基于物聯(lián)網(wǎng)技術的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計

潘新元 劉志強 張禮麟 段海軍 韓勇

摘? ?要：文章針對農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)點多、數(shù)據(jù)率低的特點，設計了一種基于LoRa與GPRS技術的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。匯聚節(jié)點利用GPRS無線網(wǎng)絡，將終端節(jié)點采集的數(shù)據(jù)打包發(fā)送到服務器端，用戶通過網(wǎng)頁或安卓手機遠程監(jiān)測溫室環(huán)境，控制電磁閥開關，驅動熱風機加熱以及其他控制設備。該系統(tǒng)結構簡單靈活、功耗低、傳輸距離遠，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：農(nóng)業(yè)環(huán)境;無線網(wǎng)絡;數(shù)據(jù)采集;遠程監(jiān)控

隨著科學技術的發(fā)展與國家的鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，農(nóng)業(yè)智能化越來越成為一種必要[1]。我國農(nóng)業(yè)大棚區(qū)域面積大，種植環(huán)境相對復雜，隨著農(nóng)業(yè)智能化的出現(xiàn)將有很大變化。內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)生產(chǎn)干旱缺水、條件相對差，因此，運用農(nóng)業(yè)智能化是非常有必要的[2]。農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集具有數(shù)據(jù)點分布廣、數(shù)據(jù)量少的特點，數(shù)據(jù)傳輸若都使用總線傳輸，不僅價格昂貴，而且布線復雜。因此本文整合利用通用無線分組業(yè)務（General Packet Radio Service，GPRS）與長距離（Long Range，LoRa）各自的優(yōu)勢[3]，構建一種新型系統(tǒng)，在很大程度上解決傳統(tǒng)通信方式的弊端，使距離大棚較遠的用戶也可對大棚情況進行實時精準監(jiān)測，實現(xiàn)高效務農(nóng)。

本文的系統(tǒng)總體框架包括感知層、網(wǎng)絡層和應用層，旨在設計一套基于LoRa和GPRS技術的智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)，能夠實時、準確地采集農(nóng)作物生長環(huán)境中的各種參數(shù)，并能精準地控制大棚中的設備，讓大棚中的環(huán)境保持在一個平衡的狀態(tài)。

1? ? 系統(tǒng)總體設計

本設計主要由終端采集控制節(jié)點、匯聚節(jié)點以及遠程數(shù)據(jù)中心3部分組成。采集節(jié)點采集溫室大棚的環(huán)境參數(shù)，匯聚節(jié)點將獲得的數(shù)據(jù)打包，利用無線網(wǎng)絡發(fā)送至上位機的服務器中心，實現(xiàn)實時獲取大棚中農(nóng)作物生長的環(huán)境參數(shù)，并可以發(fā)送控制指令，控制驅動設備改變大棚環(huán)境。農(nóng)業(yè)大棚采集控制系統(tǒng)總體設計框架如圖1所示。

現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)將計算機、無線傳感器和農(nóng)學等若干學科緊密結合在一起，通過信息采集、傳輸、處理和控制等技術，使人們更加方便和直觀地獲得農(nóng)作物生長環(huán)境的參數(shù)，從而實現(xiàn)真正意義上的智慧農(nóng)業(yè)。本文設計的系統(tǒng)所實現(xiàn)的功能如下：

（1）實時監(jiān)測功能。通過底層采集節(jié)點實時采集溫室里的環(huán)境參數(shù)，將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡傳輸給服務器，以直觀的圖表方式顯示并提供報警信息。

（2）多種控制方式。系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)進行分析，當數(shù)據(jù)超出預先設定的值時便進行自動調(diào)節(jié)和控制;或采取手動的方式對電磁閥和風扇進行控制。

（3）數(shù)據(jù)查詢與警告功能。系統(tǒng)可以實時查詢溫室內(nèi)的各項環(huán)境參數(shù)、歷史數(shù)據(jù)，分析農(nóng)作物生長環(huán)境變化趨勢，作出正確的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策。警告功能可預先設定適合農(nóng)作物生長條件傳感器數(shù)據(jù)的上限值和下限值，當某個數(shù)據(jù)超出范圍值時，系統(tǒng)會提示警告信息及遠程短信通知。

（4）遠程查詢與控制功能。系統(tǒng)可以通過手機連接到灌溉控制器，用手機方便地查看溫室的各項環(huán)境數(shù)據(jù)以及能夠方便地遠程控制各個中斷控制節(jié)點的工作。

