基于LoRa 物聯網的智慧牧場系統

周金鑫，崔健，劉穎（通訊作者），崔靜，韓樂霏，施玥

（防災科技學院信息工程學院，河北三河，065201）

0 引言

隨著“物聯網+”的快速推廣，讓智能農業成為了可能。同樣，對于畜牧業，也有著和“互聯網+”結合創造廣泛市場的美好前景。本系統在以低能耗低成本的LoRa 網絡為基礎，設計出一套合理的，高效的智慧牧場系統。從解決問題根本出發，來嘗試滿足問題所需，從而建立項目。

1 系統結構設計

該系統主要結構分為傳感器節點，繼電器控制模塊，LoRa 節點，LoRa 網關以及控制中心五部分。實現了傳感器對環境數據的采集和通過LoRa 模塊的數據收發，完成控制中心主機與環境控制的完整通信。

本系統的結構如圖1 所示。

圖1 系統結構

在本系統中，傳感器節點通過采集環境的各種數據，再通過LoRa 節點及LoRa 網關之間的自組織網絡連接將數據以無線的方式傳送至控制中心，控制中心將接收的數據存儲至數據庫，將數據可視化并記錄，等待控制中心進行數據的處理與分析。

同時當人工需要調整牧場環境狀態時，可通過控制中心下達控制命令，進而當經過LoRa 自組織網絡的信息傳遞，最后到達繼電器模塊，模塊根據接收的控制命令更改其自身的開關狀態。

2 LoRa 自組網設計

■2.1 LoRa 簡介

LoRa(LongRange)是美國Semtech 公司采用和推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案。LoRa 網絡主要由終端(可內置LoRa 模塊)、網關(或稱基站)、Server組成，應用數據可雙向傳輸[1]。其最大的特點是傳輸距離遠，工作功耗低，組網節點多。

■2.2 LoRa 網絡拓撲圖

LoRa 網絡是星型結構，一般通信距離可達1-2km，在沒有大型建筑的空間下可達更遠。星型網絡拓撲具有結構簡單、容易管理維護、重新配置靈活、網絡延遲時間較小、傳輸誤差較低等優點[2]。網絡拓撲圖如圖2 所示。

圖2 網絡拓撲圖

本系統采用LoRa 模塊的透明傳輸模式開發，將LoRa模塊設置為透傳模式，在透傳模式下數據傳輸過程不影響數據傳輸內容，所發即所收，透明傳輸模式的優勢在于可實現兩模塊即插即用，無需任何數據傳輸協議[3]。

3 控制中心軟件設計

■3.1 功能設計

控制中心主要是上位機服務器，上位機通過WIFI 模塊或以太網網口接入網關。

控制中心軟件基于.net 平臺，前端使用C#，Java 語言開發，后端使用python 語言進行數據分析。控制中心提供實時牧場環境數據的顯示功能，并對圈養環境能加以控制調節功能。主要界面為系統主窗體，能主觀的展示和匯總關鍵的信息，為其子功能提供入口。主界面如圖3 所示。

圖3 主程序界面

系統的功能結構如圖4 所示。

圖4 功能結構圖

■3.2 數據庫設計

數據庫的設計與管理是整個系統實現應用的重要核心。數據庫的合理設計不僅能保證信心系統的穩定，而且可以大大的提高信息系統的工作效率[4]。

其中本系統使用的數據庫會記錄大量的來自于室內室外環境參數數據以及牲畜身體素質的數據，通過實時保存與更新這些數據，實現智慧牧場的數字化監控與管理。

■3.3 數據處理

數據的分析包括牧場環境參數的分析以及動物身體數據參數的分析 。牧場環境分為室外牧場環境因素與圈養環境，其中室外牧場環境包括空氣溫濕度，土壤溫濕度，CO2濃度，大氣壓強，PM25 濃度等參數。圈舍環境包括空氣溫濕度，光照強度，CO2濃度等參數。這些環境參數通過處理以圖像的方式展現出來，能更直觀的讀出有用的信息。同時能過通過數據及圖像能對環境進行調整，從而能夠獲得最好的飼養狀態與環境。

4 系統硬件設計

本系統硬件主要由Lora 網關與RFID 耳卡組成。LoRa節點模塊的硬件由核心控制模塊，存儲模塊，loRa 通信模塊，藍牙或wifi 模塊、電源模塊構成。LoRa 模塊單元用于自組織網絡并收發請求和響應數據；核心控制器控制所有外圍模塊協調工作；SDRAM 作為微控制器的內存用于臨時存儲運行的程序。核心控制模塊為STM32F0 嵌入式微控制器，LoRa 模塊采用SX1276，藍牙或wifi 模塊采用ESP32 芯片。LoRa 節點的硬件設計圖如圖5 所示。

圖5 LoRa 節點硬件設計圖

RFID 耳卡本次采用的是一種2.4G 有源電子耳標，包括電源，電源與單片機相連，單片機與溫度傳感器模塊、無線射頻模塊、定位模塊相連。通過單片機給溫度傳感器模塊發出信號，定期自動檢測的溫度，之后將溫度信號通過無線射頻模塊發射出去。能夠定期檢測牲畜溫度，有利于飼養員及時知曉牲畜健康狀態。定位模塊可以用來防止牲畜丟失和監測牲畜的運動狀況。RFID 耳卡的硬件圖如圖6 所示。

圖6 RFID 耳卡設計圖

5 總結

智慧牧場控制系統實現了在LoRa 自組網連接的情況下，完成了連接傳感器的LoRa 節點模塊與上位機連接的LoRa 網關模塊的實時通信。完成了牧場室外及圈養的環境的實時數據采集與記錄，并提供了可視化的數據信息。實現了牧場飼養環境的物聯網化，提高了養殖的效率，方便了管理員的可視化管理。

智慧牧場控制平臺是牧場數字化管理的重要組成部分，可廣泛應用于圈養企業與畜牧業企業在各種環境下發養殖管理與檢測。隨著物聯網技術的快速發展，本系統有著非常大的改良的可能，隨著系統將來的不斷完善，相信在未來會有更好發展。