基于LoRa的戶外農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳仕林，張景浩，戴子正，鄧鑫銘

（廣東第二師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)系，廣州510800）

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)在智慧農(nóng)業(yè)的不斷深入，環(huán)境監(jiān)測(cè)和控制在溫室種植中已逐漸得到推廣和應(yīng)用，多數(shù)溫室大棚種植中，都會(huì)配備加熱裝置，基礎(chǔ)采樣裝置，部分專業(yè)能力十足的溫室管理技術(shù)中同時(shí)會(huì)配備水肥一體機(jī)、電場(chǎng)等中小型設(shè)備，以提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)。在本課題中，其主要方向是針對(duì)國(guó)內(nèi)更為廣泛的室外開(kāi)闊的田野、果園種植的環(huán)境監(jiān)測(cè)，以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提供生產(chǎn)者實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的簡(jiǎn)單調(diào)控的管理依據(jù)。

1 LoRa介紹

LoRa是一種由Semtech公司于2013年發(fā)布基于Sub-GHz頻段的低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)，。作為一種低功耗遠(yuǎn)距離通信技術(shù)，較低的數(shù)據(jù)速率不僅延長(zhǎng)電池壽命，更是增加了網(wǎng)絡(luò)的容量。這使得它僅需要一節(jié)鋰電池即可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)續(xù)航的工作。在LPWAN誕生之前，應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的通信只能在遠(yuǎn)距離與低功耗之間做取舍。對(duì)比早期物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用所使用的ZigBee、GPRS等，其更低功耗，更遠(yuǎn)傳輸距離，對(duì)建筑的穿透力更強(qiáng)的特性，使得LoRa更適用于如智慧農(nóng)業(yè)、智慧工業(yè)、智慧城市等低成本大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)部署。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

2.1 程序架構(gòu)

本系統(tǒng)是以LoRa技術(shù)為通信基礎(chǔ)，將各個(gè)適用于農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)的傳感器集成于一個(gè)終端，通過(guò)LoRa星型組網(wǎng)制作成一個(gè)傳輸距離遠(yuǎn)，功耗低、穩(wěn)定性強(qiáng)的監(jiān)控系統(tǒng)。傳感器采集作物生長(zhǎng)的局部地區(qū)的環(huán)境信息，通過(guò)采樣終端進(jìn)行處理，然后發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)將數(shù)據(jù)處理并存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中，用戶通過(guò)桌面端的可視化程序進(jìn)行監(jiān)控。該系統(tǒng)的采樣終端設(shè)置有兩種方式。①通過(guò)采樣終端上的按鈕和互動(dòng)指示燈完成配置；②通過(guò)上位機(jī)中的中間件程序遠(yuǎn)程對(duì)采樣終端進(jìn)行控制，從而形成生產(chǎn)環(huán)境采集及控制系統(tǒng)。系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

2.2 采樣終端設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)綜合STC 8051、STM32F103C8等多款主控芯片對(duì)比分析，最終選擇STM32F103C8T6作為主控芯片。STM32F103C8T6是一款高性能的ARM架構(gòu)Cor?tex-M3內(nèi)核的32位微型控制器，其程序存儲(chǔ)容量高達(dá)64KB，工作頻率高達(dá)72MHz，供電范圍在2V-3.6V，工作溫度在-40℃到85℃。STM32F013是一款性能強(qiáng)大的嵌入式芯片，其具有豐富的外圍設(shè)備資源，如ADC、脈沖調(diào)制、DMA、內(nèi)部溫度傳感器，支持多種協(xié)議如I2C、SPI。不僅如此，STM32F103C8T6還支持低功耗模式，分別由Stop模式、Sleep模式、Standby模式，用戶可根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景、喚醒周期和是否具備外部喚醒信號(hào)源來(lái)選擇進(jìn)入不同的低功耗模式。經(jīng)分析，STM32F103C8T6芯片能有效滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的資源，故選用其作為本系統(tǒng)的主控方案[3]。

