基于LoRa 的農(nóng)田信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

戚偉佳

（吉林省電子信息產(chǎn)品檢驗(yàn)研究院，吉林 長(zhǎng)春130021）

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，各種先進(jìn)技術(shù)被引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率均得到顯著提升[1]。以往采集種植環(huán)境溫濕度等信息多由人工完成，大量耗費(fèi)時(shí)間及人力物力，獲取相關(guān)信息也缺乏實(shí)時(shí)性與可靠性，應(yīng)用有效手段，設(shè)計(jì)一款能準(zhǔn)確采集種植環(huán)境信息的信息采集系統(tǒng)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作的順利開展能發(fā)揮重要作用。本次研究將LoRa 技術(shù)作為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一款農(nóng)田信息采集系統(tǒng)。

1 概述

LoRa 技術(shù)是一種1GHz 以下低功耗、超長(zhǎng)距的新型無(wú)線通信技術(shù)，可在全球免費(fèi)頻段高效運(yùn)行，相比其他技術(shù)，LoRa 技術(shù)有效解決了低功率和長(zhǎng)距離不可兼顧的問(wèn)題，其將基于線性調(diào)頻信號(hào)的擴(kuò)頻技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)及向前糾錯(cuò)編碼技術(shù)有機(jī)融合，鏈路預(yù)算高達(dá)157dB，普通環(huán)境下通信距離能達(dá)到15km 以上，空曠環(huán)境下通信距離很更遠(yuǎn)[2]。接收靈敏度方面，LoRa 技術(shù)可達(dá)到-148dbm，為網(wǎng)絡(luò)連接可靠性提供保障。此外，LoRa 技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施成本較小，使用網(wǎng)間連接器/集中器擴(kuò)展系統(tǒng)容量，建設(shè)與部署更加容易；LoRa 技術(shù)接收電流為10mA，休眠狀態(tài)下電流可低于200nA，進(jìn)而可一定程度地延長(zhǎng)電池壽命，一般情況下電池壽命可達(dá)10 年以上；LoRa 技術(shù)運(yùn)行頻段屬于非授權(quán)頻段，節(jié)點(diǎn)與終端的成本也相對(duì)較低，進(jìn)而能有效降低LoRa 建設(shè)成本[3]。為研發(fā)出一種既能應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)，又能使用低比特率進(jìn)行長(zhǎng)距離通訊的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，LoRa 聯(lián)盟董事會(huì)成員中興通訊與其他成員，基于LoRa 技術(shù)一同推出LoRaWAN，LoRaWAN 屬于一種低功耗廣域網(wǎng)規(guī)范，相比當(dāng)今較為常見的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，LoRaWAN 將傳統(tǒng)星形結(jié)構(gòu)作為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，進(jìn)行長(zhǎng)距離連接過(guò)程中，終端節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)間連接器能夠直接進(jìn)行信息交互，既可降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性，還能減少能量損耗，從而延長(zhǎng)電池壽命。

2 系統(tǒng)組成與功能

本次研究計(jì)劃在溫室大棚不同位置放置溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)，以便可快速采集到溫室大棚內(nèi)各位置溫濕度信息，并能將相關(guān)信息及時(shí)上傳到匯聚節(jié)點(diǎn)。本次研究設(shè)計(jì)的農(nóng)田信息采集系統(tǒng)由采集節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、服務(wù)器及監(jiān)控端四部分組成。在基于LoRa 的農(nóng)田信息采集系統(tǒng)中，LoRa 技術(shù)可采取多對(duì)一方式，幫助采集節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)間形成LoRa 網(wǎng)絡(luò)，在采集節(jié)點(diǎn)獲取到溫室大棚內(nèi)環(huán)境溫濕度信息后，則能通過(guò)LoRa 網(wǎng)絡(luò)將信息傳遞給匯聚節(jié)點(diǎn)。作為連接采集節(jié)點(diǎn)和服務(wù)器的橋梁，匯聚節(jié)點(diǎn)既能實(shí)現(xiàn)與采集節(jié)點(diǎn)的有效通信，對(duì)傳感器信息進(jìn)行全面收集，還能與服務(wù)器達(dá)成通信關(guān)系，在有效或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)條件下將信息傳輸給服務(wù)器。服務(wù)器在接收到相關(guān)信息后，可對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)性分析，分析完成后信息則可被傳輸至監(jiān)控器，以便于管理員充分了解溫室大棚內(nèi)環(huán)境溫濕度狀況。

3 LoRa 網(wǎng)絡(luò)組成與實(shí)現(xiàn)

將LoRaWAN 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為參考標(biāo)準(zhǔn)，選用星形拓?fù)渥鳛椴杉?jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)間LoRa 網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，相比其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳輸時(shí)間延遲小、功耗低等特點(diǎn)，當(dāng)采集節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多時(shí)，星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還能將采集節(jié)點(diǎn)行分區(qū)域管理，并對(duì)處于不同區(qū)域的采集節(jié)點(diǎn)使用不同頻段，進(jìn)而降低采集節(jié)點(diǎn)之間出現(xiàn)的信號(hào)干擾。

