基于LoRa網絡的Android智慧養殖場系統的設計

周金鑫 吳珂挺 劉 穎 宋新樂

（防災科技學院信息工程學院，河北 三河 065201）

1 引言

我國的貂、狐、貉等毛皮動物主要以大規模養殖場的形式進行養殖，極高的養殖密度給養殖帶來了疫病防控等安全隱患，同時還存在養殖設備老舊、養殖環境惡劣等問題[1]。隨著我國互聯網技術的不斷進步，與之相應的物聯網技術也逐漸被人們所重視，讓智慧養殖場成為未來發展的一種趨勢[2]。我們以低成本低能耗的Lora網絡結合Android軟件開發的基礎上，采用Java和SQL進行系統開發，設計出一套合理、高效的智慧養殖場系統。通過本系統能實現對養殖場的實時環境及數據監控，同時能夠通過手機移動端遠程控制，改善調節養殖環境，實現養殖人員對養殖場的智能化管理，從而達到改善養殖環境，提高養殖水平，增加養殖收入的目的。

2 系統結構設計

本系統軟件共分為LoRa組塊、Android前后端、高清網絡攝像頭及傳感器繼電器節點四部分。本系統以Android軟件及LoRa自組織網絡為中心。傳感器節點將采集的環境數據通過自組織網絡將信息傳遞至網關，進而可通過連接網關的手機APP實現環境數據的實時顯示。同時手機可通過LoRa自組織網絡發送指令控制養殖場內的繼電器等設備的開關。同時養殖場內設置高清網絡攝像頭，可連接至手機APP實現手機對養殖場的實時監控。本系統的系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構

2.1 LoRa網關的硬件設計

LoRa網關主要由MCU主控芯片、LoRa收發模塊及收發天線、WiFi模塊、ZigBee模塊、以太網控制器及RJ45通訊模塊五大部分構成，能實現連接LoRa節點，連接ZigBee網絡、WIFI的功能。結構圖如圖2所示。

圖2 LoRa網關硬件結構圖

MCU采用的是ATMEL ATSAMD20 e18a作為系統主控芯片，是基于ARM Cortex-M0+內核SAM D20微控制器，功能強大，主要用于執行程序、協議轉換以及協調各外圍功能模塊工作。

LoRa模塊由收發天線和收發模塊兩部分構成，LoRa收發模塊這里選用的是WH-L101，WH-L101是一個支持點對點通信協議（同時支持集中器通信協議，需要更換固件）的低頻半雙工LoRa模塊，工作的頻段為：398~525Mhz(默頻470Mhz)。使用串口進行數據收發，降低了無線應用的門檻，可實現一對一或者一對多的通信。LoRa具有功率密度集中、抗干擾能力強的優勢，模塊通訊距離可達3500m（空曠視距，天線增益3dBi，高度大于2m，0.268Kbps空中速率）。模塊可以工作在1.8~3.6V電壓下，休眠電流僅3uA，滿足電池供電需求，適合超低功耗的應用場合。模塊的尺寸26.65×18.22×2.60mm，采用SMT封裝，幾乎可以滿足所有用戶應用中的對空間尺寸的要求，例如M2M、數據傳輸系統等。通過SPI總線與主控芯片進行數據通訊。LoRa收發模塊有兩種角色中繼器和集中器，可以實現LoRa組網和LoRa網絡的擴展，實現遠距離通信。

網關在典型LoRa通訊模塊的基礎上添加了WiFi、Zig-Bee、RJ45有線網絡三種通訊模式。其中WiFi、ZigBee這兩種通訊方式使用TTL通訊方式與網關MCU進行連接，RJ45有線通訊方式通過DM9000以太網控制器與網關MCU進行連接，通過MCU配置相關運行參數。WiFi通訊方式可以用解決網關與手機等數碼設備的無線數據交換問題。ZigBee通訊方式解決網關與傳統ZigBee自組網傳感器的數據交換問題。RJ45有線網絡通訊方式解決網關與PC服務器的數據交換問題。實現不同終端側多種連接協議轉換，從而進行長距離數據傳輸。網關的實物圖如圖3所示。

