基于B/S架構(gòu)的LoRa遠程溫室監(jiān)測系統(tǒng)*

姚引娣, 王 磊, 花靜云, 賀軍瑾

(1.西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710121;2. 西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

0 引 言

目前，國內(nèi)農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)測領(lǐng)域大多采用WiFi[1],ZigBee[2]技術(shù)來實現(xiàn)溫室環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測，由于受到通信距離的限制，這類監(jiān)測方法主要是通過增加采集節(jié)點和中繼節(jié)點的數(shù)量來完成大范圍的數(shù)據(jù)采集，而且系統(tǒng)生命周期短, 成本大，在軟件方面，大多采用傳統(tǒng)的C/S(client/server)架構(gòu)[3]進行環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示，這種架構(gòu)的系統(tǒng)往往安裝復(fù)雜，靈活性差，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的需要。

針對傳統(tǒng)溫室監(jiān)測方法中網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍小、復(fù)雜度高，并且基于C/S架構(gòu)的溫室監(jiān)測系統(tǒng)安裝復(fù)雜、維護成本高等問題，提出了一種基于B/S(browses/server)架構(gòu)[4]的LoRa遠程溫室監(jiān)測系統(tǒng)[5,6]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、網(wǎng)關(guān)、云服務(wù)器及Web監(jiān)控終端構(gòu)成。節(jié)點數(shù)據(jù)采集模塊是溫室環(huán)境數(shù)據(jù)獲取的終端，主要負責(zé)溫濕度、光照強度、CO2濃度等環(huán)境參數(shù)的采集，節(jié)點與網(wǎng)關(guān)之間采用LoRa模塊組網(wǎng)進行無線傳輸，網(wǎng)關(guān)負責(zé)將采集節(jié)點的數(shù)據(jù)進行匯聚，并通過WiFi模塊接入互聯(lián)網(wǎng)將匯總的節(jié)點數(shù)據(jù)上報至Boa[7]服務(wù)器， Boa服務(wù)器將網(wǎng)關(guān)所上傳的消息進行處理，通過CGI[8]+HTML與Web前端進行數(shù)據(jù)通信將數(shù)據(jù)實時顯示到Web界面上。用戶只需要通過瀏覽器就可以對溫室環(huán)境參數(shù)進行遠程監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 采集節(jié)點模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)采集模塊的硬件主要由主控電路、無線傳輸模塊、傳感器三部分組成，主控芯片采用ST公司的低功耗芯片STM8L151[9]，其接口豐富、操作簡單、且具有低功耗模式適合于獨立供電的采集節(jié)點開發(fā)；無線部分的射頻芯片使用的是SX1278 LoRa芯片，與傳統(tǒng)ZigBee技術(shù)相比，無論是在通信距離方面還是低功耗方面LoRa都占有很大的優(yōu)勢；溫濕度傳感器選擇DHT11數(shù)字信號溫濕度傳感器，其濕度精度為±5 %RH、測量范圍20 %～90 %RH， 溫度精度為±2 ℃、測量范圍0～50 ℃；光照傳感選擇ISL29003，通過I2C與主機進行通信輸出采集信息，光照強度可從1 lux 調(diào)節(jié)到100 lux。采用鋰電池供電的方式為整個節(jié)點進行供電。節(jié)點具體硬件框圖如圖1所示。各個節(jié)點和網(wǎng)關(guān)組成星型網(wǎng)，通過LoRa模塊周期性地將傳感器采集的數(shù)據(jù)和本地時鐘上報到網(wǎng)關(guān)。

圖1 節(jié)點硬件框圖

2.2 網(wǎng)關(guān)模塊設(shè)計

在數(shù)據(jù)處理方面網(wǎng)關(guān)將各個節(jié)點的上報數(shù)據(jù)進行打包，通過ESP32WiFi模塊發(fā)送到服務(wù)器在網(wǎng)絡(luò)維護方面，網(wǎng)關(guān)會記錄每個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，如果節(jié)點發(fā)生異常，網(wǎng)關(guān)會將異常數(shù)據(jù)進行上報。網(wǎng)關(guān)的硬件模塊主要由主控芯片、SX1278 LoRa芯片和WiFi模塊組成，具體硬件框圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)關(guān)硬件框圖