系統(tǒng)以STM32F103C8T6作為主控核心板，外圍電路包括電源濾波電路，太陽(yáng)能鋰電池充放電電路，太陽(yáng)能鋰電池測(cè)試電路，升壓電路，ModuleBus 485電路，實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，以及調(diào)試按鈕和指示燈。電源濾波電路主要為了降低波紋電路，減少噪聲，避免對(duì)傳感器的信號(hào)造成干擾，太陽(yáng)能鋰電池充放電電路用于給終端的供電鋰電池充放電保護(hù)，升壓電路分為3.3V升壓電路和12V升壓電路，3.3V電路主要用于給適用于3.3V的模塊進(jìn)行供電，如AD采樣的模塊，DHT11溫濕度傳感器以及LoRa通信模塊，12V升壓電路用于給RS-485模塊供電，ModubleBUS485電路主要是將串口輸入輸出改為RS-485輸入輸出，實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的時(shí)間信息，以防鋰電池供電不足時(shí)，系統(tǒng)時(shí)間丟失，按鍵和指示燈用于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，便于監(jiān)測(cè)終端的工作狀態(tài)。采樣終端原理圖如圖2所示，采樣終端實(shí)物圖如圖3所示。

圖2 采樣終端原理圖

圖3 采樣終端實(shí)物圖

2.3 采集子系統(tǒng)

采樣終端首先經(jīng)電腦端燒錄入程序，然后硬復(fù)位執(zhí)行。初次執(zhí)行過(guò)程主體分為對(duì)系統(tǒng)的時(shí)鐘進(jìn)行初始化，對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行初始化，進(jìn)入低功耗模式。當(dāng)觸發(fā)第一次訪問(wèn)時(shí)，會(huì)通過(guò)通信模塊發(fā)送初始信息，然后等待上位機(jī)的響應(yīng)，上位機(jī)中間件程序收到該采樣終端的信息時(shí)，會(huì)檢查數(shù)據(jù)幀的（從零開(kāi)始）第十七位和十八位的信息，如果是原始信息則會(huì)分配一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中未分配的ID給該采樣終端，并通過(guò)響應(yīng)幀發(fā)回給采樣終端，響應(yīng)幀中包含新設(shè)定的采樣周期，新的設(shè)備ID號(hào)；上位機(jī)會(huì)周期性向所在信道和地址中發(fā)送重傳指令，避免下位機(jī)陷入由于未完成初始化而長(zhǎng)期等待上位機(jī)ACK的死循環(huán)中。當(dāng)采樣終端完成初始化后，根據(jù)設(shè)置的采樣周期，定時(shí)向上位機(jī)發(fā)送采樣周期數(shù)據(jù)，每次采樣終端數(shù)據(jù)發(fā)送都要求上位機(jī)返回響應(yīng)，才會(huì)進(jìn)入低功耗模式，等待下一次周期喚醒。程序流程圖如圖4所示。

圖4 采樣終端程序流程圖

當(dāng)采樣終端上電復(fù)位后，首先會(huì)對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行初始化，配置好系統(tǒng)時(shí)間和采樣周期后就進(jìn)入休眠。當(dāng)觸發(fā)RTC鬧鐘喚醒系統(tǒng)或者按鍵中斷喚醒后，重新初始化系統(tǒng)時(shí)鐘后開(kāi)始執(zhí)行采樣任務(wù)。采樣任務(wù)分別為對(duì)需要3.3V供電的傳感器和對(duì)需要12V供電的RS-485傳感器進(jìn)行采樣，為實(shí)現(xiàn)低功耗需求，每完成一項(xiàng)采樣任務(wù)后會(huì)及時(shí)對(duì)傳感器組的電源進(jìn)行斷電。采樣并將數(shù)據(jù)處理完畢即及時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，并等待上位機(jī)的響應(yīng)幀，響應(yīng)幀中包含操作碼。數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表1所示。

