基于LoRa的遠程分布式農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

韓團軍　尹繼武　趙增群　王楷

摘要：為解決傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)復(fù)雜、傳輸距離短、功耗高等問題，提出一種基于LoRa技術(shù)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32微控制器的外設(shè)功能驅(qū)動傳感器實現(xiàn)多種環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測，利用LoRa無線通信模塊組建數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)中的匯總節(jié)點接收所有從監(jiān)測節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)打包處理后通過通用分組無線服務(wù)（GPRS）通信網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器，利用C#語言開發(fā)的上位機可以實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時顯示以及保存。經(jīng)測試，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r準確地監(jiān)測農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)，運行穩(wěn)定可靠，可以滿足農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測的需求。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);農(nóng)業(yè)環(huán)境;LoRa;GPRS通信

中圖分類號： S275.6文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）19-0236-05

收稿日期：2018-07-01

基金項目：國家自然科學(xué)基金（編號：61401262）;陜西省教育廳基金（編號：16JK1151）;陜西理工大學(xué)2017年科研基金（編號：SLGKY2017-16）。

作者簡介：韓團軍（1981—），男，陜西咸陽人，碩士，講師，研究方向為集成電路設(shè)計與分析，E-mail：htjzyh@163.com;尹繼武，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為信號處理，E-mail：Yjw23456@163.com。

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)在國家經(jīng)濟建設(shè)中具有十分重要的戰(zhàn)略地位，我國農(nóng)業(yè)環(huán)境在空間和地域分布上極其不同，如何科學(xué)有效地管理和監(jiān)測農(nóng)業(yè)環(huán)境信息成為農(nóng)業(yè)信息化研究的重點。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展給農(nóng)業(yè)環(huán)境信息采集和最優(yōu)化控制提供了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)，已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)科學(xué)種植的主要信息化手段。現(xiàn)在已有的農(nóng)業(yè)無線數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)和協(xié)議比較復(fù)雜，系統(tǒng)存在著傳輸距離短、功耗高和抗干擾性差等缺點[1-5]。

本研究提出了一種基于LoRa技術(shù)的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，利用LoRa無線通信模塊組建數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)中的匯總節(jié)點接收所有監(jiān)測節(jié)點的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)打包處理后通過通用分組無線服務(wù)（GPRS）通信網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器，利用C#語言開發(fā)的上位機實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時顯示以及保存。整個系統(tǒng)設(shè)計和組網(wǎng)簡單，能夠?qū)崟r準確顯示農(nóng)業(yè)環(huán)境檢測數(shù)據(jù)，運行穩(wěn)定可靠，可以滿足農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測和有效管理的要求。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

整個系統(tǒng)利用LoRa無線通信模塊組建數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，包含監(jiān)測節(jié)點和匯總節(jié)點2種節(jié)點。監(jiān)測節(jié)點由STM32控制器、傳感器和LoRa模塊組成，STM32驅(qū)動各傳感器采集數(shù)據(jù)并通過LoRa模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯總節(jié)點。數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)中的匯總節(jié)點接收所有從監(jiān)測節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)打包處理后通過GPRS通信網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器，利用C#語言開發(fā)的上位機實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時顯示以及保存。整個農(nóng)業(yè)環(huán)境系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)分為監(jiān)測節(jié)點、匯總節(jié)點2個部分。監(jiān)測節(jié)點包括STM32控制器模塊、LoRa無線通信模塊、土壤溫度和水分傳感器模塊、土壤酸堿度傳感器模塊、光照傳感器模塊以及電源模塊，監(jiān)測節(jié)點負責(zé)采集數(shù)據(jù)并通過LoRa模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯總節(jié)點。匯總節(jié)點包括STM32控制器模塊、LoRa無線通信模塊、GPRS模塊以及電源模塊，負責(zé)將數(shù)據(jù)打包后上傳至服務(wù)器端。整個系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示。

2.1 電源模塊電路設(shè)計

電源供電需要+5.0 V、+3.3 V和+12.0 V 3路電源。控制器采用+3.3 V電源供電，放大電路需要+12.0 V電源進行供電，+5.0 V電源由USB提供，為了保證電源設(shè)計輸出穩(wěn)定，采用AMS1117穩(wěn)壓芯片設(shè)計+3.3 V電源，用德州儀器公司的LDO低壓差線性穩(wěn)壓器TPS54140設(shè)計提供12 V電源[6-7]。供電電路如圖3和圖4所示。