2? ? 系統(tǒng)節(jié)點與軟件設計

系統(tǒng)設計主要包括終端節(jié)點設計、匯聚節(jié)點設計和服務平臺軟件設計。采集節(jié)點間通過RS485總線相連，采集點和匯聚節(jié)點通過LoRa實現(xiàn)通信和數(shù)據(jù)的傳輸。

2.1? 終端節(jié)點設計

終端節(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。本系統(tǒng)設計的終端節(jié)點包括采集節(jié)點和控制節(jié)點兩部分，采集節(jié)點由STM32微控制器、多傳感器、LoRa模塊組成，傳感器與傳感器子模塊通過RS485方式進行通信，RS485總線采用差分信號傳輸，抑制共模干擾的能力較強[4]?？刂乒?jié)點由控制設備、STM32主控芯片和LoRa無線通信模塊等組成，其主要任務是響應上位機下發(fā)的控制指令，控制大棚內(nèi)的設備。通過終端節(jié)點設計，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的上傳與控制命令的下達。

2.2? 匯聚節(jié)點設計

匯聚節(jié)點處于系統(tǒng)的中間層，作為星型網(wǎng)絡結構的網(wǎng)關由STM32微控制器、GPRS模塊以及電源模塊組成，其主要任務為接收終端節(jié)點發(fā)送的溫室環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，然后按照物聯(lián)網(wǎng)云服務平臺要求的數(shù)據(jù)存儲格式進行打包，通過串口GRPS模塊發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)用戶服務平臺;通過GPRS模塊接收物聯(lián)網(wǎng)服務平臺發(fā)送的對溫室執(zhí)行結構的控制指令，并轉發(fā)到終端節(jié)點控制器[5]。

2.3? 服務平臺軟件設計

服務平臺軟件設計包括上位機服務器端和手機客戶端。上位機服務器端的主要任務是接收匯聚節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，保存到當?shù)財?shù)據(jù)庫中，形成可視化的圖表。用戶依據(jù)數(shù)據(jù)分析判斷是否對終端節(jié)點下達控制指令。手機客戶端實現(xiàn)遠程觀測的作用，可跨平臺運行，應用于多種終端設備，安裝和維護成本較低。Android智能手機APP的開發(fā)，為用戶實現(xiàn)遠程控制提供簡便，以達到提高效率、方便智能調(diào)控的目的，進一步提高系統(tǒng)的智能化水平。

2.4? 通信節(jié)點

LoRa通信節(jié)點的作用是將終端點與匯聚節(jié)點連接起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳與接收。溫室大棚農(nóng)業(yè)覆蓋面積廣泛，ZigBee節(jié)點組成的短距離傳感網(wǎng)絡不能滿足對溫室的可靠控制，而LoRa具有超長距離通信、超低功耗和坑干擾強的特點，選擇LoRa技術可以彌補這一方面的不足[6]。

網(wǎng)關作為數(shù)據(jù)的交換中心，需要和終端節(jié)點和數(shù)據(jù)服務中心通信，考慮農(nóng)業(yè)大棚和數(shù)據(jù)中心的遠距離傳輸時，通信方式選用了可高速傳輸、傳輸距離遠、穩(wěn)定性強的GPRS無線通信網(wǎng)絡。

3? ? 結語

農(nóng)業(yè)溫室數(shù)據(jù)采集技術是發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)信息技術的重要一環(huán)，本文利用無線通信技術LoRa優(yōu)勢，構建了一種基于LoRa與GPRS技術的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境參數(shù)的實時采集及監(jiān)測。本系統(tǒng)設計靈活、結構簡單，通信距離遠、功耗低，系統(tǒng)可移植性高。除了在農(nóng)業(yè)溫室大棚中的應用，還可稍作修改，用于其他農(nóng)業(yè)用途，具有良好的應用與推廣空間。

[參考文獻]

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[3]莫章潔.基于ZigBee與GPRS的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J].貴州師范學院學報，2016（9）：26.

[4]鄭貴林，汪體成.基于LoRa的溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學，2019（10）：216-219.

[5]熊永紅.基于LoRa無線傳感網(wǎng)絡的溫室控制系統(tǒng)構建[D].南昌：東華理工大學，2019.

[6]王陽，溫向明，路兆銘，等.新興物聯(lián)網(wǎng)技術—LoRa[J].信息通信技術，2017（1）：58-59.