基于LoRa的智能大棚控制系統(tǒng)設(shè)計

霍春光，劉 影，代 巍

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125000）

0 引 言

隨著時代的邁進，計算機、網(wǎng)絡(luò)通信、大數(shù)據(jù)和自動控制技術(shù)的全面發(fā)展，打破了傳統(tǒng)的工農(nóng)業(yè)工作方式，科學(xué)技術(shù)已經(jīng)深入了民族工農(nóng)業(yè)[1]。就農(nóng)業(yè)大棚而言，在我國大棚溫室控制系統(tǒng)存在的主要問題：

（1）總體來講，科技水平和總體發(fā)展狀況不平衡，與發(fā)達國家相差較大。而且我國在智能農(nóng)業(yè)方面的研究相對發(fā)達國家較晚、基礎(chǔ)薄弱，從生產(chǎn)設(shè)施裝備不完整，技術(shù)較低，生產(chǎn)也不規(guī)范，難以形成大規(guī)模生產(chǎn)制造，而農(nóng)業(yè)發(fā)達國家多為自動化群控制，從而便產(chǎn)生了差距。

（2）在我國現(xiàn)有的大棚溫室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)每個系統(tǒng)都是點對點相互獨立的，幾乎沒有群控制系統(tǒng)，這樣不僅會浪費大量的資金與財務(wù)，而且降低了用戶的管理效率。

（3）在大棚溫室測控系統(tǒng)中，很多通信通信系統(tǒng)還是有線方式。在我國大棚控制通信系統(tǒng)主要有RS 485總線、RS 232總線以及CAN總線等[2]。有線通信會讓室內(nèi)的排線錯綜復(fù)雜，各線之間產(chǎn)生的電磁干擾較多、發(fā)熱較大，整體功耗提升，并且容易損壞，后期的維護成本高，不能真正意義上達到農(nóng)業(yè)工業(yè)化、自動化的水平。

（4）即使有無線傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)多采用WiFi、藍牙、ZigBee等，這些系統(tǒng)容易受干擾，適用范圍很差[3]。WiFi功耗高，傳輸距離較短，抗干擾較弱，藍牙相對功耗低但是傳輸距離更短，ZigBee功耗雖然低，數(shù)據(jù)量極小，且極易受干擾，局限性太大，無法適應(yīng)太多的復(fù)雜環(huán)境檢測控制（強干擾地區(qū)）[4]。

為此，本文設(shè)計了一種基于LoRa的智能大棚控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以監(jiān)測并控制室內(nèi)環(huán)境的溫濕度信息，利用LoRa節(jié)點傳輸至網(wǎng)關(guān)再通過GPRS將數(shù)據(jù)上傳至云平臺，管理人員通過云端網(wǎng)頁或網(wǎng)關(guān)實時監(jiān)測并且遠程控制各項數(shù)據(jù)指標，如果數(shù)據(jù)異常系統(tǒng)則會向管理人員發(fā)送報警短信，并且采取相應(yīng)的措施調(diào)整環(huán)境。針對停電的情況，系統(tǒng)中加入了斷電記憶功能。在設(shè)備突然斷電情況下，數(shù)據(jù)可以得到保留，重新上電能夠自動恢復(fù)，以有效保障環(huán)境狀態(tài)安全。實驗表明：所提系統(tǒng)解決了人工監(jiān)測導(dǎo)致出現(xiàn)的偏差，采用遠程自動化控制，即使用戶身在遠方也可實時調(diào)整環(huán)境條件狀態(tài)，可大幅提高農(nóng)作物的生產(chǎn)質(zhì)量與人們的工作效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

