基于LoRa的蔬菜大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊秀增 黃秀梅 宋俊慷 肖麗玲

（廣西民族師范學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西崇左 532200）

蔬菜最重要的營(yíng)養(yǎng)作用是為身體提供VC、胡蘿卜素、礦物質(zhì)和膳食纖維。隨著生活水平的不斷提高，人們每天對(duì)新鮮蔬菜的需求量日益增大，傳統(tǒng)季節(jié)性蔬菜已無(wú)法滿足人們的需求[1-4]。依靠現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，大力推廣蔬菜大棚，大規(guī)模種植新鮮蔬菜，是目前現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)[5-6]。在蔬菜大棚中種植蔬菜，要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度，從而獲得蔬菜的最佳生長(zhǎng)條件，達(dá)到高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)和生態(tài)的目的。因此，根據(jù)蔬菜生長(zhǎng)的最佳環(huán)境要求，開(kāi)發(fā)蔬菜大棚實(shí)時(shí)在線自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)備，對(duì)提高蔬菜品質(zhì)和菜農(nóng)收益具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[7-8]。

本文針對(duì)傳統(tǒng)有線監(jiān)測(cè)設(shè)備的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套物聯(lián)網(wǎng)蔬菜大棚實(shí)時(shí)在線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。采用LoRa無(wú)線傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)的長(zhǎng)距離傳輸，把蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)通過(guò)自建的LoRa網(wǎng)絡(luò)傳回到集中器，集中器再通過(guò)RGPS網(wǎng)絡(luò)把節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳到服務(wù)器，用戶可通過(guò)移動(dòng)終端查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和控制設(shè)備。該系統(tǒng)能真正實(shí)現(xiàn)蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高蔬菜大棚管理水平。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

圖1為系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖。該設(shè)計(jì)由蔬菜大棚采集及發(fā)射終端、數(shù)據(jù)集中器、服務(wù)器和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中心四大部分組成。蔬菜大棚采集及發(fā)射終端由傳感器及驅(qū)動(dòng)電路、單片機(jī)控制器和LoRa通信模塊組成。蔬菜大棚采集及發(fā)射終端被部署在蔬菜大棚內(nèi)，在終端上安裝溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度傳感器。在單片機(jī)的控制下，這些傳感器實(shí)時(shí)采集蔬菜大棚的環(huán)境參數(shù)。這些環(huán)境參數(shù)通過(guò)LoRa通信模塊發(fā)送到數(shù)據(jù)集中器。數(shù)據(jù)集中器是數(shù)據(jù)匯集中心，主要由LoRa通信模塊和STC15控制器、GPRS通信模塊組成。數(shù)據(jù)集中器中的LoRa通信模塊能與各蔬菜大棚中的節(jié)點(diǎn)LoRa通信模塊進(jìn)行無(wú)線連接，組成一個(gè)星型無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。STC15控制器是數(shù)據(jù)集中器的控制中心，負(fù)責(zé)星型無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的建立和控制命令的發(fā)送。GPRS通信模塊負(fù)責(zé)與通信子網(wǎng)的連接與通信。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 大棚采集終端硬件設(shè)計(jì)

