碳中和背景下基于LoRa組網(wǎng)的智能化無土栽培種植系統(tǒng)的設(shè)計

祝朝坤 肖賀旭

摘要：隨著碳中和政策的提出及其在各個領(lǐng)域中的落地，文中提出設(shè)計了一款具有碳中和概念的，且通過 LoRa組網(wǎng)技術(shù)設(shè)計的，可多節(jié)點部署的智能化無土栽培種植系統(tǒng)。該系統(tǒng)單個節(jié)點是一套基于計算機視覺技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)實現(xiàn)的，具有對無土栽培營養(yǎng)液濃度自動配比、對植物生長溫濕度、光照等條件進行智能化管理的種植系統(tǒng)。同時對每個子系統(tǒng)節(jié)點加入了光伏發(fā)電技術(shù)和低功耗L oRa組網(wǎng)功能，光伏發(fā)電技術(shù)可以利用太陽能清潔能源產(chǎn)生電能供一部分設(shè)備工作，低功耗L ORA組網(wǎng)技術(shù)則使產(chǎn)品間可以實現(xiàn)遠距離通信，為大規(guī)模種植提供了技術(shù)支持，也能夠適應未來更加復雜的應用場景。

關(guān)鍵詞：碳中和;無土栽培;LoRa組網(wǎng);光伏發(fā)電

1引言

1.1研究背景及意義

隨著碳達峰與碳中和雙碳相關(guān)政策的提出，社會各界也已開始在各項領(lǐng)域中對碳中和政策進行進一步落實?；诖耍疚奶岢隽嘶谔贾泻捅尘芭cLoRa（遠距離無線電，Long Range Radio））組網(wǎng)技術(shù)的智能化無土栽培種植系統(tǒng)，該系統(tǒng)是在之前的研究成果文獻[1]的基礎(chǔ)上，對實現(xiàn)的功能進行更進一步的優(yōu)化與設(shè)計。本文作者在文獻[1]中設(shè)計了一套基于計算機視覺技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)實現(xiàn)的，具有對無土栽培營養(yǎng)液濃度自動配比、對植物生長溫濕度、光照等條件進行智能化管理的種植系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過計算機視覺技術(shù)以及各個傳感器的數(shù)值達到自動管理無土栽培過程中蔬菜生長所必需的變量，始終將數(shù)值控制在合理范圍內(nèi)，令蔬菜不受季節(jié)限制、天氣影響、蟲害影響，同時也提高了作物的安全系數(shù)，為蔬菜安全生產(chǎn)提供技術(shù)支持。而本文將在前文的基礎(chǔ)上考慮對設(shè)計增加光伏發(fā)電技術(shù)和低功耗LoRa通信網(wǎng)絡(luò)，以使得該設(shè)計能夠適應更多更廣泛的應用前景。

其中光伏發(fā)電技術(shù)與低功耗LoRa組網(wǎng)技術(shù)，在智能化無土栽培種植系統(tǒng)中的應用，具有一定的創(chuàng)新性和實用性，體現(xiàn)在：（1）低功耗LoRa通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計充分利用了 LoRa通信模組的低功耗特性，使得可以在多個不同的地點同時布置多個種植設(shè)備，并對其進行實時監(jiān)測，使其多點大規(guī)模種植得以實現(xiàn)。（2）利用太陽能，能夠在一定程度上降低該系統(tǒng)的能源消耗，本設(shè)計將太陽能轉(zhuǎn)化為電能儲存到同步充放電移動電源SoC （系統(tǒng)級芯片）當中，從而可以一邊獲取太陽能一邊為系統(tǒng)進行輔助供電。

1.2主要研究內(nèi)容

綜上，本文的主要研究內(nèi)容有如下兩點：

1）低功耗LoRa通信網(wǎng)絡(luò)的組成與部署，包括： LoRa硬件設(shè)備的選型，通信方式的設(shè)計，低功耗LoRa 通信網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)。