2.4 通信子系統(tǒng)

據(jù)上文介紹可悉知，MQTT、DDS等協(xié)議都是建立于TCP/IP之上，且各具特色，勝任于多種場(chǎng)景下的工作。然而，在本系統(tǒng)的應(yīng)用中，受限于戶外條件的供電不確定性影響，對(duì)功耗的控制要求遠(yuǎn)超過(guò)多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，故在COAP協(xié)議的思想上，提出一種剪裁版的COAP協(xié)議。系統(tǒng)的電量主要損耗于低功耗模式下的待機(jī)工作、指示燈、傳感器的工作、通信模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送。其中通信模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送電流高達(dá)300MA。由此可見(jiàn)，要實(shí)現(xiàn)設(shè)備的更長(zhǎng)續(xù)航，減少采樣終端的數(shù)據(jù)發(fā)送次數(shù)。上述眾多物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議其多數(shù)建立于TCP/IP協(xié)議，需要完成三次握手，假設(shè)使用上述協(xié)議完成數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，將會(huì)使得功耗會(huì)增加，而單獨(dú)靠采樣終端無(wú)面向連接定時(shí)發(fā)送，又存在采樣終端會(huì)受環(huán)境、供電問(wèn)題變?yōu)殡[藏站的可能，致使終端在網(wǎng)絡(luò)中消失，或是多個(gè)終端發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)候的導(dǎo)致的沖撞現(xiàn)象，使得上位機(jī)未能成功接收個(gè)別終端所發(fā)來(lái)的信息，造成信息丟失問(wèn)題。故基于TCP/IP協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議與無(wú)面向連接的通信協(xié)議不可取。故根據(jù)采樣終端和上位機(jī)工作的流程和特性，對(duì)COAP協(xié)議進(jìn)行修改。當(dāng)采樣終端完成數(shù)據(jù)采集和發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)向上位機(jī)發(fā)送一個(gè)COAP協(xié)議的CON類型請(qǐng)求，不過(guò)該CON類型請(qǐng)求中是攜帶有數(shù)據(jù)的，請(qǐng)求目的是確認(rèn)自身還存在于網(wǎng)絡(luò)中，然后采樣終端會(huì)進(jìn)入局部低功耗的工作模式，僅將采樣數(shù)據(jù)暫時(shí)存儲(chǔ)在寄存器并等待接收模塊接收上位機(jī)的ACK響應(yīng)。正常工作下，上位機(jī)收到CON類型請(qǐng)求后，經(jīng)確認(rèn)無(wú)誤將會(huì)發(fā)送一個(gè)類似于COAP類型的響應(yīng)幀，該響應(yīng)幀中包含操作碼等功能設(shè)置，采樣終端收到響應(yīng)幀將會(huì)根據(jù)幀內(nèi)容進(jìn)入對(duì)采樣周期、喚醒時(shí)間、采樣設(shè)備的設(shè)置或進(jìn)入低功耗模式，斷開(kāi)所有外設(shè)、系統(tǒng)時(shí)鐘供電，等待實(shí)時(shí)時(shí)鐘的喚醒再重新初始化所有外設(shè)和系統(tǒng)時(shí)鐘；非正常工作情況有兩種，第一種上位機(jī)未收到數(shù)據(jù)，第二種下位機(jī)未收到響應(yīng)。當(dāng)?shù)谝环N情況時(shí)，由于終端與上位機(jī)經(jīng)初次通信后，上位機(jī)保留有終端的采樣周期，故當(dāng)約定時(shí)間下，上位機(jī)未收到終端信息，上位機(jī)將主動(dòng)向頻道內(nèi)發(fā)送重傳指令，要求違約終端重新發(fā)送數(shù)據(jù)，若多次重傳指令未能尋找回違約終端，將由人工介入完成對(duì)終端設(shè)備的檢查工作。當(dāng)處于第二種情況時(shí)，下位機(jī)未能收到上位機(jī)的所發(fā)送的響應(yīng)幀，此時(shí)違約方為上位機(jī)，下位機(jī)將會(huì)再次向頻道內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，然后繼續(xù)等待上位機(jī)發(fā)送的響應(yīng)幀。上位機(jī)違約時(shí)，下位機(jī)并不會(huì)一直重傳等待，當(dāng)違約次數(shù)達(dá)到一定時(shí)，終端將會(huì)直接依照之前設(shè)定的喚醒周期進(jìn)入休眠，等待下一次喚醒。經(jīng)驗(yàn)證，部署合理的環(huán)境下，終端的通信發(fā)射次數(shù)減少，終端續(xù)航得到提高。流程圖如圖5所示。