本次研究設(shè)計(jì)的農(nóng)田信息采集系統(tǒng)中LoRa 通信模塊屬于無(wú)線數(shù)傳模塊，由微控制器控制sx1278 芯片組成，可實(shí)現(xiàn)多對(duì)一星形網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)的建立。處于同一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境時(shí)，中心模塊可通過(guò)地址呼叫節(jié)點(diǎn)模塊和地址匹配節(jié)點(diǎn)模塊，并在接收到信息后立即給予答復(fù)，同時(shí)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間并不會(huì)產(chǎn)生干擾，可見這種應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)于低功耗無(wú)線采集具有極高適用性。LoRa 網(wǎng)絡(luò)以匯聚節(jié)點(diǎn)為主、采集節(jié)點(diǎn)為從的主從關(guān)系作為主要通信方式，采集節(jié)點(diǎn)接收到匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)出的指令信息后，能對(duì)指令信息進(jìn)行解析，并做出相應(yīng)操作，當(dāng)采集節(jié)點(diǎn)未收到操作指令時(shí)，其便會(huì)以默認(rèn)設(shè)置執(zhí)行操作。

LoRa 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)選擇空中喚醒作為監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)的主要方式，利用這種方式，也可確保網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽能夠在休眠模式與信道活動(dòng)檢測(cè)模式下進(jìn)行有規(guī)律的周期性切換，休眠模式下保持休眠狀態(tài)，信道活動(dòng)檢測(cè)模式下保持網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽狀態(tài)，以達(dá)到降低功耗的效果，但在發(fā)送信息數(shù)據(jù)時(shí)，一定要在有效信息數(shù)據(jù)前增加一段超過(guò)1 個(gè)休眠模式周期的前導(dǎo)碼，以確保信息數(shù)據(jù)能被有效接收。LoRa 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在信道活動(dòng)檢測(cè)模式下對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)聽，如果并未監(jiān)聽到信號(hào)，直接進(jìn)入休眠模式并等待下一次喚醒；如果監(jiān)聽到信號(hào)，立即轉(zhuǎn)入判斷信號(hào)的工作模式。信號(hào)判斷工作模式下，會(huì)對(duì)監(jiān)聽到的信號(hào)進(jìn)行判斷，如果信號(hào)發(fā)送目標(biāo)為自己，直接進(jìn)入常規(guī)數(shù)據(jù)接收模式，實(shí)現(xiàn)自己與信號(hào)源的信息交互，并會(huì)延長(zhǎng)工作模式保持時(shí)間，以便于信息傳輸；如果信號(hào)發(fā)送目標(biāo)并非自己，直接進(jìn)入休眠狀態(tài)，并會(huì)延長(zhǎng)休眠周期。

當(dāng)LoRa 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)被喚醒時(shí)，會(huì)立即轉(zhuǎn)入信道活動(dòng)檢測(cè)模式進(jìn)行信號(hào)監(jiān)聽，如果信號(hào)發(fā)送目標(biāo)為自己，則會(huì)延長(zhǎng)工作時(shí)間；如果信號(hào)發(fā)送目標(biāo)不是自己，則會(huì)延長(zhǎng)休眠時(shí)間。

4 系統(tǒng)硬件組成

基于LoRa 農(nóng)田信息采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要由采集節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)組成，微控制單元主控芯片選用STM32F103VET6，屬于以ARM32 位cortex-M3 架構(gòu)為基礎(chǔ)的微處理器，集成512kb閃存與64kb 靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，保證采集節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)擁有充足空間，工作頻率可達(dá)到72MHz 以上。構(gòu)成LoRa 模塊的sx1278 芯片屬于低功耗半雙工遠(yuǎn)距離發(fā)射器，內(nèi)設(shè)LoRa 遠(yuǎn)程調(diào)制解調(diào)器，可保證遠(yuǎn)距離、低功耗擴(kuò)頻通信的實(shí)現(xiàn)，并具有較強(qiáng)的抗干擾性。

采集節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)主要由LoRa 模塊、DHT11 傳感器、電源模塊及JTAG 接口組成，見圖1。采集節(jié)點(diǎn)接收到匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)出的指令后，可根據(jù)指令信息對(duì)溫室大棚環(huán)境溫濕度進(jìn)行采集，隨后借助LoRa 模塊將采集信息發(fā)出；采集節(jié)點(diǎn)上配置DHT11 溫濕度符合傳感器，此傳感器具有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出功能，同時(shí)具有體積小、易操作、功耗低、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)；電源模塊負(fù)責(zé)采集節(jié)點(diǎn)供電；JTAG 接口主要負(fù)責(zé)仿真與調(diào)試程序。

