基于LoRa農業物聯網智慧大棚的設計與實現

姚茂漩，羅怡辰

（上海電機學院 電子信息學院，上海 201306）

0 引言

農業環境實時檢測和發展現代化農業十分必要。大棚抑或是裸露在空氣中的田地，均需要監測控制土壤的溫濕度、光照強度等環境信息，再根據這些信息，溫度較高土壤干燥時啟動自動灌溉，包括田網、水網和電網都要能做到聯動。傳統方式的農作物生長依托于人工經驗或者使用測量工具實地測量獲取信息。但這類方式時效低、工作量大且生產成本高，可擴展性差。因此提升生產系統的自動化、智能化水平，無論對提高生產效率、提高農產品的競爭力、精簡人力成本，均有重要的促進作用[1]。

本項目依托部署在大棚的各種傳感節點（環境溫濕度、土壤濕度、二氧化碳等）通過預先設置好的閾值，采取相應的措施，實現智能化的控制。

1 系統功能

1.1 系統功能

本系統采用Tpy_board102作為終端控制系統，利用各種外圍傳感器來實時采集空氣溫濕度、土壤溫濕度這類大棚環境數據，然后通過串口將數據與LoRa本地連接。終端節點與服務器間均采用LoRa方式進行點對點雙向通信，將數據傳給服務器，相關農業生產人員能夠在服務器實時檢測環境數據。整個系統為自動控制模式，外圍傳感器將檢測到的數據傳送給控制板，如果環境數據超出提前設置的閾值，將通過繼電器自動控制風扇、電磁閥、卷簾、照明設備。

1.2 系統結構

本設計的檢測系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構

1.3 關鍵技術LoRa

由于農業環境的特殊性，不能隨意選擇現有的無線通信方式，而要根據使用場景選擇合適的通信方式。目前，比較成熟的無線通信方式主要有：WiFi，Bluetooth，ZigBee，LoRa，NB-IOT等。因為WiFi，Bluetooth，ZigBee存在傳輸距離不足[2]，不適用于農業環境場景。故本文以ZigBee為例，與LoRa進行比較（見表1）。

表1 LoRa與ZigBee技術對比

本課題研究場景為農田，由于ZigBee傳輸距離不夠，所以選擇LoRa通信技術為農田環境監測站以及澆灌控制節點的通信方式。

2 智慧大棚控制系統

基于物聯網的智慧大棚初步設計方案包括3個部分（見圖2）。

圖2 實施方案

（1）大棚內部的數據采集部分：此部分主要負責大棚內部的環境信息的采集，包括空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度、光照、雨滴等。

（2）大棚內自動控制部分：此部分主要依據采集到的信息，實時對農作物的生長環境做出相應的調整，包括灌溉控制、遮陽控制、電機控制等。

（3）大棚內部的數據傳輸：此部分主要依靠LoRa通信傳輸信息至網關，使用戶能夠實時觀測到大棚內部的環境信息。

3 硬件系統設計

3.1 主控板

根據硬件需求，選擇Tpyboard v102作為主控板。TPYBoard_V102 是以遵照MIT許可的MicroPython為基礎，由TurnipSmart公司制作的一款MicroPython開發板，它基于STM32F405單片機，通過USB接口進行數據傳輸，支持Python語言（見圖3）。

圖3 主控板

CPU：ARM CORTEX-M4

MCU運行最高速度：168 MHz

Flash：1 024 KB

3.2 檢測系統模塊

3.2.1 供電系統

電源方面，考慮到大棚內部布線較為煩瑣，所以選擇使用15 V的鋰電池給各個用電器供電。TPYboardv102板的供電需要穩定在DC5 V，所以采用了LM2596s穩壓模塊將15 V轉至 5 V進行單獨供電，該模塊帶電壓表且能自行校準。該系統采用了電壓微處理器，電壓表誤差在±0.05 V，自帶過熱保護和短路保護功能，其余的風扇、電磁閥、燈帶等用電器則直接用15 V供電，連接至繼電器，通過單片機控制。

3.2.2 溫濕度模塊

溫濕度模塊采用了WHTM-02型溫濕度傳感器，其利用集成IC采樣溫度濕度敏感器件的原始數據，再通過特定算法對濕敏器件隨溫度濕度的變化進行溫度補償線性修正等操作，并將其變換成線性模擬量輸出，得到的精度較高（見表2）。

表2 WHTM-02 對應不同電壓所輸出的溫濕度線性特性

由于大棚內部可能會出現各個區塊溫濕度不平衡的情況，采用了多個傳感器測量，求取平均值以防誤判，后續還將進一步研究。當獲取的溫濕度值超過閾值時，單片機會啟動繼電器操控電磁閥進行供水、風扇散熱等操作。

3.2.3 土壤濕度模塊

土壤濕度部分使用市面上較為普遍的濕度探頭，通過數模轉換器連接至單片機，用以獲得更精準的信息。其中，比較器采用LM393芯片，工作穩定。當土壤濕度探測到的濕度低于所設的閾值時，啟動繼電器控制電磁閥進行灌溉，達到濕度閾值時則停止供水。

3.2.4 電磁閥

電磁閥采用MFPD-180脈沖型，跟市面上一般的電磁閥不同。當給電磁閥正向電壓大于0.3 s時，則打開電磁閥；當給電磁閥反向電壓大于0.3 s時，電磁閥關閉，不需要一直給電磁閥供電，從而做到節約能源。

3.2.5 H橋

為了解決給電磁閥提供反向電壓，采用了BTN7971大功率的H橋，能夠更加穩定地控制電磁閥（見圖4）。

圖4 H橋工作原理

3.2.6 LoRa通信

LoRa模塊選取Semtech公司的基于SSC技術、采用 SX1276 芯片的低功耗遠距離收發器。它通過SPI方式傳送數據[3]，使模塊的靈敏度超過-148 dBm，射頻功率放大器達到20 dBm。高靈敏度、高射頻功率和低至9.9 mA的接收電流的完美結合，使鏈路預算也達到了行業領先水平，滿足了超長距離傳輸和可靠性高的使用要求[4]。同時，其優點還包括低功耗，一般電池可以使用10年之久[5]。

3.2.7 元器件連線

由于各個元器件只能通過杜邦線連接，考慮到這種連線方式極其不穩定，筆者選擇自行設計pcb版圖，使用更加安全穩定的接線柱連線，并且預留了多個焊盤，方便之后單獨飛線（見圖5）。

圖5 pcb版布線

4 實物成果

現場實物部署如圖6所示。

圖6 實物部署

5 結語

我國農業正從傳統農業向現代農業轉型。本項目通過嵌入式開發制造出的大棚管理系統已經引入實際使用。目前，已應用于探測空氣溫濕度、土壤溫濕度，運用紅外模塊，解決了自動噴水滴管、控制卷簾、風扇、照明等基礎設備上，后續還會通過更加多元化的方式探測大棚的內部環境，進而提高產出。