2.5 顯示子系統(tǒng)

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)包含處理字節(jié)流數(shù)據(jù)的中間件設(shè)計(jì)、存放數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)以及用于數(shù)據(jù)可視化的軟件設(shè)計(jì)。

表1

當(dāng)上位機(jī)接收模塊接入上位機(jī)后，中間件程序則會(huì)打開(kāi)端口掃描并綁定上位機(jī)模塊端口，隨后將監(jiān)聽(tīng)是否有采樣終端進(jìn)行訪問(wèn)，當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到有字節(jié)流進(jìn)入時(shí)，先對(duì)字節(jié)流進(jìn)行長(zhǎng)度判斷，數(shù)據(jù)有效性判斷，隨后對(duì)其發(fā)送響應(yīng)幀，可完成對(duì)采樣終端的再配置以及對(duì)數(shù)據(jù)的接收。中間件完成對(duì)原始字節(jié)流數(shù)據(jù)的接收后，將其從十六進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)據(jù)，由于光照強(qiáng)度的范圍在0-200000，在數(shù)據(jù)幀中只占有兩位，故采樣終端需要對(duì)光照強(qiáng)度的采樣值進(jìn)行簡(jiǎn)單壓縮，以及由中間件完成數(shù)據(jù)還原，并將處理好的數(shù)據(jù)插入至數(shù)據(jù)庫(kù)中，完成對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)工作。中間件程序流程圖如圖6所示。

圖5 通信流程圖

圖6 中間件程序流程圖

本系統(tǒng)的可視化軟件僅使用到一張數(shù)據(jù)庫(kù)表，其表內(nèi)數(shù)據(jù)包含索引主鍵ID、信息接收時(shí)間、設(shè)備ID、采樣周期、溫度、濕度、土壤溫度、土壤電導(dǎo)率、光照強(qiáng)度、土壤酸堿度、電池電量信息。

可視化軟件是通過(guò)C#開(kāi)發(fā)的桌面應(yīng)用軟件，軟件通過(guò)對(duì)MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于一個(gè)緩存中，在圖形界面中顯示，從而完成了數(shù)據(jù)和代碼分離。其效果圖如圖7所示。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 傳感器測(cè)試

圖8為采樣終端對(duì)溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)訪問(wèn)返回結(jié)果，返回?cái)?shù)據(jù)空氣濕度為0x02 0x77，換算后為631，除以10后可得空氣濕度為63.1%RH，空氣溫度為0x00 0XE8，換算后為232，除以10可得空氣溫度為23.2℃。即溫濕度傳感器初始化、讀寫訪問(wèn)等功能經(jīng)測(cè)試無(wú)異常。

圖7 可視化軟件效果圖

圖8 溫濕度傳感器數(shù)據(jù)返回結(jié)果

圖9 土壤酸堿度傳感器PH值數(shù)據(jù)返回結(jié)果

圖10 土壤溫度數(shù)據(jù)返回結(jié)果

圖9和圖10與圖8的計(jì)算方式相同，通過(guò)對(duì)第五第六位數(shù)據(jù)進(jìn)行從十六進(jìn)制轉(zhuǎn)10進(jìn)制后除以10，便可獲得有效數(shù)據(jù)。

