基于物聯網技術的農業環境監控系統設計

潘新元 劉志強 張禮麟 段海軍 韓勇

摘? ?要：文章針對農業數據采集數據點多、數據率低的特點，設計了一種基于LoRa與GPRS技術的農業環境監控系統。匯聚節點利用GPRS無線網絡，將終端節點采集的數據打包發送到服務器端，用戶通過網頁或安卓手機遠程監測溫室環境，控制電磁閥開關，驅動熱風機加熱以及其他控制設備。該系統結構簡單靈活、功耗低、傳輸距離遠，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：農業環境;無線網絡;數據采集;遠程監控

隨著科學技術的發展與國家的鄉村振興戰略，農業智能化越來越成為一種必要[1]。我國農業大棚區域面積大，種植環境相對復雜，隨著農業智能化的出現將有很大變化。內蒙古農業生產干旱缺水、條件相對差，因此，運用農業智能化是非常有必要的[2]。農業數據采集具有數據點分布廣、數據量少的特點，數據傳輸若都使用總線傳輸，不僅價格昂貴，而且布線復雜。因此本文整合利用通用無線分組業務（General Packet Radio Service，GPRS）與長距離（Long Range，LoRa）各自的優勢[3]，構建一種新型系統，在很大程度上解決傳統通信方式的弊端，使距離大棚較遠的用戶也可對大棚情況進行實時精準監測，實現高效務農。

本文的系統總體框架包括感知層、網絡層和應用層，旨在設計一套基于LoRa和GPRS技術的智能農業大棚系統，能夠實時、準確地采集農作物生長環境中的各種參數，并能精準地控制大棚中的設備，讓大棚中的環境保持在一個平衡的狀態。

1? ? 系統總體設計

本設計主要由終端采集控制節點、匯聚節點以及遠程數據中心3部分組成。采集節點采集溫室大棚的環境參數，匯聚節點將獲得的數據打包，利用無線網絡發送至上位機的服務器中心，實現實時獲取大棚中農作物生長的環境參數，并可以發送控制指令，控制驅動設備改變大棚環境。農業大棚采集控制系統總體設計框架如圖1所示。

現代物聯網農業將計算機、無線傳感器和農學等若干學科緊密結合在一起，通過信息采集、傳輸、處理和控制等技術，使人們更加方便和直觀地獲得農作物生長環境的參數，從而實現真正意義上的智慧農業。本文設計的系統所實現的功能如下：

（1）實時監測功能。通過底層采集節點實時采集溫室里的環境參數，將數據通過無線網絡傳輸給服務器，以直觀的圖表方式顯示并提供報警信息。

（2）多種控制方式。系統將采集到的數據進行分析，當數據超出預先設定的值時便進行自動調節和控制;或采取手動的方式對電磁閥和風扇進行控制。

（3）數據查詢與警告功能。系統可以實時查詢溫室內的各項環境參數、歷史數據，分析農作物生長環境變化趨勢，作出正確的農業生產決策。警告功能可預先設定適合農作物生長條件傳感器數據的上限值和下限值，當某個數據超出范圍值時，系統會提示警告信息及遠程短信通知。

（4）遠程查詢與控制功能。系統可以通過手機連接到灌溉控制器，用手機方便地查看溫室的各項環境數據以及能夠方便地遠程控制各個中斷控制節點的工作。

2? ? 系統節點與軟件設計

系統設計主要包括終端節點設計、匯聚節點設計和服務平臺軟件設計。采集節點間通過RS485總線相連，采集點和匯聚節點通過LoRa實現通信和數據的傳輸。

2.1? 終端節點設計

終端節點的主要任務是接收匯聚節點的采集指令并對傳感器下發采集命令。本系統設計的終端節點包括采集節點和控制節點兩部分，采集節點由STM32微控制器、多傳感器、LoRa模塊組成，傳感器與傳感器子模塊通過RS485方式進行通信，RS485總線采用差分信號傳輸，抑制共模干擾的能力較強[4]。控制節點由控制設備、STM32主控芯片和LoRa無線通信模塊等組成，其主要任務是響應上位機下發的控制指令，控制大棚內的設備。通過終端節點設計，實現采集數據的上傳與控制命令的下達。

2.2? 匯聚節點設計

匯聚節點處于系統的中間層，作為星型網絡結構的網關由STM32微控制器、GPRS模塊以及電源模塊組成，其主要任務為接收終端節點發送的溫室環境參數數據，然后按照物聯網云服務平臺要求的數據存儲格式進行打包，通過串口GRPS模塊發送到物聯網用戶服務平臺;通過GPRS模塊接收物聯網服務平臺發送的對溫室執行結構的控制指令，并轉發到終端節點控制器[5]。

2.3? 服務平臺軟件設計

服務平臺軟件設計包括上位機服務器端和手機客戶端。上位機服務器端的主要任務是接收匯聚節點發送的數據，保存到當地數據庫中，形成可視化的圖表。用戶依據數據分析判斷是否對終端節點下達控制指令。手機客戶端實現遠程觀測的作用，可跨平臺運行，應用于多種終端設備，安裝和維護成本較低。Android智能手機APP的開發，為用戶實現遠程控制提供簡便，以達到提高效率、方便智能調控的目的，進一步提高系統的智能化水平。

2.4? 通信節點

LoRa通信節點的作用是將終端點與匯聚節點連接起來，實現數據的上傳與接收。溫室大棚農業覆蓋面積廣泛，ZigBee節點組成的短距離傳感網絡不能滿足對溫室的可靠控制，而LoRa具有超長距離通信、超低功耗和坑干擾強的特點，選擇LoRa技術可以彌補這一方面的不足[6]。

網關作為數據的交換中心，需要和終端節點和數據服務中心通信，考慮農業大棚和數據中心的遠距離傳輸時，通信方式選用了可高速傳輸、傳輸距離遠、穩定性強的GPRS無線通信網絡。

3? ? 結語

農業溫室數據采集技術是發展現代化農業信息技術的重要一環，本文利用無線通信技術LoRa優勢，構建了一種基于LoRa與GPRS技術的農業環境監控系統，實現了農業溫室環境參數的實時采集及監測。本系統設計靈活、結構簡單，通信距離遠、功耗低，系統可移植性高。除了在農業溫室大棚中的應用，還可稍作修改，用于其他農業用途，具有良好的應用與推廣空間。

[參考文獻]

[1]范秉衡.加快數字鄉村建設助力鄉村振興[J].中國合作經濟，2018（9）：45.

[2]何滿喜.內蒙古農業投入與效益的數量經濟分析[J].華北農報，2002（1）：141-145.

[3]莫章潔.基于ZigBee與GPRS的農業數據采集系統設計[J].貴州師范學院學報，2016（9）：26.

[4]鄭貴林，汪體成.基于LoRa的溫室環境智能監控系統的設計[J].江蘇農業科學，2019（10）：216-219.

[5]熊永紅.基于LoRa無線傳感網絡的溫室控制系統構建[D].南昌：東華理工大學，2019.

[6]王陽，溫向明，路兆銘，等.新興物聯網技術—LoRa[J].信息通信技術，2017（1）：58-59.