LoRa可大大改善了接收的靈敏度，降低了功耗，而且LoRa還具有擴頻技術(shù)[5]，如圖1所示，LoRa的延遲極低，在高達100 dB的鏈路上的通信距離可達10 km。LoRa接收電流特別小，僅僅10 mA，最低功耗的傳輸方式即睡眠電流為200 nA，這大大增加了設(shè)備的續(xù)航能力，并且大幅度延長了電池的使用壽命。本文基于LoRa技術(shù)制作的網(wǎng)關(guān)支持多信道多數(shù)據(jù)并行處理，穩(wěn)定性強、延遲低、容量大[6]。理論上網(wǎng)關(guān)24 h可以處理500萬次與各子節(jié)點間的通信（例如，每次發(fā)送10 B數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)占用率僅為0.1）。如果把網(wǎng)關(guān)安裝在有移動通信基站的位置處，在100 mW電功率下其發(fā)射功率為20 dBm，那么在城市里、在建筑密集的環(huán)境下，其覆蓋范圍可達2 km左右，而在建筑密度較低的野外郊區(qū)，其覆蓋范圍甚至可達到10 km以上。

圖1 LoRa擴頻技術(shù)

通過基于LoRa、NB-IoT制作的數(shù)據(jù)采集端、控制端、可操控網(wǎng)關(guān)以及基于OneNET的可視化監(jiān)管中心[7]，可遠程及時了解各個節(jié)點溫室大棚內(nèi)的環(huán)境狀態(tài)信息，并且進行實時自動調(diào)整[8]，在極短的時間內(nèi)控制溫度、濕度，使農(nóng)作物生活于最優(yōu)的環(huán)境，保障農(nóng)作物的健康狀態(tài)和生長速度，并且提高作業(yè)效率和管理水平，推動了農(nóng)業(yè)信息化的發(fā)展。

本文設(shè)計的基于LoRa的智能大棚控制系統(tǒng)分為4個部分，分別為數(shù)據(jù)采集端、可操控網(wǎng)關(guān)、控制端、云端，如圖2所示。LoRa模塊負責(zé)傳輸采集的環(huán)境信息、警報和控制信號?？刹倏鼐W(wǎng)關(guān)將來自各個LoRa的數(shù)據(jù)進行初步處理之后再通過NB-IoT模塊上傳至OneNET平臺，云端會將環(huán)境信息顯示在網(wǎng)頁上。當(dāng)環(huán)境控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)異常時，網(wǎng)關(guān)發(fā)送出相應(yīng)的警報和控制信號，控制端會采取相應(yīng)的措施對環(huán)境進行校正，并且還會向監(jiān)管人員或用戶發(fā)送異常短信提醒，無論在家中還是在大棚都可以實現(xiàn)對大棚溫室內(nèi)環(huán)境的遠程實時可視化監(jiān)控。

圖2 環(huán)境控制系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要分為數(shù)據(jù)采集端、可操控網(wǎng)關(guān)和控制端三個部分，如圖3所示。其中數(shù)據(jù)采集端和控制端共用一塊電源，放在需要監(jiān)控的大棚溫室內(nèi)，如圖4所示。可操控網(wǎng)關(guān)則使用另一塊電源，與用戶和管理者放在一起。本系統(tǒng)采用LoRa星狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以網(wǎng)關(guān)作為中央節(jié)點，利用不同的信道對各個節(jié)點相連接，每一個節(jié)點都可以與網(wǎng)管之間進行信息交換。LoRa具有喚醒模式，當(dāng)需要控制遠端子節(jié)點時，會發(fā)送喚醒碼，遠程端會定時接收喚醒信號。當(dāng)收到喚醒信號時，便開啟串口傳輸模式，進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)利用NBIoT模塊，通過TCP/IP協(xié)議上傳至云平臺。這種方式提高了傳輸效率和工作效率，并且最大限度地降低了功耗。

圖3 數(shù)據(jù)采集端與控制端

圖4 可操控網(wǎng)關(guān)