2）光伏發(fā)電技術(shù)的應用與如何降低設(shè)備的能源消耗，包括光伏發(fā)電如何與該種植系統(tǒng)進行有機結(jié)合，以及如何有效降低系統(tǒng)的能源消耗。

2系統(tǒng)的總體設(shè)計與方案選擇

2.1系統(tǒng)的總體設(shè)計

該智能化無土栽培種植系統(tǒng)，首先通過控制蠕動泵將水和營養(yǎng)濃縮液按比例調(diào)配為適宜植物生長濃度的營養(yǎng)液，同時蠕動泵通過利用市電以及同步充放電移動電源SoC所放出的電能，將培養(yǎng)液抽至種植層的最上層，這里的移動電源SoC起到了一個將光伏板采集到的電能進行存儲的作用。

同時由于受到重力的作用，營養(yǎng)液會連續(xù)流經(jīng)其它種植層，最終到達底部盛有培養(yǎng)液的容器內(nèi)，形成一個循環(huán)。圖1為該系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖。在該系統(tǒng)工作過程中，配合計算機視覺與傳感器技術(shù)對植物生長過程進行監(jiān)測，同時進一步反饋給控制終端，對植物生長的環(huán)境進行調(diào)制。每一套種植架，作為一個種植節(jié)點，接入 LoRa網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)收集和處理。

2.2 LORA設(shè)備的選擇

LORA組網(wǎng)最大特點就是在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠，實現(xiàn)了低功耗和遠距離的統(tǒng)一，它在同樣的功耗下比傳統(tǒng)的無線射頻通信距離擴大3-5倍。

本文中選擇使用正點原子的LoRa模塊ATK- LORA-01作為通信模組基礎(chǔ)單元，該模塊與MCU （微控制器）之間可采用串口進行通信，使用起來較為方便。同時，該模塊具有低功耗，傳輸距離遠，抗干擾性強的特點。模塊支持AT指令配置，使用方法簡單。在數(shù)據(jù)發(fā)送方面：集成32位高性能MCU，在算法加成的條件下可以達到數(shù)據(jù)自動分包發(fā)送，發(fā)送字節(jié)可達512B。

2.3 LoRa組網(wǎng)方式的選擇與設(shè)計

LoRa模塊的傳輸方式可以分為兩大塊，分別是透明傳輸與定向傳輸。[2]

透明傳輸分為點對點和點對多。點對點：兩個模塊之間的傳輸，地址相同，信道相同，無線速率相同，一個發(fā)送一個接收;點對多：多個模塊之間的傳輸：一個發(fā)送，N個接收。透明傳輸?shù)囊鬄椋旱刂废嗤?，信道相同，無線速率相同。在透明傳輸中每個模塊都可以做發(fā)送或者接收，數(shù)據(jù)完全透明，所發(fā)及所得。

定向傳輸能夠在發(fā)送數(shù)據(jù)時修改地址和信道就可以指定數(shù)據(jù)發(fā)送到任意的地址和信道。同時，在定向傳輸過程中模塊地址可變，信道可變，也速率相同。因此，本系統(tǒng)中采用定向傳輸實現(xiàn)組網(wǎng)功能。定向傳輸方式如圖2所示。

3關(guān)鍵方案設(shè)計

3.1低功耗L oRa通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

在LoRa通信網(wǎng)絡(luò)中，將LoRa模塊分為子節(jié)點與終端節(jié)點，其中子節(jié)點裝在每一個智能化無土栽培種植架單元中，由多個子種植架單元通過LoRa組網(wǎng)技術(shù)組成低功耗通信網(wǎng)絡(luò)。每個LoRa模塊的子節(jié)點都通過串口與單元種植架上的STM32單片機相連接，STM32單片機讀取到單元種植架上各個外設(shè)傳感器的數(shù)值之后，將數(shù)據(jù)通過串口并經(jīng)由LoRa子節(jié)點，通過定向傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)分包發(fā)送到終端節(jié)點控制中心。