圖1 采集節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

匯聚節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)主要由LoRa 模塊、RS232 接口、電源模塊、JTAG 接口及WIFI 模塊組成，見圖2。待各采集節(jié)點(diǎn)發(fā)出采集信息后，匯聚節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)采集節(jié)點(diǎn)傳感器獲取的溫室大棚環(huán)境溫濕度信息進(jìn)行有效采集，同時(shí)對(duì)所有采集信息進(jìn)行系統(tǒng)性分析，并上傳至服務(wù)器，在整個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)中起承上啟下作用；RS232 接口主要負(fù)責(zé)連接匯聚節(jié)點(diǎn)與PC，可使管理員通過(guò)串口調(diào)試工具對(duì)指令數(shù)據(jù)信息進(jìn)行查看；WIFI 模塊承擔(dān)匯聚節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器的連接；電源模塊與JTAG 接口作用與采集節(jié)點(diǎn)相同。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1 指令數(shù)據(jù)幀格式

服務(wù)器下達(dá)指令至匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)再對(duì)獲取指令進(jìn)行解析處理，隨后將解析后指令傳遞至采集節(jié)點(diǎn)。ID 碼是采集節(jié)點(diǎn)ID 地址，匯聚節(jié)點(diǎn)可找到ID 地址找到各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，并向指定采集節(jié)點(diǎn)發(fā)出命令，同時(shí)匯聚節(jié)點(diǎn)收到采集節(jié)點(diǎn)返回的溫濕度信息時(shí)，也能檢測(cè)到由哪個(gè)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)出。結(jié)束碼則為一幀的結(jié)束，通常用0x0D 和0x0A 表示。

表1 采集節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)幀格式

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5.2 采集節(jié)點(diǎn)

采集節(jié)點(diǎn)以采集、上傳溫濕度信息和接收匯聚節(jié)點(diǎn)下達(dá)指令為主要工作內(nèi)容。采集節(jié)點(diǎn)上電完畢后，首先進(jìn)行軟硬件初始化，對(duì)相關(guān)參數(shù)與變量進(jìn)行初值設(shè)置，并分配內(nèi)存，隨后按照“LoRa 網(wǎng)絡(luò)中斷請(qǐng)求”→“是否符合指令規(guī)范”→“解析指令并行參數(shù)設(shè)置”→“收集溫濕度信息”→“通過(guò)LoRa 上傳信息至匯聚節(jié)點(diǎn)”這一流程進(jìn)行周期性工作。如果在此期間接收到LoRa 網(wǎng)絡(luò)中斷指令，則會(huì)重新解析指令和設(shè)置采集間隔。

5.3 匯聚節(jié)點(diǎn)

匯聚節(jié)點(diǎn)以接收服務(wù)器下達(dá)指令、向采集節(jié)點(diǎn)下達(dá)指令和接收采集節(jié)點(diǎn)返回溫濕度信息并發(fā)送至服務(wù)器為主要工作內(nèi)容。LoRa 網(wǎng)絡(luò)連接采集節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)，WIFI 連接匯聚節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器，通信則通過(guò)TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和Socket 編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。匯聚節(jié)點(diǎn)上電完畢后同樣進(jìn)行軟硬件初始化、相關(guān)參數(shù)和變量的初值設(shè)置及內(nèi)存分配，隨后按照“等待中斷”→“有中斷請(qǐng)求”→“WIFI 中斷請(qǐng)求”→“解析指令并執(zhí)行操作”這一流程進(jìn)行周期性工作。如果在此期間WIFI 中斷請(qǐng)求失敗，則需對(duì)LoRa網(wǎng)絡(luò)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，再進(jìn)行數(shù)據(jù)解析后通過(guò)WIFI 上傳。

5.4 服務(wù)器端

服務(wù)器端以向匯聚節(jié)點(diǎn)下達(dá)指令和收集匯聚節(jié)點(diǎn)返回?cái)?shù)據(jù)為主要工作內(nèi)容，服務(wù)器端完成返回?cái)?shù)據(jù)解析工作后，再將解析后數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，以供管理員隨時(shí)查看。

6 結(jié)論

采取科學(xué)方法對(duì)農(nóng)田信息進(jìn)行精準(zhǔn)采集，可幫助農(nóng)戶科學(xué)種植，提高種植效率和農(nóng)作物質(zhì)量。本次研究設(shè)計(jì)的基于LoRa技術(shù)農(nóng)田信息采集系統(tǒng)，可幫助農(nóng)戶實(shí)時(shí)了解種植環(huán)境溫濕度，以便于對(duì)其加以調(diào)整，其對(duì)于促進(jìn)智慧農(nóng)業(yè)快速發(fā)展具有重要意義。