基于LoRa無線通信的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計*

石新龍 丁永輝

（1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 自動化工程學院 河南 南陽 473000；2.北京新雷能科技股份有限公司 北京 102200）

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)將物聯(lián)網(wǎng)、智能控制和無線通信等技術(shù)融合應(yīng)用，監(jiān)測作物生長環(huán)境的溫濕度、光照強度、CO2濃度等重要數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對農(nóng)作物生長的智能化管理，大大提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率?，F(xiàn)階段，無線通信技術(shù)的發(fā)展為農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸提供了便捷的通道，Wi-Fi、藍牙、ZigBee、6LoWPAN等，廣泛應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)的數(shù)據(jù)傳輸中。文獻[1-4]分別給出了藍牙、ZigBee、Wi-Fi等無線網(wǎng)絡(luò)的在智慧農(nóng)業(yè)中典型應(yīng)用案例。文獻[5]采用異構(gòu)組網(wǎng)的方式，整合多種無線通信技術(shù)增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。文獻[6-8]提出了將LoRa無線通訊應(yīng)用于溫室環(huán)境監(jiān)測的方案。

本文基于 MSP430F247微處理器，采用 LoRa無線通信技術(shù)，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)環(huán)境，如空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照度等參數(shù)的采集及傳輸，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)環(huán)境中各參數(shù)的可靠傳輸和有效管理。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)整體框架由監(jiān)測節(jié)點、數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控平臺構(gòu)成，如圖1所示。監(jiān)測節(jié)點連接底層的傳感器，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部傳感器設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，主要有空氣溫濕度傳感器，光照度傳感器，用于灌溉的水流量傳感器。監(jiān)測平臺負責接收各節(jié)點傳輸來的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析、處理、顯示以及對監(jiān)測節(jié)點的遠程控制，主要是控制采光及保暖的卷簾機、卷膜機、滴灌水流電磁閥等設(shè)備。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計

監(jiān)測節(jié)點采用16位微處理器MSP430F247作為主控單元，并嵌入433MHz頻段的LoRa無線通信模塊，實現(xiàn)中遠距離的無線數(shù)據(jù)傳輸。同時，本方案采用八位撥碼開關(guān)實現(xiàn)對監(jiān)測節(jié)點的地址編碼，使每個監(jiān)測節(jié)點都具有唯一的地址，便于對大棚內(nèi)的眾多監(jiān)測節(jié)點進行區(qū)分。另外，還加入了蜂鳴器電路，用于實現(xiàn)異常情況的報警，如圖2所示。

圖2 監(jiān)測節(jié)點硬件設(shè)計框圖

2 功能電路設(shè)計

2.1 電源電路模塊

監(jiān)測節(jié)點電路采用外部24V直流電源供電，再通過由TPS54040及TLV70033芯片構(gòu)成的DC-DC電壓轉(zhuǎn)換電路，將24V分別轉(zhuǎn)換成5V和3.3V，其中3.3V供給MSP430F247用電，如圖3所示。

圖3 電源電路原理圖

2.2 采集電路模塊

采集電路的采集對象為智能大棚內(nèi)的溫濕度計、水流量計、限位開關(guān)等傳感器，這些變量涵蓋模擬量、脈沖量、開關(guān)量等。本方案采用100Ω的采樣電阻通過模擬量輸入通道采集 4～20 mA的模擬信號，脈沖量及開關(guān)量的采集則通過MSP430F247的中斷IO來實現(xiàn)，如圖4所示。

圖4 采集電路原理圖

2.3 繼電器輸出模塊

本方案中，監(jiān)測節(jié)點還可執(zhí)行監(jiān)控平臺的反饋指令，實現(xiàn)對大棚內(nèi)部環(huán)境的智能調(diào)節(jié)，例如對卷膜機、滴灌電磁閥、空調(diào)等設(shè)備的控制。如圖5所示，在監(jiān)測節(jié)點設(shè)計了兩路輸出，來控制開關(guān)設(shè)備的通斷，具體是利用5V繼電器JQ1P與MOSFET 2N7002之間的電平轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)。