2.2 土壤酸堿度電路設(shè)計

設(shè)計中采用電化學(xué)法對土壤的酸堿度進行測量，該方法是利用電極電位的大小與檢測物質(zhì)濃度的大小呈線性的電化學(xué)法。工作原理是把被測液體的濃度、測量電極和參考比較電極等效為原電池，這樣可以使化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電池的電動勢，建立起原電池電壓和液體中氫離子濃度之間的關(guān)系，通過測量電池的電動勢得到氫離子濃度，進而得到土壤的酸堿度值。在設(shè)計中由于土壤溶液中氫離子濃度轉(zhuǎn)化的電信號比較微弱，不能為后續(xù)電路處理，所以必須對該采集到的小信號進行放大處理。本研究采用CD4575和TL048 2款放大器和相關(guān)的外圍電路設(shè)計了一個四級運放系統(tǒng)。四級放大器的第1級采用正相放大設(shè)計，這樣設(shè)計可以提高輸入阻抗;用TL048設(shè)計第3級放大器，作用是調(diào)節(jié)輸入電壓的零點[8-10]。具體電路如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括監(jiān)測節(jié)點軟件設(shè)計、匯總節(jié)點軟件設(shè)計和上位機軟件設(shè)計。

3.1 監(jiān)測節(jié)點軟件設(shè)計

監(jiān)測節(jié)點由STM32微控制器、多傳感器、LoRa模塊組成，土壤溫度、水分傳感器和STM32之間通過IIC總線通信，酸堿度傳感器和光照傳感器的數(shù)據(jù)通過STM32內(nèi)部的ADC模塊讀取，LoRa模塊和STM32控制器之間通過串口通信，程序流程如圖6所示。

3.2 匯總節(jié)點軟件設(shè)計

匯總節(jié)點由STM32微控制器、LoRa模塊以及GPRS模塊組成，其主要功能是接收所有從監(jiān)測節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)，然后將所有數(shù)據(jù)打包處理上傳至服務(wù)器端。LoRa模塊和GPRS模塊都是通過串口和STM32通信，所以在匯總節(jié)點部分須要用到STM32內(nèi)部的USART模塊。STM32和LoRa模塊之間使用USART1通信，STM32和GPRS模塊之間使用USART2通信。USART1采用中斷方式采集數(shù)據(jù)，一旦有數(shù)據(jù)傳入則會觸發(fā)中斷，串口每中斷一次發(fā)送一個八位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)會保存在緩沖寄存器中，在串口中斷處理函數(shù)中將緩沖寄存器中的數(shù)據(jù)保存到一個數(shù)組中，接收完一幀數(shù)據(jù)關(guān)閉串口1中斷，使用串口2發(fā)送數(shù)據(jù)。為了區(qū)分不同節(jié)點的數(shù)據(jù)，程序規(guī)定每個監(jiān)測節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)格式為節(jié)點號+數(shù)據(jù)+結(jié)束標(biāo)志符。所以在匯總節(jié)點處要對不同節(jié)點數(shù)據(jù)進行識別，如果接收到的是數(shù)據(jù)節(jié)點號，則表示要開始一幀數(shù)據(jù)的接收，此時將數(shù)據(jù)接收標(biāo)志位置1。如果接收到的是結(jié)束標(biāo)志符，則表示一幀數(shù)據(jù)的接收已結(jié)束，此時將數(shù)據(jù)接收標(biāo)志位置0，將數(shù)據(jù)接收完成標(biāo)志位置1。主程序中判斷到數(shù)據(jù)接收完成標(biāo)志位置1后會中斷串口1，此時轉(zhuǎn)入串口2發(fā)送，利用串口2的發(fā)送函數(shù)將數(shù)組中的數(shù)據(jù)發(fā)給GPRS模塊，然后GPRS模塊將所有的數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器端。其程序流程如圖7所示。

3.3 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件設(shè)計利用Visual studio開發(fā)平臺完成，通過 C# .NET 的窗體應(yīng)用程序開發(fā)中若干類庫設(shè)計出軟件整體。本系統(tǒng)上位機軟件主要由下面3個部分組成：軟件參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)接收及顯示模塊、數(shù)據(jù)處理及繪圖模塊，詳細模塊功能如圖8所示。