主控采用STM32F103C8T6 芯片，STM32系列微控制器是具有高性能、易開發(fā)、以及實時數(shù)字信號處理的32位閃存微控制器產(chǎn)品，內(nèi)置ARM Cortex-M3內(nèi)核，擁有多條 I/O口以及豐富的外設(shè)接口，適合于高性能要求的網(wǎng)關(guān)開發(fā)。WiFi模塊選用ESP32-WROVER[10]，它集成了傳統(tǒng)藍牙、低功耗藍牙和WiFi，支持較大范圍內(nèi)的通信連接，也支持通過路由器直連互聯(lián)網(wǎng)，可以用于低功耗傳感器網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)關(guān)和節(jié)點之間采用LoRa模塊進行無線通信，與ESP32采用串口方式進行通信，ESP32將接收到的信息通過MQTT[11]即時通信協(xié)議發(fā)送到服務(wù)器完成整個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的上報。

2.3 Web服務(wù)器設(shè)計

采用基于Linux系統(tǒng)[12]的騰訊云服務(wù)器，服務(wù)器參數(shù)為1核2 GB內(nèi)存1 Mbps帶寬，通過編譯Boa服務(wù)器的源碼，在該服務(wù)器上部署基于Web的小型Boa服務(wù)器，實現(xiàn)Web客戶端對節(jié)點上報數(shù)據(jù)的并發(fā)訪問。

系統(tǒng)的遠程監(jiān)測方式是基于Web瀏覽器/Web服務(wù)器的模型，即B/S 架構(gòu)。具體方案為Web瀏覽器采用進程間共享內(nèi)存的方式通過CGI與Boa服務(wù)器進行通信，將網(wǎng)關(guān)通過WiFi上傳的信息實時顯示到Web界面上，實現(xiàn)溫室環(huán)境的可視化監(jiān)控。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計可分為4個部分：組網(wǎng)協(xié)議設(shè)計、節(jié)點軟件設(shè)計、網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計和Web監(jiān)控端軟件設(shè)計。

3.1 組網(wǎng)協(xié)議設(shè)計

目前在LoRa無線組網(wǎng)中[13,14]，時分多址(time division multiple access,TDMA)是最常用的一種接入方法，傳統(tǒng)的組網(wǎng)協(xié)議大多采用經(jīng)典的MAC層 TDMA輪詢協(xié)議，但是隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，節(jié)點數(shù)目的快速增加，經(jīng)典輪詢協(xié)議的傳輸時延會越來越大，并且由于缺乏重傳機制、數(shù)據(jù)通信的可靠性也沒有辦法保證。因此,本設(shè)計對文獻[15]提出的動態(tài)重傳和差異服務(wù)機制的TDMA 時隙分配協(xié)議(TDMA slot assignment protocol with dynamic re-transmission and differential service mechanism，DRDS-TDMA)進行修改，重新設(shè)計了時幀結(jié)構(gòu)，利用TDMA技術(shù)和重傳時隙在保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性的前提下，針對農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用減少了冗余時隙，提高了時隙的利用率。

本設(shè)計將一個完整的時幀劃分為兩個部分：固定時隙和三次重傳時隙，固定時隙長度為一次重傳時隙長度的5倍，為二次重傳時隙長度的25倍，為三次重傳時隙長度的125倍，固定時隙用于節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸，重傳時隙用于節(jié)點數(shù)據(jù)通信失敗后重新進行數(shù)據(jù)上報。

各個節(jié)點按照入網(wǎng)時網(wǎng)關(guān)分配的固定時隙與網(wǎng)關(guān)進行通信，節(jié)點可以在分配好的時隙內(nèi)進行無沖突的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸完成后進入睡眠狀態(tài)以降低功耗，如果傳輸失敗則進入重傳時隙進行重新上報。使用此協(xié)議能夠解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸沖突和能耗大的問題，適合于遠程農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控的應(yīng)用。