圖5 繼電器輸出模塊原理圖

2.4 LoRa無線通信模塊

分布在各處的監(jiān)測節(jié)點采用LoRa無線通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)、指令的發(fā)送與接收。LoRa無線通信模塊采用AS32-TTL-100型號，可以實現(xiàn)中遠距離的無線數(shù)據(jù)傳輸，視距下約為3000 m，同時工作頻段在410MHz～441MHz，屬于免牌照頻段。LoRa無線模塊有定點傳輸、空中喚醒、透明廣播三種傳輸模式，不同模式可以切換。本方案通過撥碼開關(guān)給每個節(jié)點設(shè)置了唯一的地址，可以獨立地控制每個節(jié)點，同時LoRa無線模塊選擇定點傳輸，這樣棚內(nèi)各類型的監(jiān)測節(jié)點可以分別工作在不同信道上。

2.5 監(jiān)測節(jié)點PCB設(shè)計

監(jiān)測節(jié)點 PCB采用雙層電路板設(shè)計，如圖 6所示，為了調(diào)試方便及裝配美觀，元器件基本都分布在電路板頂層。另外考慮到繼電器輸出端可能接入交流電源，這里采用開槽的方法以實現(xiàn)電氣隔離，實物如圖7所示。

圖6 監(jiān)測節(jié)點PCB圖

圖7 調(diào)試后的監(jiān)測節(jié)點

3 系統(tǒng)程序設(shè)計

根據(jù)作物生長環(huán)境，在大棚內(nèi)分布了空氣溫濕度監(jiān)測節(jié)點、光照監(jiān)測節(jié)點、補光燈控制節(jié)點、水流量監(jiān)測及控制滴灌的電磁閥節(jié)點、卷簾機或卷膜機控制節(jié)點。不同監(jiān)測節(jié)點的設(shè)備具有不同的地址碼，系統(tǒng)以此來選擇執(zhí)行對應(yīng)的功能程序。程序控制指令每隔100 ms向各個節(jié)點發(fā)出輪詢，當需要查詢某一節(jié)點的數(shù)據(jù)時，則由網(wǎng)關(guān)設(shè)備提供該監(jiān)測節(jié)點的設(shè)備地址，并設(shè)定控制模式（是需要控制繼電器，還是查詢傳感器數(shù)據(jù)）。通信數(shù)據(jù)包為十六進制數(shù)據(jù)，內(nèi)容包含控制指令和需要上傳的數(shù)據(jù)兩部分。其次，監(jiān)測節(jié)點的兩路繼電器輸出，用于對不同設(shè)備的控制，主要是滴灌電磁閥、卷膜機、風機等，程序流程如圖8所示。

圖8 程序設(shè)計流程圖

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)搭建在某農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)，在棚內(nèi)分別布置了空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、光照強度傳感器、流量計以及卷簾機、卷膜機的繼電器控制等多個節(jié)點。

4.1 LoRa無線通訊測試

經(jīng)實地測試，當輪詢周期大于100 ms時，LoRa無線通信的數(shù)據(jù)傳輸較為穩(wěn)定。而當輪詢周期低于100 ms時，通信數(shù)據(jù)的丟包率較高。此外數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性還和無線模塊的空中速率有關(guān)，空中速率越低其數(shù)據(jù)傳輸距離越遠，抗干擾穩(wěn)定性越強，但數(shù)據(jù)的發(fā)送時間也就越長。當監(jiān)測節(jié)點設(shè)定無線空中速率為2.4 k時，通信速率和距離較為穩(wěn)定，在視距下測試通訊距離至少能達到 2km。圖 9和圖 10為部分監(jiān)測節(jié)點通訊數(shù)據(jù)。

圖9 光照度監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖10 空氣溫濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)

4.2 數(shù)據(jù)顯示

監(jiān)測終端平臺用于顯示大棚內(nèi)部的各環(huán)境參數(shù)，以及各調(diào)節(jié)設(shè)備的狀態(tài)，如圖11所示。

圖11 數(shù)據(jù)顯示頁面設(shè)計

5 結(jié)語

本方案立足實際應(yīng)用，基于大棚農(nóng)作物生長環(huán)境，設(shè)計了基于LoRa無線通信技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。從調(diào)試及試驗結(jié)果可知，LoRa無線技術(shù)更適用于少量數(shù)據(jù)的遠距離傳輸，2km范圍內(nèi)的可靠性較高。同時系統(tǒng)可對采集到的農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)進行分析、處理，對調(diào)節(jié)設(shè)備實施遠程控制，為農(nóng)作物提供良好的生長環(huán)境，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智慧化。