2.1 數(shù)據(jù)采集端

如圖5所示，數(shù)據(jù)采集端主要包括處理核心模塊、LoRa無線模塊、溫度傳感器和濕度傳感器。

圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件框圖

核心處理模塊采用了宏晶科技生產(chǎn)的8位8051核心微處理器STC89C516單片機。該模塊主要負責(zé)處理傳感器采集到的數(shù)據(jù)，并通過LoRa模塊以無線的方式發(fā)送給可操作網(wǎng)關(guān)。

LoRa模塊采用了成都億百特公司生產(chǎn)的新一代工作頻率在433 MHz的無線收發(fā)模塊。作為星狀結(jié)構(gòu)的一個子節(jié)點，該模塊主要是將處理好的數(shù)據(jù)以無線方式發(fā)送出去。

溫、濕度傳感器采用了DHT11、DS18B20。該模塊主要負責(zé)采集環(huán)境溫濕度，其中DHT11在溫度測試方面不夠精確，因此用DS18B20進行溫度測量，讓數(shù)據(jù)更加精確。

2.2 可操控網(wǎng)關(guān)

可操控網(wǎng)關(guān)如圖6所示，主要包括核心處理模塊、LoRa無線模塊、24C02 E2PROM模塊、NB-IoT模塊、LCD液晶顯示屏。

圖6 可操控網(wǎng)關(guān)硬件框圖

（1）核心處理器采用宏晶科技生產(chǎn)的STC12C5A60S2單片機。STC12C5A60S2是一款高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，其具有雙串口通信。它對LoRa模塊接收到的數(shù)據(jù)進行處理，并顯示在液晶顯示屏上。首先其會檢測是否連接，未連接會在液晶屏顯示“disconnect”；然后檢測傳感器是否正常，如果傳感器不正常會顯示“error”。接收到正常的數(shù)據(jù)后，會顯示在液晶屏上，并且發(fā)送給NBIoT模塊，通過NB-IoT模塊將數(shù)據(jù)上傳至云平臺。并且用戶可以根據(jù)自己的需求利用按鍵對環(huán)境的條件進行設(shè)置，設(shè)置信息會通過單片機處理保存在E2PROM中。當(dāng)數(shù)據(jù)與設(shè)置不符，通過STC12C5A60S2單片機對數(shù)據(jù)處理讓網(wǎng)關(guān)模塊會亮起報警燈并且生成控制信號，以LoRa模塊發(fā)出至控制端。

（2）E2PROM采用24C02芯片。24C02芯片為串行通信方式，是基于I2C總線通信協(xié)議的儲存器件，具有接口方便、體積小、穩(wěn)定性強，數(shù)據(jù)斷電不丟失的特點，保存時效可長達100年。若網(wǎng)關(guān)模塊中途掉電，數(shù)據(jù)仍然會儲存在芯片里，待到來電設(shè)備會自動恢復(fù)上次斷電前設(shè)置的數(shù)據(jù)，無需擔(dān)心數(shù)據(jù)丟失。

（3）LoRa模塊采用成都億百特公司生產(chǎn)的新一代工作頻率在433 MHz的無線收發(fā)模塊，該模塊主要負責(zé)將警報信號以無線方式發(fā)送出去，以及接收數(shù)據(jù)采集端的數(shù)據(jù)。

（4）顯示屏采用了1602液晶顯示屏，可以調(diào)節(jié)亮度，對比度，可以將數(shù)據(jù)直觀顯示。

（5）NB-IoT模塊采用了中國移動OneNET平臺專用的M5310A模塊，將單片機處理后的環(huán)境數(shù)據(jù)流上傳至OneNET平臺。

2.3 控制端

控制端軟件設(shè)計如圖7所示，核心處理模塊采用了宏晶科技生產(chǎn)的8位8051核心微處理器STC89C516單片機，該模塊主要負責(zé)將LoRa接收到的警報信號進行處理，將警報信號發(fā)送給GPRS/GSM無線模塊，并且發(fā)送相應(yīng)的控制信號給光耦繼電器改變環(huán)境。