終端節(jié)點設(shè)計了一套額外的數(shù)據(jù)接收和存儲電路，其在該系統(tǒng)中的功能是收集所有子節(jié)點所發(fā)來的數(shù)據(jù)。在接收到所有子節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)后，每過—段時間，終端節(jié)點會將這些數(shù)據(jù)經(jīng)由串口發(fā)送給與 MCU對數(shù)據(jù)進行打包處理，再將數(shù)據(jù)通過 ESP8266 Wi-Fi 通信模塊，發(fā)送到云服務器，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠距離傳輸，對于云端數(shù)據(jù)的采集和處理，具體實現(xiàn)方式可見文獻[1]。云端對收集到的數(shù)據(jù)進行分析和計算，并根據(jù)此來分析植物的生長狀態(tài)，以及生長環(huán)境等信息，一旦出現(xiàn)偏離預定值的情況，云端會將修正命令，通過這一網(wǎng)絡(luò)分發(fā)給各個種植子系統(tǒng)節(jié)點，并逐一對其進行修正。圖3為低功耗LoRa通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)框圖。

3.2光伏發(fā)電方案的設(shè)計

光伏發(fā)電板所發(fā)出來的電并不能直接被同步充放電移動電源SOC所利用，因此該系統(tǒng)設(shè)計了一個緩沖電路，將光伏板采集到的電能，轉(zhuǎn)換成能夠給移動電源SOC充電的電信號。經(jīng)過查閱資料最終確定使用 CN3791 MPTT光伏發(fā)電板電池充電模塊。整個系統(tǒng)在光伏發(fā)電板給同步充放電移動電源SOC充電的同時，同步充放電移動電源SOC也可以給水泵和植物補光燈燈進行供電。如圖4所示。

經(jīng)過實驗計算，在對該系統(tǒng)采用光伏輔助供電方式后，在日照時長6小時，環(huán)境溫度20°C的前提下，每單位面積內(nèi)，相比較之前不加光伏發(fā)電板，設(shè)備的總用電量減少了約21%，能夠在一定程度上節(jié)省了能源。達到了充分利用清潔能源的目的。

4總結(jié)

本設(shè)計將光伏發(fā)電與低功耗LoRa通信網(wǎng)絡(luò)，與智能化無土栽培種植系統(tǒng)進行有機結(jié)合，是一個較為新穎的嘗試。并且在一定程度上做到了落實雙碳政策的要求。由于時間原因，該系統(tǒng)還存在一些不足，需在后續(xù)研究過程中在以下方面進一步優(yōu)化。①在光伏發(fā)電方面，將會擴大發(fā)電板進行完全太陽能供電嘗試，進一步優(yōu)化低功耗系統(tǒng)。②在低功耗LoRa通信網(wǎng)絡(luò)方面，會進一步優(yōu)化STM32單片機中的程序算法，使其接收數(shù)據(jù)更加快速，準確，并嘗試組建更大的低功耗LoRa通信網(wǎng)絡(luò)適用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。③提升本系統(tǒng)的容錯率。與此同時，也將繼續(xù)結(jié)合該系統(tǒng)自身特點，尋求更多的可以將該智能化無土栽培種植系統(tǒng)實現(xiàn)碳中和概念為目的的，可行性方案的研究工作。

參考文獻：

[1]祝朝坤，谷會斌.基于計算機視覺技術(shù)的無土栽培蔬菜種植系統(tǒng)的研究與設(shè)計.[J.電子產(chǎn)品世界，2021，28（12）：95-98.

[2]肖燦，任鵬，唐立軍.LoRa組網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率與距離均衡性研究[J.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2020，20（08）：16-20.

[3]丁乾.新能源光伏發(fā)電技術(shù)應用的思考[J].智能城市，2021，7（24）：76-77.

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