那年，我當(dāng)班主任，她教物理課。一次，我去聽她上“力”這一節(jié)課。首先，她讓學(xué)生預(yù)習(xí)。孩子們覺得這個內(nèi)容太熟悉，而且，他們更習(xí)慣聽老師講，不好好預(yù)習(xí)。娟兒偏不講，孩子就做思考的假象。

3.2 節(jié)點軟件設(shè)計

在整個監(jiān)控系統(tǒng)中，節(jié)點主要負責(zé)溫室內(nèi)傳感器數(shù)據(jù)的采集和上報，首先節(jié)點初始化各個外設(shè)進行開機入網(wǎng)，入網(wǎng)成功后接收網(wǎng)關(guān)下發(fā)的信息并進行解析，如果是下發(fā)的信息為控制信息，節(jié)點執(zhí)行網(wǎng)關(guān)所下發(fā)的指令；如果為上報信息，節(jié)點讀取當(dāng)前所有傳感器的信息按照網(wǎng)關(guān)分配的時隙進行數(shù)據(jù)上報，在每次上報完成后按照網(wǎng)關(guān)發(fā)送的時鐘信息同步本地時鐘[16]，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸失敗時，進入重傳時隙重新進行數(shù)據(jù)上報，確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

3.3 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)主要負責(zé)各個節(jié)點上報數(shù)據(jù)的匯總和上報指令信息的下發(fā)，首先LoRa網(wǎng)關(guān)上電初始化，初始化完成后，開始接收節(jié)點發(fā)來的無線數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)解析，當(dāng)接收的消息為節(jié)點的入網(wǎng)信息時，網(wǎng)關(guān)根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀況為節(jié)點分配上報時隙，并記錄節(jié)點信息，以廣播的形式將該節(jié)點的入網(wǎng)信息下發(fā)給各節(jié)點，入網(wǎng)完成后節(jié)點根據(jù)網(wǎng)關(guān)分配的時隙周期性的進行數(shù)據(jù)上報。當(dāng)網(wǎng)關(guān)接收到節(jié)點上報的環(huán)境信息后，會進行數(shù)據(jù)分析如果環(huán)境參數(shù)有變化，網(wǎng)關(guān)會立刻通過WiFi模塊將數(shù)據(jù)上傳到Web服務(wù)器，Web服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)后，實時地推送給用戶訪問平臺，當(dāng)用戶從Web端觸發(fā)控制指令后，網(wǎng)關(guān)會根據(jù)下發(fā)指令將控制信息發(fā)送給對應(yīng)的節(jié)點，完成節(jié)點各個外接設(shè)備的控制。

3.4 Web監(jiān)控端設(shè)計

監(jiān)控端采用適合于嵌入式開發(fā)的輕量級服務(wù)器Boa來進行Web端的設(shè)計，Boa服務(wù)器是一個非常小巧的服務(wù)器，執(zhí)行代碼大約60 KB左右，是一個運行于Unix或Linux下的適合于嵌入式系統(tǒng)的單任務(wù)HTTP服務(wù)器，源代碼開關(guān)放、性能高，且支持CGI。

在監(jiān)測系統(tǒng)中Web客戶端和服務(wù)器之間采用HTTP協(xié)議進行通信，Web 服務(wù)器通過CGI 接口獲取Web客戶端提交的信息，轉(zhuǎn)交給服務(wù)端的CGI 程序進行處理，將處理后的結(jié)果返回給Web客戶端實現(xiàn)可視化的遠程監(jiān)控。當(dāng)服務(wù)器端收到采集節(jié)點通過WiFi上傳的環(huán)境信息后，先對上傳的信息進行處理，再通過進程間通信共享內(nèi)存的方式將處理的數(shù)據(jù)發(fā)送給Boa服務(wù)器，Boa服務(wù)器將接收到的信息通過CGI接口顯示到Web界面上。