圖7 控制端系統(tǒng)硬件框圖

LoRa模塊采用了成都億百特公司生產(chǎn)的新一代工作頻率在433 MHz的無線收發(fā)模塊，該模塊主要是接收將警報信號傳給單片機。

GPRS/GSM無線模塊采用了芯訊通（SIMcom）公司旗下的SIM900A模塊，采用ARM926EJ-S架構(gòu)，它主要負責(zé)將單片機傳輸?shù)木瘓笮盘柾ㄟ^基站以短信發(fā)送給用戶。

繼電器采用了光耦四合一繼電器，具有集成度高、響應(yīng)迅速的特點，主要控制改變環(huán)境因素電器的開啟。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該智能大棚控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要分為數(shù)據(jù)采集端軟件設(shè)計、可操控網(wǎng)關(guān)模塊軟件設(shè)計、控制端軟件設(shè)計和可視化監(jiān)管中心軟件設(shè)計。

3.1 數(shù)據(jù)采集端軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集端軟件設(shè)計流程圖如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集端軟件設(shè)計流程

在打開數(shù)據(jù)采集端電源后，該設(shè)備初始化溫度傳感器DS18B20和DHT11以及LoRa無線模塊，處理器開始檢測傳感器是否正常工作，如果傳感器不能正常工作，通過LoRa發(fā)送錯誤信號，然后進行循環(huán)檢測；傳感器正常工作情況下，傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過處理器處理后，將溫濕度數(shù)據(jù)寫入LoRa，LoRa再將溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送出去，最終進入下一個數(shù)據(jù)采集和發(fā)送循環(huán)。

3.2 可操控網(wǎng)關(guān)設(shè)計

可操控網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計流程如圖9所示。

圖9 可操控網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計流程

在打開可操控網(wǎng)關(guān)電源后，該設(shè)備對STC12C5A60S2芯片、24C02芯片、1602液晶屏、按鍵、M5310A模塊、LoRa模塊初始化。首先LoRa將數(shù)據(jù)傳入至單片機，單片機LoRa檢測連接狀態(tài)及傳感器是否能正常運行，檢測結(jié)果會顯示在液晶屏上。正常運行情況下，單片機會先讀取儲存器信息，然后LCD屏?xí)@示LoRa接收到的數(shù)據(jù)，并且通過M5310A模塊將接收到的數(shù)據(jù)傳入至云平臺。人工可根據(jù)自己的需求通過按鍵設(shè)置環(huán)境條件，單片機會自動儲存在24C02芯片中，從而實現(xiàn)斷電記憶；處理器會根據(jù)設(shè)置環(huán)境條件與當(dāng)前環(huán)境值進行對比。當(dāng)環(huán)境不滿足條件要求時，處理器會通過LoRa模塊發(fā)送出對應(yīng)的警報信號，并且有指示燈提示，然后進入循環(huán)檢測更新數(shù)據(jù)，當(dāng)溫濕環(huán)境條件正常時，設(shè)備會發(fā)送符合條件信號，然后再進入下一個循環(huán)檢測更新數(shù)據(jù)。

3.3 控制端軟件設(shè)計

控制端軟件設(shè)計如圖10所示，在打開控制端上電源后，系統(tǒng)對STC89C516芯片、LoRa、繼電器、SIM900A模塊初始化。首先LoRa將接收到的信息通過單片機處理，判斷是否為報警信號，如果是正常信號，則進入循環(huán)繼續(xù)掃描；當(dāng)接收到報警信號，單片機會根據(jù)報警信號判斷出當(dāng)前環(huán)境狀態(tài)，通過SIM900A給用戶發(fā)送當(dāng)前錯誤環(huán)境報警短信，并且通過繼電器控制相應(yīng)的用電器來調(diào)整環(huán)境狀態(tài)，然后進入循環(huán)檢測。