3.2 通信模塊收發(fā)測(cè)試

對(duì)比圖11與圖12的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收內(nèi)容，數(shù)據(jù)發(fā)送與接收一致，通信模塊測(cè)試完成，測(cè)試結(jié)果表明通信模塊工作正常。

圖11 終端發(fā)送數(shù)據(jù)內(nèi)容

圖12 上位機(jī)接收數(shù)據(jù)內(nèi)容

3.3 系統(tǒng)軟件測(cè)試

本次測(cè)試通過(guò)上位機(jī)重置設(shè)備采樣周期的小時(shí)、分鐘、設(shè)備編號(hào)，F(xiàn)1為操作碼，F(xiàn)F為幀頭。采樣終端接收并設(shè)置完后，并返回設(shè)置后的結(jié)果。由圖13中的收發(fā)數(shù)據(jù)表明，該功能有效。

圖13 上位機(jī)設(shè)置終端操作圖

圖14為上位機(jī)對(duì)下位機(jī)重傳測(cè)試。通過(guò)上位機(jī)向終端發(fā)送的響應(yīng)幀階段，發(fā)送重傳指令，并能成功接收重傳數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果表明該功能有效。

圖14 下位機(jī)對(duì)上位機(jī)重傳指令響應(yīng)

圖15 中間件數(shù)據(jù)處理測(cè)試

圖15為數(shù)據(jù)流入中間件時(shí)處理前后的結(jié)果，其中“FF 02 63 00 F0 00”等是終端發(fā)送的原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型為16進(jìn)制。經(jīng)過(guò)中間件處理得到基礎(chǔ)信息和采樣信息，并由中間件完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)操作。存儲(chǔ)結(jié)果如圖16所示。表明中間件功能測(cè)試成功，結(jié)果有效。

圖16 存儲(chǔ)測(cè)試圖

圖17 數(shù)據(jù)顯示測(cè)試圖

當(dāng)圖15和圖16的操作完成后，數(shù)據(jù)將會(huì)在可視化軟件中實(shí)時(shí)顯示，圖17的黃色標(biāo)記為空氣濕度的實(shí)時(shí)值。表明可視化軟件的實(shí)時(shí)性測(cè)試成功，且結(jié)果有效。

本次檢查終端的采樣周期是否與設(shè)置值匹配，經(jīng)圖18中的數(shù)據(jù)表明，20為采樣周期（分鐘），第二列為數(shù)據(jù)接收時(shí)間。對(duì)相鄰兩次時(shí)間做差對(duì)比，其采樣周期的誤差在10秒內(nèi)，該時(shí)間主要受傳輸距離、傳輸速率影響。故本次測(cè)試成功，結(jié)果有效。

圖18 周期采樣測(cè)試結(jié)果圖

4 結(jié)語(yǔ)

隨著人們對(duì)智慧城市、智能家居等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的認(rèn)識(shí)提升，將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用落地于工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的需求量也逐漸提高。由此更低功耗、更穩(wěn)定的、適用范圍更廣的農(nóng)業(yè)低功耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展有著重大意義。文中描述了基于LoRa的戶外低功耗監(jiān)測(cè)終系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)嵌入式技術(shù)將多種不同協(xié)議的傳感器集成在一起，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)戶外農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的環(huán)境數(shù)據(jù)采樣，并將數(shù)據(jù)經(jīng)一系列處理后，通過(guò)LoRa上傳至上位機(jī)接收模塊，由上位機(jī)的中間件完成數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)任務(wù)，最終在應(yīng)用中完成數(shù)據(jù)可視化。這一系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，有助于生產(chǎn)者在降低人力成本的同時(shí)，還能第一時(shí)間內(nèi)了解作物生長(zhǎng)的環(huán)境情況，更高效的對(duì)作物的生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行干預(yù)，為作物產(chǎn)量、品質(zhì)提供有利的保障。