該大棚采集終端硬件主要由STC15W 4K32S4單片機(jī)、RS232/485轉(zhuǎn)換電路、CO2傳感器、光照傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器、繼電器驅(qū)動(dòng)電路、繼電器、輸入鍵盤、LoRa通信模塊、數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)碼管顯示模塊、光伏板組件、電源管理模塊和鋰電池等硬件組成。每個(gè)采集終端采用太陽(yáng)能光伏板供電，當(dāng)白天太陽(yáng)光充足時(shí)，光伏板組件產(chǎn)生的電能通過(guò)電源管理模塊被儲(chǔ)存在鋰電池中。單片機(jī)采用宏晶科技生產(chǎn)的高速單片機(jī)STC15W4K32S4芯片，該單片機(jī)內(nèi)置4個(gè)高速異步串口通信端口，能很好地滿足本設(shè)計(jì)要求。由圖2可知，UART0連接LoRa通信模塊用于蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送，UART1連接RS232/485轉(zhuǎn)換電路用于蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的采集，UART2連接數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片的輸入端口用于蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)的顯示，輸入鍵盤用于設(shè)置蔬菜大棚的控制參數(shù)值。當(dāng)單片機(jī)讀到的蔬菜大棚當(dāng)前各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)值與預(yù)設(shè)參數(shù)值不一致時(shí)，單片機(jī)啟動(dòng)加濕機(jī)、風(fēng)機(jī)和卷簾機(jī)等調(diào)節(jié)設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)大棚內(nèi)CO2濃度高于CO2的設(shè)置值時(shí)，風(fēng)機(jī)被打開(kāi)；當(dāng)大棚內(nèi)濕度低于濕度設(shè)置值時(shí)，加濕機(jī)被打開(kāi)，加濕器對(duì)蔬菜大棚內(nèi)的空氣進(jìn)行加濕。

2.2 數(shù)據(jù)集中器硬件電路設(shè)計(jì)

蔬菜大棚數(shù)據(jù)集中器主要由控制器、觸摸屏顯示器、MAX232接口、GPRS通信模塊、LoRa通信模塊等組成（圖3）?？刂破鞑捎酶咚賳纹瑱C(jī)STC15W4K32S4。STC15W4K32S4單片機(jī)是宏晶公司2014年推出的1T單片機(jī)，工作電壓為2.5～5.5 V，具有工作穩(wěn)定、抗干擾強(qiáng)等特點(diǎn)。更為重要的是，STC15W4K32S4單片機(jī)內(nèi)置的外設(shè)資源豐富，具有4個(gè)全雙工異步串行通信口（UART）、7個(gè)定時(shí)器、8個(gè)脈寬調(diào)制器（PWM）、8路10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和1路SPI串行通信器。這些外設(shè)資源很適合開(kāi)發(fā)本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集中器。STC15W4K32S4單片機(jī)的異步串行通信口UART0與MAX232接口芯片相連，能與PC機(jī)通信，主要用于程序下載和設(shè)備調(diào)試。STC15W4K32S4單片機(jī)異步串行通信口UART1與LoRa無(wú)線通信模塊輸入端相連，通過(guò)LoRa無(wú)線通信模塊能與大棚采集終端通信。STC15W4K32S4單片機(jī)異步串行通信口UART2與觸摸屏顯示器相連，用于顯示從大棚采集終端發(fā)回來(lái)的數(shù)據(jù)。STC15W4K32S4單片機(jī)異步串行通信口UART3與GPRS通信模塊相連，通過(guò)此模塊單片機(jī)把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)到數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)集中器程序設(shè)計(jì)

圖4為數(shù)據(jù)集中器主程序算法流程圖。當(dāng)單片機(jī)上電時(shí)，單片機(jī)開(kāi)始執(zhí)行程序，設(shè)置好LoRa模塊的工作頻段和工作方式，建立LoRa無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。打開(kāi)異步串行通信口UART1，用于接收蔬菜大棚采集節(jié)點(diǎn)的發(fā)回?cái)?shù)據(jù)。設(shè)置并啟動(dòng)定時(shí)器1，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到時(shí)，單片機(jī)執(zhí)行定時(shí)器1中斷服務(wù)子程序，向各蔬菜大棚采集節(jié)點(diǎn)周期性地發(fā)送器數(shù)據(jù)發(fā)回命令。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)回命令發(fā)送后，單片機(jī)執(zhí)行一段延時(shí)子程序，等待采集節(jié)點(diǎn)發(fā)回?cái)?shù)據(jù)。延時(shí)程序執(zhí)行完成后，單片機(jī)查詢串口1在單片機(jī)延時(shí)等待這段時(shí)間內(nèi)是否接收到新的由蔬菜大棚采集節(jié)點(diǎn)發(fā)回的數(shù)據(jù)，如果有新的數(shù)據(jù)，單片機(jī)把接收到的數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)鏈表中；如果沒(méi)有收到新的數(shù)據(jù)，說(shuō)明此蔬菜大棚采集節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障。再判斷所有節(jié)點(diǎn)是否采集完成，如果所有采集節(jié)點(diǎn)采集完成，節(jié)點(diǎn)地址清零，微處理器把所有數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包形式通過(guò)GPRS通信模塊發(fā)送服務(wù)器，以便遠(yuǎn)程用戶通過(guò)智能終端查詢、統(tǒng)計(jì)和分析。