圖3 網關實物圖

2.2 LoRa節點的硬件設計

LoRa節點主要包括MCU主控芯片、LoRa收發模塊及收發天線、傳感器、繼電器及外圍接口電路構成。如圖4所示。

圖4 LoRa節點硬件結構圖

MCU采用的是ATMEGA328，是高性能、低功耗AVR 8位微控制器，具有先進的RISC體系結構，高耐力非易失性內存段，內部校準的振蕩器外部和內部中斷源，有6個睡眠模式等特性，TQFP封裝，有32個引腳。LoRa收發模塊也采用WH-L101，與網關不同的是選用連接網關模式，節點支持多種功耗模式：運行模式、喚醒模式、低功耗接收模式和低功耗發送接收模式。其中低功耗接收模式和低功耗發送接收模式為低功耗模式，模塊上電后開始計時，若在空閑時間內串口和網絡端均無數據收發時模塊進入低功耗狀態，即休眠。休眠后也可以通過WAKE引腳下降沿中斷來喚醒模塊，喚醒后的模塊恢復運行模式，當空閑時間大于設定時間時模塊再次進入休眠狀態。傳感器選用了溫濕度傳感器、光照傳感器、液位傳感器、煙霧、CO2和PM2.5檢測傳感器等。

3 LoRa自組網設計

3.1 LoRa自組織網絡簡介

LoRa是一種低功耗廣域網通訊技術。LoRa具備長距離、低功耗、低成本、易于部署、標準化等特點，為使用用戶提供了一種簡單的實現遠距離通信的技術。

LoRa的技術關鍵點包括157 dB鏈路預算、距離＞15 km的遠距離優勢；最小的基礎設施成本、使用網關/集中器擴展系統容量的易于建設和部署的優勢；電池壽命>10年、接收電流10 mA，休眠電流<200 nA的延長電池壽命的優勢以及免牌照的頻段、基礎設施成本低、節點/終端成本低等優勢[3]。

3.2 LoRa部署架構

LoRa部署采用星型網絡架構[4]。星型架構與網狀網絡架構相比，具有低延遲、網絡結構簡單的特點。同時星型網絡架構便于安裝配置，同樣易于后期的管理維護。

本系統采用LoRa模塊的透明傳輸模式，在該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[5]。

4 Android軟件設計

4.1 Android軟件功能設計

智慧養殖場系統APP是基于Android Studio開發平臺，使用Java語言進行開發，充分發揮了Android Studio運行速度快、智能化、虛擬速度快和跨平臺優勢[6]。后端使用Java語言、基于Eclipse平臺進行開發。系統APP運行于手機或手機虛擬機，通過WiFi連接至LoRa網關。其主要功能框架如圖5所示。

圖5 功能框架

如圖5所示，系統主要分為用戶登錄功能，備忘提醒功能，知識學習功能，視頻監控功能以及智慧養殖功能。用戶登錄可進行賬戶登錄，賬戶注冊以及賬號密碼找回操作，從而完成賬戶登錄。備忘提醒功能可根據需要添加記錄事件并設置提醒時間，完成重要事件的記錄保存與定時提示。知識學習功能可以跳轉到養殖知識學習網址獲取養殖知識，同時可以進入百度貼吧進行養殖經驗交流與學習。視頻監控功能可通過高清網絡攝像頭對養殖場內場景進行實時監控，方便養殖場的管理以及提高養殖場財產的安全保障。

4.2 Android軟件技術要點

本系統主要采用LoRa無線自組織網絡進行數據傳輸，需要對LoRa節點和網關進行配置，通過AT指令配置模塊的工作模式、波特率、信道和設備地址等參數。同時將設備連接至Android設備上進行系統開發，從而實現智慧養殖功能連接至LoRa網關，可通過LoRa自組織網絡進行數據的實時采集，以及發送指令對環境進行控制；可獲取實時的養殖場溫濕度，養殖場內儲存水位以及煙霧狀態數據；同時可完成對養殖場內的多路電路控制。

4.3 關鍵代碼

在Android開發中采用handler類傳遞Message，用于接受子線程發送的數據，并用此數據配合主線程更新UI。以下

4.4 功能實現效果

本系統在Android Studio環境下進行編寫程序并編譯調試，生成APK文件，并運行在其中的Device Manger中，同時在物聯網虛擬仿真實驗平臺搭建仿真環境，進行仿真調試。軟件運行后進行相應功能的測試，系統各項功能運行正常。環境數據采集部分運行如圖6所示。

圖6 功能實現

5 結語

智慧養殖場系統APP實現了Android軟件開發及LoRa自組網之間的技術聯系。實現了養殖事件提醒備忘，知識學習，視頻監控以及手機端對養殖場環境的監控。既可通過手機發送指令獲取環境數據，控制改善養殖場環境，亦可開啟智慧養殖模式，實現養殖場管理的自動化及智能化。本系統可廣泛應用于各種大型的養殖場，各項功能充分滿足了養殖場內的養殖需求。

智慧養殖系統APP實現了養殖場的物聯網模式，實現了養殖的數字化、智能化、自動化。隨著技術的不斷完善與升級，該系統將能推廣應用于各類養殖場。