(shù)的低耗性、高效性和抗干擾性，還實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精細(xì)化管理，能夠有效降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成本和對(duì)環(huán)境的破壞。

2 系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

LoRa網(wǎng)關(guān)可以通過傳感器，在LoRa技術(shù)與網(wǎng)關(guān)組成的傳感網(wǎng)絡(luò)中收集數(shù)據(jù)，也可以通過RS-485芯片采集數(shù)據(jù)。與其他芯片相比，它是一個(gè)真正意義上的單芯片RS485 集成芯片，可大大減少PCD板面積，在RS485輸入/輸出引腳提供±15kV ESD保護(hù)?？偩€最多支持與256個(gè)節(jié)點(diǎn)連接，具有開路和短路故障保護(hù)接收器輸入、高共模瞬變抗擾、熱關(guān)斷保護(hù)等功能。

2.1.2 LoRa基站硬件設(shè)計(jì)

對(duì)LoRa基站而言，低功耗是在其能夠滿足自身復(fù)雜計(jì)算需求的前提而言。ARM STM32F103VET6是一款32位微處理器，具有72MHz CPU的速度和高達(dá)1MB的閃存。包含電動(dòng)機(jī)控制外圍設(shè)備以及CAN和USB全速接口、兩個(gè)高級(jí)定時(shí)器和兩個(gè)基本定時(shí)器。LoRa基站主要包括網(wǎng)絡(luò)接口、電源、主控芯片、SX1278四個(gè)模塊構(gòu)成。

2.1.3 終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

LoRa終端節(jié)點(diǎn)選用Semtech公司生產(chǎn)的SX1278擴(kuò)頻技術(shù)芯片，其主要優(yōu)勢(shì)為傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾性能強(qiáng)、功耗低。根據(jù)系統(tǒng)需求，終端節(jié)點(diǎn)包括采集節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)兩個(gè)部分，主控芯片選用MSP430F149其中采集節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)采集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上報(bào)至LoRa基站，控制節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)執(zhí)行上級(jí)指令。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)在接通電源后進(jìn)行系統(tǒng)初始化，隨后開始接入串口，同時(shí)將LoRa模塊激活。在完成數(shù)據(jù)接收工作后，LoRa模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐幀分析，若數(shù)據(jù)來自數(shù)據(jù)云管理平臺(tái)，則通過LoRa無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給終端節(jié)點(diǎn);若數(shù)據(jù)來自終端節(jié)點(diǎn)，則通過WiFi/3G/4G，將數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)管理云平臺(tái)。數(shù)據(jù)管理云平臺(tái)在接收到來自基站的數(shù)據(jù)后，迅速發(fā)送給用戶訪問平臺(tái)。

2.2.2 LoRa基站軟件設(shè)計(jì)

LoRa基站在接通電源后進(jìn)行系統(tǒng)初始化，開始接入串口，同時(shí)將LoRa模塊激活。在完成數(shù)據(jù)接收工作后，LoRa模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐幀分析，若數(shù)據(jù)來自終端節(jié)點(diǎn)，則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，添加幀頭、幀尾和兩位CRC校驗(yàn)位，通過LoRa無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給LoRa基站;若數(shù)據(jù)來自LoRa基站，則先去除數(shù)據(jù)的幀頭、幀尾和兩位CRC校驗(yàn)位，隨后將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制節(jié)點(diǎn)。

3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)

為了保證整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和真實(shí)性，對(duì)數(shù)據(jù)幀的設(shè)計(jì)可包含以下五種類型：（1）上行數(shù)據(jù)幀。上行數(shù)據(jù)幀表示采集節(jié)點(diǎn)向數(shù)據(jù)管理云平臺(tái)傳遞的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息;（2）下行應(yīng)答幀。下行應(yīng)答幀是對(duì)控制節(jié)點(diǎn)執(zhí)行上層指令情況的反饋，以避免重復(fù)。（3）下行指令幀。下行指令幀表示數(shù)據(jù)管理云平臺(tái)給控制節(jié)點(diǎn)發(fā)出的指令;（4）下行配合指令幀。下行配合指令幀是指數(shù)據(jù)云管理平臺(tái)服務(wù)器在對(duì)控制節(jié)點(diǎn)發(fā)出指令的同時(shí)，對(duì)采集節(jié)點(diǎn)的相關(guān)指令;（5）下行應(yīng)答幀。下行應(yīng)答幀表示數(shù)據(jù)云管理平臺(tái)服務(wù)器已經(jīng)接收到下層控制節(jié)點(diǎn)或采集節(jié)點(diǎn)的信息，并將接收情況反饋給控制節(jié)點(diǎn)和采集節(jié)點(diǎn)。

4 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

4.1 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

LoRa是智能化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)首選技術(shù)，支持一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)多的控制模式，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有動(dòng)態(tài)性和多元性。采用防碰撞算法，在多個(gè)采集節(jié)點(diǎn)同時(shí)運(yùn)行的情況下，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在數(shù)據(jù)的處理上，采用認(rèn)證、驗(yàn)證、按需工作的方式保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?、可靠性和及時(shí)性。

4.2 管理優(yōu)勢(shì)

本系統(tǒng)包括自動(dòng)管理和人工管理兩個(gè)部分。其中自動(dòng)管理是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)控影響種養(yǎng)殖的因素。當(dāng)采集節(jié)點(diǎn)上報(bào)的數(shù)據(jù)有異常時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)行智能防控。人工管理是指農(nóng)業(yè)工作者可通過農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)提供的建議對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行全局管理。人工管理與自動(dòng)化管理相結(jié)合，有效降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的管理成本。

4.3 科學(xué)和環(huán)保優(yōu)勢(shì)

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，首先加入了“農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)”，用戶可以從專家系統(tǒng)中獲取種養(yǎng)殖方法、農(nóng)業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)、國(guó)家政策等信息。在種養(yǎng)殖方法指導(dǎo)下，進(jìn)行科學(xué)、正確的農(nóng)業(yè)生產(chǎn);了解國(guó)家政策，跟進(jìn)國(guó)家發(fā)展腳步;知曉行業(yè)動(dòng)態(tài)，精實(shí)生產(chǎn)。此外，本系統(tǒng)還特意加入了“綠態(tài)農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)”，在響應(yīng)國(guó)家“綠色”發(fā)展的同時(shí)，注重農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，根據(jù)對(duì)現(xiàn)階段我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、以及對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展需求的分析，農(nóng)業(yè)發(fā)展離不開現(xiàn)代化信息技術(shù)。在LoRa技術(shù)下，農(nóng)業(yè)發(fā)展將向數(shù)字化、可控化、智能化以及綠色化發(fā)展，為農(nóng)業(yè)工作者提供了顯著的技術(shù)、管理以及科學(xué)環(huán)保優(yōu)勢(shì)。

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