4 系統(tǒng)測試

為驗證遠程溫室監(jiān)測系統(tǒng)的實際效果，基于整個系統(tǒng)對本校智慧農(nóng)業(yè)溫室實驗室進行了實際測試，測試環(huán)境為：LoRa數(shù)據(jù)采集節(jié)點均勻部署在溫室大棚內(nèi)，采集大棚內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)信息，LoRa網(wǎng)關(guān)架設(shè)溫室大棚外，分別測試了系統(tǒng)的傳輸性能和遠程監(jiān)測功能。

4.1 傳輸性能測試

在傳輸性能方面，通過移動溫室外部署的LoRa網(wǎng)關(guān)來改變測試距離，在不同傳輸距離條件下測試LoR采集節(jié)點與LoRa網(wǎng)關(guān)間無線傳輸?shù)膩G包率。其中每包數(shù)據(jù)的大小為9個字節(jié)，采用CRC16方式進行校驗， 測試距離選為0～1.5 km，射頻模塊的發(fā)射功率為13 dBm，天線增益為3 db，傳輸速率為1.3 kBPS，每個測試點連續(xù)收發(fā)1 000個數(shù)據(jù)包，對每個點的數(shù)包據(jù)進行對比分析后，得系統(tǒng)傳輸距離和丟包率的關(guān)系如圖3所示。

圖3 傳輸距離和丟包率

從圖3可以看出，在1 km范圍以內(nèi)，整個網(wǎng)絡(luò)的丟包率在10 %以下，400 m以內(nèi)的丟包率為0 %，相比于傳統(tǒng)的ZigBee和WiFi組網(wǎng)方式，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高可靠遠距離的組網(wǎng)通信。

4.2 遠程監(jiān)測平臺功能測試

基于B/S架構(gòu)的遠程監(jiān)測平臺，主要負責(zé)對各個節(jié)點采集的環(huán)境信息進行監(jiān)控和控制，實時監(jiān)控溫濕度、光照強度、節(jié)點電量等參數(shù)，并對節(jié)點附近的照明燈、風(fēng)扇、報警器等設(shè)備進行控制。

4.2.1 監(jiān)測功能測試

在監(jiān)測功能方面，用戶可以通過電腦Web端或者手機Web實時查看溫室內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)信息，并在系統(tǒng)設(shè)置中設(shè)置各個傳感器的閾值，如果當(dāng)采集到的指定數(shù)據(jù)超過了設(shè)定的閾值，就會觸發(fā)報警機制提醒用戶。功能如圖4所示。

圖4 Web監(jiān)控終端

經(jīng)測試，從圖4中可以看出通過Web訪問本文購買的域名，能夠?qū)崿F(xiàn)對云端服務(wù)器的實時訪問，從而實時監(jiān)控溫室內(nèi)的環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、環(huán)境光照、節(jié)點電量以及其它控制信息，并按照設(shè)置的閾值信息，判斷當(dāng)前溫室環(huán)境的狀態(tài)。

4.2.2 控制功能測試

在控制方面，用戶可以通過Web訪問服務(wù)器域名，通過點擊頁面中的風(fēng)扇開關(guān)、報警器報警開關(guān)、燈光開關(guān)等按鈕，把數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺服務(wù)器，服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至控制節(jié)點，實現(xiàn)對控制設(shè)備的實時控制。經(jīng)測試，用戶通過鼠標(biāo)點擊選擇燈管開關(guān)、報警器開關(guān)、風(fēng)扇等開關(guān)，選擇完成進行提交后，可以實現(xiàn)對節(jié)點控制設(shè)備進行實時操控，從而遠程調(diào)整溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)。

5 結(jié)束語

測試結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的ZigBee+C/S架構(gòu)方案相比，引入B/S 架構(gòu)的LoRa自組網(wǎng)溫室監(jiān)測方式，抗干擾性更好、靈活性更強、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度更低、更適合于大范圍農(nóng)業(yè)監(jiān)測的場景，在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。