3.2 蔬菜大棚采集終端程序設(shè)計(jì)

圖5為蔬菜大棚采集終端的主程序算法流程圖。當(dāng)單片機(jī)上電時(shí)，單片機(jī)首先執(zhí)行一段初始化程序，設(shè)置好LoRa通信模塊的工作頻段和工作模式，完成與數(shù)據(jù)集中器的無(wú)線連接，為無(wú)線通信做好準(zhǔn)備。執(zhí)行串口0初始化程序，允許串口0中斷，為接收數(shù)據(jù)集中器數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備。啟動(dòng)定時(shí)器T0，為周期性采集蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)做好準(zhǔn)備。此時(shí)單片機(jī)判斷定時(shí)器T0定時(shí)是否達(dá)到，如果達(dá)到，單片機(jī)設(shè)置數(shù)據(jù)采集事件，讓單片機(jī)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集程序，讀取蔬菜大棚中每個(gè)傳感器的值，并把讀到的數(shù)據(jù)存放在單片機(jī)內(nèi)存中。讀取參數(shù)完成之后，單片機(jī)設(shè)置設(shè)備工作狀態(tài)更改事件，讓單片機(jī)執(zhí)行設(shè)備狀態(tài)更改程序，單片機(jī)根據(jù)讀到的蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)值，與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，依據(jù)比較結(jié)果，打開(kāi)相應(yīng)的蔬菜大棚內(nèi)的設(shè)備工作，調(diào)節(jié)蔬菜大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)達(dá)到最佳。之后，單片機(jī)查詢串口0的數(shù)據(jù)接收鏈表中是否有從數(shù)據(jù)集中器發(fā)來(lái)的發(fā)送數(shù)據(jù)命令。如果收到該命令，單片機(jī)把蔬菜大棚的環(huán)境參數(shù)以數(shù)據(jù)包的形式通過(guò)LoRa無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)集中器。

4 系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)性能，根據(jù)以上技術(shù)方案完成樣機(jī)設(shè)計(jì)，傳感器都選用普銳森社傳感器，這些傳感器采用485標(biāo)準(zhǔn)ModBus-RTU通信協(xié)議，其通信地址及波特率可通過(guò)官方提供的上位機(jī)參數(shù)設(shè)定程序設(shè)置，具有工作穩(wěn)定、精度高、外殼防護(hù)等級(jí)高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)大棚、花卉培養(yǎng)溫室、農(nóng)業(yè)大田、電子設(shè)備生產(chǎn)線等。試制的樣機(jī)上電后，打開(kāi)手機(jī)中安裝好的本系統(tǒng)App程序，樣機(jī)工作穩(wěn)定之后，對(duì)顯示的界面進(jìn)行截圖。圖6為數(shù)據(jù)集中器LCD上看到的蔬菜大棚發(fā)回的數(shù)據(jù)界面。此外，在手機(jī)App界面可看到蔬菜大棚0#的1 h內(nèi)濕度變化情況。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著生活水平的提高，人們對(duì)新鮮蔬菜的需求量很大，傳統(tǒng)人工栽培蔬菜的方式已無(wú)法適應(yīng)新形勢(shì)的發(fā)展需求，因而蔬菜大棚具有很大的應(yīng)用前景。本文利用現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)一套物聯(lián)網(wǎng)蔬菜大棚實(shí)時(shí)在線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)采集、傳輸以及環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，大幅減少人工參與，減輕菜農(nóng)工作量，有利于提高菜農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益。