圖10 控制端軟件設(shè)計流程

3.4 可視化監(jiān)管中心軟件設(shè)計

本設(shè)計的云端可視化監(jiān)控中心基于OneNET平臺而設(shè)計。OneNET平臺是由中國移動打造的PaaS物聯(lián)網(wǎng)開放平臺。該平臺可以提供簡便的海量連接、云端存儲、消息分發(fā)和大數(shù)據(jù)分析等服務(wù)，下位機端通過GPRS/GSM傳輸模塊與API接口進行連接，大幅度降低了開發(fā)者的研發(fā)、運營和維護成本，提高了工作效率。用戶可以根據(jù)OneNET平臺提供的產(chǎn)品服務(wù)框架結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建一個大棚環(huán)境應(yīng)用，通過審核之后，便可以對系統(tǒng)中的各項數(shù)據(jù)進行云端處理，用戶最終可以看到實時數(shù)據(jù)，并且對環(huán)境變化進行預(yù)測。OneNET平臺的開發(fā)結(jié)構(gòu)管理圖結(jié)構(gòu)如圖11所示。OneNET平臺的用戶、產(chǎn)品、設(shè)備、APIKey、觸發(fā)器和數(shù)據(jù)流采用如圖10所示的結(jié)構(gòu)形式[9-10]。

圖11 OneNET平臺資源管理層次結(jié)構(gòu)

4 實驗驗證

當(dāng)可操控網(wǎng)關(guān)未連接數(shù)據(jù)采集端，可操控網(wǎng)關(guān)LCD屏?xí)@示“disconnect”，連接好但未插入傳感器時候，數(shù)據(jù)采集端會發(fā)送錯誤信號，可操控網(wǎng)關(guān)LCD屏上會顯示“error”，插好傳感器后數(shù)據(jù)采集端將獲取到的溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送到可操控網(wǎng)關(guān)，LCD屏幕會顯示溫濕度數(shù)據(jù)。然后通過按鍵對操控網(wǎng)關(guān)進行環(huán)境條件設(shè)置，當(dāng)環(huán)境不滿足設(shè)定條件，可操控網(wǎng)關(guān)警報燈亮起，同時LoRa將報警條件發(fā)送到了控制端，控制端接到信號后，對應(yīng)相應(yīng)環(huán)境改變條件的繼電器正常工作，手機端收到大棚環(huán)境信息報警短信；可操控網(wǎng)關(guān)將溫濕度數(shù)據(jù)一起上傳至OneNET平臺，最終在云端可視化監(jiān)管中心上顯示出來；當(dāng)可操控網(wǎng)關(guān)突然斷電，再重新上電啟動，環(huán)境條件設(shè)置并未丟失，斷電記憶功能可以正常實現(xiàn)。

圖12所示為基于OneNET平臺上開發(fā)的網(wǎng)頁應(yīng)用，其顯示大棚環(huán)境信息以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖，可方便直觀監(jiān)測環(huán)境且預(yù)測環(huán)境變化規(guī)律。圖13為大棚環(huán)境條件預(yù)設(shè)值條件不符向管理人員發(fā)送的報警短信圖。

圖12 網(wǎng)頁應(yīng)用顯示圖

圖13 短信報警圖

5 結(jié) 語

在科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅猛的今天，科學(xué)改變生活已經(jīng)深入人心，實現(xiàn)低功耗、綠色環(huán)保已是智能農(nóng)業(yè)的大勢所趨，因此，本文設(shè)計一種基于LoRa技術(shù)和OneNET平臺的環(huán)境控制系統(tǒng)。經(jīng)過多次測試，通過各個子節(jié)點對主節(jié)點的精準反饋，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對大棚環(huán)境條件實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)預(yù)測、遠程控制、斷電記憶、短信報警等先進功能，并且基于LoRa的傳輸系統(tǒng)采用的是喚醒模式，該模式下大幅度降低了功耗，延長了電池的使用壽命，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。