基于LoRa農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智慧大棚的設(shè)計與實現(xiàn)

姚茂漩，羅怡辰

（上海電機學(xué)院 電子信息學(xué)院，上海 201306）

0 引言

農(nóng)業(yè)環(huán)境實時檢測和發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)十分必要。大棚抑或是裸露在空氣中的田地，均需要監(jiān)測控制土壤的溫濕度、光照強度等環(huán)境信息，再根據(jù)這些信息，溫度較高土壤干燥時啟動自動灌溉，包括田網(wǎng)、水網(wǎng)和電網(wǎng)都要能做到聯(lián)動。傳統(tǒng)方式的農(nóng)作物生長依托于人工經(jīng)驗或者使用測量工具實地測量獲取信息。但這類方式時效低、工作量大且生產(chǎn)成本高，可擴展性差。因此提升生產(chǎn)系統(tǒng)的自動化、智能化水平，無論對提高生產(chǎn)效率、提高農(nóng)產(chǎn)品的競爭力、精簡人力成本，均有重要的促進作用[1]。

本項目依托部署在大棚的各種傳感節(jié)點（環(huán)境溫濕度、土壤濕度、二氧化碳等）通過預(yù)先設(shè)置好的閾值，采取相應(yīng)的措施，實現(xiàn)智能化的控制。

1 系統(tǒng)功能

1.1 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)采用Tpy_board102作為終端控制系統(tǒng)，利用各種外圍傳感器來實時采集空氣溫濕度、土壤溫濕度這類大棚環(huán)境數(shù)據(jù)，然后通過串口將數(shù)據(jù)與LoRa本地連接。終端節(jié)點與服務(wù)器間均采用LoRa方式進行點對點雙向通信，將數(shù)據(jù)傳給服務(wù)器，相關(guān)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員能夠在服務(wù)器實時檢測環(huán)境數(shù)據(jù)。整個系統(tǒng)為自動控制模式，外圍傳感器將檢測到的數(shù)據(jù)傳送給控制板，如果環(huán)境數(shù)據(jù)超出提前設(shè)置的閾值，將通過繼電器自動控制風(fēng)扇、電磁閥、卷簾、照明設(shè)備。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計的檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3 關(guān)鍵技術(shù)LoRa

由于農(nóng)業(yè)環(huán)境的特殊性，不能隨意選擇現(xiàn)有的無線通信方式，而要根據(jù)使用場景選擇合適的通信方式。目前，比較成熟的無線通信方式主要有：WiFi，Bluetooth，ZigBee，LoRa，NB-IOT等。因為WiFi，Bluetooth，ZigBee存在傳輸距離不足[2]，不適用于農(nóng)業(yè)環(huán)境場景。故本文以ZigBee為例，與LoRa進行比較（見表1）。

表1 LoRa與ZigBee技術(shù)對比

本課題研究場景為農(nóng)田，由于ZigBee傳輸距離不夠，所以選擇LoRa通信技術(shù)為農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測站以及澆灌控制節(jié)點的通信方式。

2 智慧大棚控制系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧大棚初步設(shè)計方案包括3個部分（見圖2）。

圖2 實施方案

（1）大棚內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集部分：此部分主要負(fù)責(zé)大棚內(nèi)部的環(huán)境信息的采集，包括空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度、光照、雨滴等。

（2）大棚內(nèi)自動控制部分：此部分主要依據(jù)采集到的信息，實時對農(nóng)作物的生長環(huán)境做出相應(yīng)的調(diào)整，包括灌溉控制、遮陽控制、電機控制等。

（3）大棚內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸：此部分主要依靠LoRa通信傳輸信息至網(wǎng)關(guān)，使用戶能夠?qū)崟r觀測到大棚內(nèi)部的環(huán)境信息。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 主控板

根據(jù)硬件需求，選擇Tpyboard v102作為主控板。TPYBoard_V102 是以遵照MIT許可的MicroPython為基礎(chǔ)，由TurnipSmart公司制作的一款MicroPython開發(fā)板，它基于STM32F405單片機，通過USB接口進行數(shù)據(jù)傳輸，支持Python語言（見圖3）。

圖3 主控板

CPU：ARM CORTEX-M4

MCU運行最高速度：168 MHz

Flash：1 024 KB

3.2 檢測系統(tǒng)模塊

3.2.1 供電系統(tǒng)

