基于LoRa的農業大棚控制系統設計

束仁冬，孟令啟，李 進，岳 朗

（安徽科技學院 機械工程學院，安徽 鳳陽 233100）

隨著科技的發展，智能化控制也在農業領域迅速延伸，但由于大棚面積范圍廣、控制系統價格昂貴、農民知識水平普遍不高等原因，農業大棚的智能控制系統始終無法普及。國內大部分農業大棚都是塑料薄膜大棚，絕大部分也都依靠人工控制，少數機械控制也少不了人為干預，包括人工澆灌、人工施肥、人工卷簾降溫等。因此，對智慧農業大棚控制系統的設計有重要的意義。

經過專家的不斷探究，國內的大棚控制也有了長足的進步，李明等人提出了一種溫室表冷器-風機集放熱系統提高大棚的溫度控制性能；陳曉寧[1]等人提出了一種將GPRS和射頻技術結合的大棚控制策略；吳久江[2]等人提出了一種將AT（農業技術）、IT（信息技術）和DT（數據庫技術）相結合的種植管理系統提高了經濟效益；朱德海[3]等人提出了基于GEE（谷歌地球引擎）云平臺的大棚動態分析系統。

針對農業大棚的環境變化的控制，結合LoRa無線通信技術[4]和STM32微控制器[5]的優點，設計了一款實現低功耗，傳輸距離遠、成本低和操作方便的農業大棚環境智能監控系統，可以同時對大棚內溫度、濕度、CO2濃度、光照強度等環境因子進行在線監控。

1 大棚控制系統系統結構

本論文下的農業大棚智能控制系統主要由數據采集模塊、數據傳輸模塊、主控制模塊、數據管理平臺4個模塊，見圖1。在大棚環境數據采集模塊中，分別使用溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器和光照強度傳感器等分別對溫度、濕度、CO2濃度和光照強度等環境數據進行采集。各傳感器將采集的數據由模擬信號轉換為數字信號（A/D轉換），輸送至STM32微控制器，再由RS485總線[6]傳送至節點LoRa DTU，通過Lo-Ra技術將信號通過各模塊傳輸至上位機界面和手機app并進行儲存。微控制器接受控制信號后通過繼電器對各設備進行控制。

圖1 控制系統結構Fig.1 The control system structure diagram

2 系統硬件設計

2.1 采集模塊

大棚實時數據采集傳感器包括對溫度、濕度，CO2濃度、光照強度等環境關鍵因子監測的3個傳感器，溫度感器的型號為SSE220型，量程為-20℃～120℃，精度為0.2℃；溫度感器的型號為SSG1001型，量程為0～5 000 ppm，精度為30 ppm；溫度感器的型號為KM21M60型，量程為0～65 535 Lux，精度為±5%（25℃）。

2.2 數據傳輸模塊

在數據采集端，各傳感器數據采集后均通過RS485總線進行有線通訊，RS485總線通訊最大傳輸速率可達10 Mb/s；內部結構采取平衡驅動器和差分接收器組合，抗干擾能力也會大大地增加；傳輸距離更是可以達到1 200 m，傳輸速率和距離成反比，但足以應對大棚傳感器的數據傳輸；同一總線可以同時連接多個驅動器和接收器，也就可以對多個傳感器數據進行傳送。

近年來，較先進且常用的無線通信技術中，遠距離的無線通信技術包括GPRS、LoRa、NB-LOT等，近距離的無線通信技術包括Zigbee[7]、Wi Fi、藍牙等見表1，表1中對各數據進行了對比。綜合各種通信技術優缺點，本系統采用LoRa技術進行傳輸。大棚監控系統的星型拓撲結構，相比于其他結構，星型結構更加便捷，且故障診斷和隔離容易。

2.3 主控模塊設計

STM32F103C8T6是使用高性能ARM32位的RISC內核，工作頻率為72 MHz，包括豐富的I/O端口、連接到2條APB總線的外設等，供電電壓為2.0～3.6V。

對于繼電器模塊，主要用于220V交流電的開關、并包含電氣隔離和擴展多個繼電器，防止電路回流對微處理器的損害，實現對電機、電燈、水泵等開關控制。

3 系統軟件設計

3.1 控制系統

針對系統的功能以及對應采用的STM32F103C8T6微控制器，進行了軟件設計，該軟件設計以C語言為基礎，主控制系統的軟及設計流程見圖2。定義控制系統3個模式為待機模式、自動控制模式、遠程控制模式。待機模式：控制系統不執行工作，各系統處于低電平待機狀態；自動控制模式：控制系統以設定的閾值要求對大棚環境進行調控，無需人工操作；遠程控制模式：根據作物的種類和不同的生長周期，人為操作系統發送控制指令切換生長模式，或手動控制執行機構執行一定動作。以溫度為例，溫度控制系統流程圖見圖3。

表1 無線通信技術之間對比分析Tab.1 The comparative of wireless communication technologies

圖2 主控制系統軟件設計流程Fig.2 The software design flow chart of main control system

4 系統測試與分析

為了驗證LoRa無線通信技術在大棚內外和周圍復雜環境中傳輸能力，對型型拓撲結構的LoRa數據傳輸的距離和丟包率進行測試，設置LoRa節點每5 s發送1次數據，每次3個節點發送200個數據包，再增加節點到網關之間的距離，再次發送數據。通信測試的結果見表2。

圖3 溫度控制系統軟件設計流程Fig.3 The software design flow chart of temperature control system

表2 LoRa數據通信測試Tab.2 LoRa data communication test

由表2中數據得出LoRa無線通信技術在農業大棚環境中的傳輸效率較高，在超過約2 000 m后丟包率才開始逐漸上升，可見LoRa技術適合用于農業大棚領域。

5 系統實驗應用

由于本系統策略采用自動控制方式，不考慮人工操作控制時，將程序燒入單片機后對環境監測情況見圖4。

圖4 環境監測界面及統計Fig.4 The environmental monitoring interface and statistics

6 結語

目前，我國農業大棚主流仍為半機械化控制，但該控制存在控制效率低、浪費人力等因素，本文提出的控制系統具有信息采集精準、效率高、節省人力、成本低等特點，立足農業大棚的時間情況，結合物聯網、LoRa無線技術和STM32單片機控制，系統地完成了對大棚環境的監控，實現了對農業大棚的高效化管理，間接提升了農業大棚作物的產量，減輕農業人員的負擔。