LoRa和模糊控制的大棚環境監控系統

河北大學電子信息工程學院 趙曉軍 郝文娟 李 寒 莫益錠 張郁佳 季 桓

目前大多數農業大棚采用有線傳輸和短距離無線通信的方式，對單一大棚進行環境監測和設備控制，存在通信距離短，組網復雜，受網絡環境影響較大等問題。針對以上問題，設計并實現了一套基于LoRa和模糊控制的大棚環境監控系統。該系統采用LoRa進行遠程通信，利用Wi-Fi或GPRS將數據上傳至阿里云物聯網平臺，通過Web和微信小程序實現大棚內各種參數的遠程查看和控制。結果表明，該系統遠程數據傳輸穩定，自動調節環境參數，能夠實現大棚的遠程監測和控制。

我國南北地形和氣候差異明顯，對于農作物的種植有著很大的限制。為了減少這些因素對農作物生長產生的影響，使農業種植不受地域和氣候等因素的限制，建立一種精準化、智能化、普遍應用的智慧農業大棚控制系統有著十分重要的意義。LoRa是一種將擴頻和GFSK調制融合在一起的長距離、低功耗的數據通信技術，其工作頻段為0.137GHz-1.02GHz，傳輸速率從幾百bps可達幾十Kbps，在保證信息傳輸的過程中功耗較低的前提下，大大提高了數據傳輸距離。

1 系統總體設計

本系統以STM32F103系列單片機為核心，通過溫度、濕度和光照傳感器對空氣環境和土壤環境進行監測，利用模糊PID調節風機、卷簾機等工作，調節環境參數，并將傳感器采集到的數據通過LoRa模塊進行遠程數據傳輸。集中器通過GPRS或Wi-Fi模塊將數據上傳到阿里云平臺，并用MYSQL數據庫進行存儲，用戶通過網頁或者微信小程序對大棚進行環境的監控。

1.1 環境采集節點設計

環境采集節點主要由傳感器、LoRa模塊、STM32F103和電源模塊等組成，用于實時獲取農業大棚內環境參數，包括空氣溫度、空氣濕度、光照強度、土壤溫度、土壤濕度等參數，并完成數據上報。LoRa是一種將擴頻和GFSK調制融合在一起的長距離、低功耗的數據通信技術，具有星型組網方式，傳輸速率從幾百bps可達幾十Kbps，在保證信息傳輸的過程中功耗較低的前提下，大大提高了數據傳輸距離。圖1所示為采集節點框圖。

圖1 采集節點框圖

1.2 集中器設計

集中器是LoRa網絡中最重要的部分，它的作用是將LoRa網絡中采集到的數據上傳到服務器，是星型組網中的中心節點。集中器是由STM32F103C8T6單片機、LoRa模塊、WiFi模塊ESP8266和GPRS模塊等部分構成。數據傳輸通過LoRa模塊進行數據匯總，Wi-Fi或GPRS模塊與阿里云物理網平臺進行通信，在進行設計時選用2個2P撥碼開關，其中一個撥碼開關進行GPRS/Wi-Fi模式的選擇，另一個開關作為單片機程序的標志位，通過波動開關實現聯網方式的切換。圖2所示為集中器框圖。

圖2 集中器框圖

2 系統軟件設計

2.1 系統總體軟件設計

軟件設計的主要流程為信息采集節點將采集的環境信息通過LoRa無線通信技術將數據發送到數據傳輸節點，然后將數據上傳至阿里云物聯網平臺，同時可以將數據流轉到MySQL數據庫中，通過上位機端的Web信息管理系統對大棚內環境參數進行查看和管理。當用戶對棚內設備進行控制時，數據傳輸節點接收到上位機Web端發來的控制命令，然后將控制命令通過LoRa無線通信模塊傳輸至執行設備控制箱，從而對大棚內相應的設備進行控制。本系統軟件總體流程圖如圖3所示。

圖3 軟件總體流程圖

2.2 模糊PID控制

模糊PID控制利用一定的模糊規則，進行大棚溫濕度調控，實現大棚環境自動化調節。模糊PID通過設定溫濕度參數，采集當前的環境溫濕度，進行比較，產生的偏差和偏差變化率通過模糊化處理得出KP、KI、KD，建立模糊控制表，通過PID控制器對執行設備進行自動化控制去調節大棚內環境參數。圖4所示為PID調節流程圖。

圖4 模糊PID控制框圖

對于溫濕度環境的自動調節，主要是根據用戶設定的上限和下限值，當采集到當前的溫濕度大于上限值或者小于下限值時，通過模糊控制，執行設備自動進行溫濕度調節，使溫濕度控制在用戶設定的范圍內。圖5所示是溫度自動調控流程圖。

圖5 溫度自動調控流程圖

2.3 微信小程序

用微信開發者工具對微信小程序進行開發，它具有模擬器、調試工具和小程序操作區三大功能，能夠看到真實的頁面結構和對應的wxss屬性，并快速找到組件對應的wxml代碼。微信小程序具有跨平臺的優勢，只用在微信中打開微信小程序就可以自動連接服務器，進行數據流轉，對大棚環境參數進行監測和控制。圖6所示是微信小程序界面。

圖6 微信小程序界面

2.4 Web開發

本文設計的基于B/S架構的Web信息管理系統前端開發使用vue.js、ElementUI以及Echarts技術，后端開發使用SpringBoot和Mybatis-Plus框架，主要功能是獲取大棚內環境參數等信息，及時的在界面中展示出來，可以通過控制指令對大棚內設備進行控制。用戶在完成登錄后便可以對系統進行查看、管理以及控制。本系統設置數據每隔2min上傳一次。實時數據監測如圖7所示。

圖7 實時數據查看界面

3 LoRa模塊RSSI測試

RSSI可以表示LoRa無線通信模塊在信號接收時信號的強弱。在對RSSI進行測試時，可以使LoRa模塊進入信號強度模式下進行測試，RSSI的值越大，說明信號越穩定。信號強度主要受環境遮擋和通信距離影響，本次測試選取兩種場景進行測試，一種是遮擋較少的寬闊馬路，另一種是部分遮擋的地點，如圖8所示。

圖8 LoRa模塊功能測試地點

測試采用定向點對點傳輸的方式進行測試，將數據傳輸節點固定，按預定距離移動采集節點，LoRa模塊信道設置為0x17（信道23，433MHz），發射功率設置為20dBm，程序設定每10s采集節點向數據傳輸節點發送一次數據包進行測試。測試結果如表1所示。

表1 RSSI測試結果

從表1測試結果可以看出，在兩種場景下，信號強度會受距離和環境的影響，遮擋較少的場景信號強度優于有遮擋場景，測試結果與預期較為符合。

本文針對我國溫室大棚的發展現狀和智能化生產的需求，設計并實現了一套基于LoRa和模糊控制的大棚監控系統，主要包括信息采集節點、數據傳輸節點、執行設備控制節點以及遠程監控終端，用戶可以通過Web、微信小程序實現對棚內環境信息的查看與執行設備的控制。該系統集傳感采集、數據存儲、設備聯動于一體，可實現遠程監測和控制，同時具有遠距離智能化的控制方式和報警等功能，從而為農作物健康生長提供有利的條件。