基于LoRa的糧庫糧情監(jiān)測系統(tǒng)設計

樊紅娟

摘 要：糧食作為重要的國家儲備，對糧庫糧情的監(jiān)測尤為重要。文中開發(fā)了一套基于LoRa的糧庫糧情監(jiān)測系統(tǒng)，采用STM32作為控制模塊，將采集的溫濕度通過LoRa傳至服務器端，解決了多點傳輸沖突問題;服務器端采用Java語言開發(fā)，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的存儲和分析。測試結果表明，系統(tǒng)功能符合預期，能夠?qū)崟r采集多點溫濕度信息，滿足了對糧庫糧情數(shù)據(jù)采集的有效性和可靠性要求。

關鍵詞：LoRa;糧情監(jiān)測;系統(tǒng)設計;Java;STM32;后臺管理

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）07-00-02

0 引 言

糧食不僅關系國計民生，更是國家的重要儲備，因此糧食倉儲非常重要。糧食在存儲過程中會出現(xiàn)發(fā)熱霉變、蟲害等現(xiàn)象，為了解決糧食存儲過程中存在的問題，許多學者借助現(xiàn)代信息化手段設計并開發(fā)了多種產(chǎn)品用于監(jiān)測糧食的實時狀態(tài)[1-3]。尤其在物聯(lián)網(wǎng)技術興起后，對糧情的監(jiān)測更為容易[4-6]。

本文采用LoRa技術設計并開發(fā)了一款糧庫糧情監(jiān)測系統(tǒng)，此系統(tǒng)管理后臺采用當前流行的Java語言開發(fā)，用戶可通過手機APP或PC端用戶界面方便地查看糧食的實時數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析。

1 系統(tǒng)總體框架

糧庫糧情監(jiān)測系統(tǒng)共包括4部分，即系統(tǒng)前端交互界面、系統(tǒng)管理后臺、監(jiān)測節(jié)點和數(shù)據(jù)庫。

用戶使用系統(tǒng)的前端交互界面與系統(tǒng)交互，本文開發(fā)了兩種前端交互界面，分別為手機端APP和PC端Web界面。手機端APP采用Android技術，能夠使用戶隨時隨地進行糧情監(jiān)測。用戶還可以打開PC端的瀏覽器進入Web界面進行糧情監(jiān)測。系統(tǒng)管理后臺采用Java技術開發(fā)，實現(xiàn)了系統(tǒng)管理、基礎設置、數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計報表和預警管理等功能[7]。監(jiān)測節(jié)點獲取糧庫的溫濕度信息后傳給服務器端的系統(tǒng)管理后臺，由系統(tǒng)管理后臺負責將數(shù)據(jù)存儲到MySQL數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

為解決各監(jiān)測點數(shù)據(jù)同時傳輸?shù)臎_突問題，在設計監(jiān)測模塊時采用CSMA/CA機制，在發(fā)送前偵聽有無其他節(jié)點正在發(fā)送數(shù)據(jù)，有則延時避讓，無則立即發(fā)送。

2 系統(tǒng)設計

2.1 硬件設計

數(shù)據(jù)采集節(jié)點是本系統(tǒng)的一個重要部分，其作用是監(jiān)測糧庫糧食的溫濕度。當溫濕度不在預設范圍內(nèi)時，產(chǎn)生報警信號，并實時把采集的數(shù)據(jù)通過LoRa模塊傳給服務器。數(shù)據(jù)采集節(jié)點將SMT32作為控制器，整個采集節(jié)點的外設包含8個部分，分別為LoRa模塊、報警模塊、溫濕度監(jiān)測模塊、電源模塊、時鐘電路、復位電路、JTAG接口和USB轉(zhuǎn)串接口[8]。監(jiān)測點結構如圖2所示。

STM32系列控制器為要求性能高、成本低、功耗低的嵌入式應用而設計，本文重新優(yōu)化了其功能、存儲器和性能，以最小的硬件變化滿足了項目需求。LoRa作為低功耗廣域網(wǎng)的典型代表技術之一，具有傳輸距離遠、功耗低、成本低、靈敏度高和抗干擾能力強等優(yōu)點，在本文中用于發(fā)送糧庫糧食的溫濕度信息和接收服務器端的控制信號。電源模塊用于為監(jiān)測節(jié)點提供工作電壓和電流。當糧庫中糧食的溫濕度超出閾值時，報警模塊產(chǎn)生報警信號。溫濕度監(jiān)測模塊選用SHT20溫濕度傳感器模塊，用于糧庫糧食的溫濕度監(jiān)測。JTAG接口用于下載程序，USB轉(zhuǎn)串口用于調(diào)試手持設備。