電源方面，考慮到大棚內(nèi)部布線較為煩瑣，所以選擇使用15 V的鋰電池給各個用電器供電。TPYboardv102板的供電需要穩(wěn)定在DC5 V，所以采用了LM2596s穩(wěn)壓模塊將15 V轉(zhuǎn)至 5 V進行單獨供電，該模塊帶電壓表且能自行校準(zhǔn)。該系統(tǒng)采用了電壓微處理器，電壓表誤差在±0.05 V，自帶過熱保護和短路保護功能，其余的風(fēng)扇、電磁閥、燈帶等用電器則直接用15 V供電，連接至繼電器，通過單片機控制。

3.2.2 溫濕度模塊

溫濕度模塊采用了WHTM-02型溫濕度傳感器，其利用集成IC采樣溫度濕度敏感器件的原始數(shù)據(jù)，再通過特定算法對濕敏器件隨溫度濕度的變化進行溫度補償線性修正等操作，并將其變換成線性模擬量輸出，得到的精度較高（見表2）。

表2 WHTM-02 對應(yīng)不同電壓所輸出的溫濕度線性特性

由于大棚內(nèi)部可能會出現(xiàn)各個區(qū)塊溫濕度不平衡的情況，采用了多個傳感器測量，求取平均值以防誤判，后續(xù)還將進一步研究。當(dāng)獲取的溫濕度值超過閾值時，單片機會啟動繼電器操控電磁閥進行供水、風(fēng)扇散熱等操作。

3.2.3 土壤濕度模塊

土壤濕度部分使用市面上較為普遍的濕度探頭，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器連接至單片機，用以獲得更精準(zhǔn)的信息。其中，比較器采用LM393芯片，工作穩(wěn)定。當(dāng)土壤濕度探測到的濕度低于所設(shè)的閾值時，啟動繼電器控制電磁閥進行灌溉，達到濕度閾值時則停止供水。

3.2.4 電磁閥

電磁閥采用MFPD-180脈沖型，跟市面上一般的電磁閥不同。當(dāng)給電磁閥正向電壓大于0.3 s時，則打開電磁閥；當(dāng)給電磁閥反向電壓大于0.3 s時，電磁閥關(guān)閉，不需要一直給電磁閥供電，從而做到節(jié)約能源。

3.2.5 H橋

為了解決給電磁閥提供反向電壓，采用了BTN7971大功率的H橋，能夠更加穩(wěn)定地控制電磁閥（見圖4）。

圖4 H橋工作原理

3.2.6 LoRa通信

LoRa模塊選取Semtech公司的基于SSC技術(shù)、采用 SX1276 芯片的低功耗遠距離收發(fā)器。它通過SPI方式傳送數(shù)據(jù)[3]，使模塊的靈敏度超過-148 dBm，射頻功率放大器達到20 dBm。高靈敏度、高射頻功率和低至9.9 mA的接收電流的完美結(jié)合，使鏈路預(yù)算也達到了行業(yè)領(lǐng)先水平，滿足了超長距離傳輸和可靠性高的使用要求[4]。同時，其優(yōu)點還包括低功耗，一般電池可以使用10年之久[5]。

3.2.7 元器件連線

由于各個元器件只能通過杜邦線連接，考慮到這種連線方式極其不穩(wěn)定，筆者選擇自行設(shè)計pcb版圖，使用更加安全穩(wěn)定的接線柱連線，并且預(yù)留了多個焊盤，方便之后單獨飛線（見圖5）。

圖5 pcb版布線

4 實物成果

現(xiàn)場實物部署如圖6所示。

圖6 實物部署

5 結(jié)語

我國農(nóng)業(yè)正從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型。本項目通過嵌入式開發(fā)制造出的大棚管理系統(tǒng)已經(jīng)引入實際使用。目前，已應(yīng)用于探測空氣溫濕度、土壤溫濕度，運用紅外模塊，解決了自動噴水滴管、控制卷簾、風(fēng)扇、照明等基礎(chǔ)設(shè)備上，后續(xù)還會通過更加多元化的方式探測大棚的內(nèi)部環(huán)境，進而提高產(chǎn)出。