Visual studio為開發(fā)人員提供了大量可以直接使用的控件，操作方便。對于一個Winform應(yīng)用程序來說，常見的控件主要有TextBox控件、Button控件、Label控件、Panel控件、CrystalReport控件等。C#中的網(wǎng)絡(luò)通信和傳統(tǒng)語言采用的模型相同，但用戶需要管理的細節(jié)較少。C#網(wǎng)絡(luò)編程采用System.Net和System.Net.Socket 2個命名空間來實現(xiàn)類的調(diào)用。

上位機和服務(wù)器之間基于傳輸控制協(xié)議（TCP）通信。TCP協(xié)議通過一個端口進行信息的傳輸和獲取。低于 1 024 的端口是公共端口，由互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字分配機構(gòu)（IANA）分配，1 024 至65 535是沒有公共定義的端口，用戶可以自己定義這些端口[11-12]。上位機界面如圖9所示。

4 系統(tǒng)測試及分析

4.1 系統(tǒng)測試終端

系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計完成后，為了驗證系統(tǒng)的可行性，搭建了一個試驗測試平臺。為了簡化測試條件，整個測試平臺包括2個監(jiān)測節(jié)點、1個匯總節(jié)點以及1個阿里云服務(wù)器。監(jiān)測節(jié)點搭載溫濕度、土壤酸堿度、光照傳感器，匯總節(jié)點包括LoRa模塊和GPRS模塊。

4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集

測試中將2個監(jiān)測點設(shè)置在農(nóng)田的主要工作區(qū)，測試過程主要是驗證本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、LoRa通信方式穩(wěn)定性和通信距離，能否準確可靠地顯示環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過驗證，整個系統(tǒng)能正常工作，且通過服務(wù)器可以準確檢測到農(nóng)田環(huán)境中的溫濕度、光照度變化以及土壤的pH值。測試各種參數(shù)的變化曲線可以通過上位機觀察，結(jié)果如圖10、圖11、圖12和圖13所示。通過監(jiān)測系統(tǒng)對環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集，不同時刻的溫、濕度數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可以看出，監(jiān)測系統(tǒng)測量得到的土壤溫度和含水量數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)基本一致，誤差較小，符合監(jiān)測系統(tǒng)需求。

通過圖8至圖13可以看出，系統(tǒng)測試靈敏度比較高，能準確實時地監(jiān)測土壤pH值的大小和光照度的變化，整個設(shè)計符合系統(tǒng)需求。

5 結(jié)語

采用LoRa技術(shù)設(shè)計了一種遠程分布式農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對農(nóng)業(yè)環(huán)境信息的實時監(jiān)測，通過對系統(tǒng)的實地調(diào)試，證明了該系統(tǒng)能夠精確測量農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)，可以被廣泛應(yīng)用于智能化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中，系統(tǒng)設(shè)計靈活、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)簡單、傳輸距離遠、功耗極低，且該系統(tǒng)具有良好的測量準確性，可以被廣泛推廣。

參考文獻：

[1]王玖林，趙成萍，嚴 華. 基于LoRa的節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計與研究[J]. 節(jié)水灌溉，2017（12）：104-106，111.

[2]王 鈞. 基于LoRa的設(shè)施農(nóng)業(yè)區(qū)自動氣象站監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 中國農(nóng)機化學(xué)報，2018，39（5）：82-86.

[3]萬雪芬，崔 劍，楊 義，等. 地下LoRa無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸測試系統(tǒng)研究[J]. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2018，39（3）：118-124.

[4]張永棠，周富肯，吳圣才. 精確農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署研究[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45（3）：200-205.

[5]張 輝，李艷東，趙麗娜，等. 基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（16）：71-74.

[6]陳 誠，李必軍，張永博. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)設(shè)計[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（10）：242-245.[HJ1.7mm]

[7]饒 強，于舒娟，張 昀，等. 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)精細農(nóng)業(yè)系統(tǒng)盲檢測[J]. 電視技術(shù)，2015，39（21）：87-90，103.

[8]陳 瑜，張鐵民，孫道宗，等. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)車輛定位系統(tǒng)設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31（10）：190-197.

[9]馬少華，張 興，韓 冬，等. 基于ECDSA優(yōu)化算法的智能農(nóng)業(yè)無線傳感器節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)安全認證[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（4）：389-392.

[10]李士軍，溫 竹，宮 鶴，等. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用進展[J]. 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報，2014，26（6）：1715-1720.

[11]王玲玲，嚴錫君，嚴 妍. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在溫室農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究[J]. 節(jié)水灌溉，2013（6）：54-57.

[12]施云波，王萌萌，南慧杰，等. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)微環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報，2013，30（2）：254-258.