2.2 軟件設計

2.2.1 采用技術

本系統(tǒng)開發(fā)了兩種類型的前端用戶交互界面，即手機APP和PC端的Web頁面。

（1）手機APP能夠自動適應各種品牌和型號的手機，采用Android技術和XML技術開發(fā)，界面美觀，操作簡單。

（2）PC端的Web頁面通過H5技術實現(xiàn)，使用CSS3技術進行布局，采用JavaScript技術實現(xiàn)異步交互。

系統(tǒng)的管理后臺采用當前最流行的Java框架SSM（SpringMVC+Spring+MyBatis）開發(fā)。Spring能夠管理對象間的依賴關系，降低系統(tǒng)耦合度。SpringMVC是一個輕量級Java框架，它使用了MVC的設計思想，能與Spring無縫對接，降低了Web層開發(fā)復雜性。MyBatis采用XML文件配置的方式管理SQL語句，降低了SQL語句與代碼的耦合度。應用SSM框架進行開發(fā)提高了系統(tǒng)管理后臺的開發(fā)效率和穩(wěn)定性。

2.2.2 系統(tǒng)后臺管理功能的設計

糧庫糧情監(jiān)測系統(tǒng)后臺管理包括系統(tǒng)管理、基礎設置、數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計報表和預警管理6大模塊。系統(tǒng)的后臺管理功能模塊結構如圖3所示。

（1）系統(tǒng)管理模塊為超級管理員使用，是系統(tǒng)能夠正常運行的基本模塊，具有用戶管理、權限管理、角色管理、日志管理等功能。

（2）基礎設置模塊是對糧庫、人員、監(jiān)測點等進行基本設置的模塊，主要包括對糧庫信息的增、刪、改、查等操作，以及倉庫糧情信息的設置，監(jiān)測點的設置，工作人員的管理，布點的設置等。

（3）數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊是監(jiān)測糧情溫濕度的模塊，包括自動按時監(jiān)測和發(fā)送指令監(jiān)測。

（4）數(shù)據(jù)分析模塊主要是對數(shù)據(jù)庫中存儲的歷史數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析，包括數(shù)據(jù)對比，數(shù)據(jù)按時間變化情況顯示，某時段的曲線圖等。

（5）統(tǒng)計報表模塊用于生成報表，可以按周生成，也可以按月、按年生成。

（6）預警管理模塊是針對糧庫糧情出現(xiàn)異常情況而設定的功能模塊，具有超溫預警、倉重預警等功能。

2.2.3 數(shù)據(jù)庫設計

根據(jù)對業(yè)務邏輯的需求分析，本系統(tǒng)選擇MySQL作為后臺數(shù)據(jù)庫，并設計了用戶信息表、監(jiān)測點數(shù)據(jù)表、倉庫信息表、倉庫溫濕度信息表、單位表等15個數(shù)據(jù)庫表來存儲數(shù)據(jù)。倉庫溫濕度表見表1所列。

3 系統(tǒng)測試

為了驗證本系統(tǒng)的有效性，選用市面上的手持數(shù)字測溫儀和測濕儀對實驗倉庫測量溫濕度，并與本系統(tǒng)的測量結果進行對比，對比結果見表2所列。

4 結 語

本文借助LoRa技術開發(fā)了一款糧庫糧情監(jiān)測系統(tǒng)，用戶可以通過手機APP或PC端Web頁面對糧庫中的糧食溫濕度進行監(jiān)測。系統(tǒng)的后臺管理采用當前流行的Java框架SSM開發(fā)，提高了系統(tǒng)的開發(fā)效率和穩(wěn)定性。硬件采集節(jié)點采用STM32系列芯片作為控制器。經(jīng)測試，本系統(tǒng)能夠?qū)Z庫中糧食的溫濕度進行監(jiān)測，并能夠?qū)Z庫進行管理，達到了預期效果。

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