基于LoRa的雞舍環境物聯網監測系統研究

尹晶晶，付紫平

（1.安徽國防科技職業學院電氣技術學院，安徽 六安 237011；2.中國計量大學機電工程學院，浙江 杭州 310020）

0 引言

近年來，我國肉雞和蛋雞養殖規模不斷擴大。截至2021年初，我國肉雞年出欄量超過100億只，高居世界第一位［1］。我國蛋雞養殖發展更為迅速，早在1985年我國禽蛋產量就超越美國，成為全球第一大雞蛋生產國及消費國。規模化養殖的一大特點是密度大，尤其是在大型密閉雞舍內。與舍外空氣環境相比，雞舍內的空氣溫度、相對濕度等環境參數具有很大的波動性，而且雞舍內會產生大量氨氣、硫化氫等有害氣體。若不能實時準確監測舍內環境參數并進行合理調控，則無法為肉雞或蛋雞提供適宜的生長環境。經常處于不適宜的生長環境中，雞極容易發病。若一旦發病，則又易導致大面積傳染，從而給養殖戶帶來嚴重損失。因此，提高肉雞和蛋雞養殖環境監測的自動化程度，實時準確地監測雞舍內主要環境參數對于確保安全養殖具有重要意義。

早期，趙娟等［2］對雞舍內有害氣體的監測進行了深入研究，構建了基于485通信方式的雞舍環境監測系統，能夠實時監測雞舍內的CO2濃度、NH3濃度以及H2S的濃度等。因受有線傳輸的限制，上述監測系統的通信距離不長且硬件成本很高。同時，整個系統的拓展性能差，無法在低成本的前提下構建大型的通信網絡。隨著ZigBee無線通信技術的快速發展，許多科技工作者［3-7］研究了基于ZigBee的雞舍環境無線監測系統。此外，欽盼琛等［8］設計了基于威發（wireless fidelity，WiFi）無線通信的雞舍環境傳感器節點，并把數據上傳至OneNET云平臺，實現了數據的遠程傳輸與查看。ZigBee、WiFi等無線通信技術都存在無線通信距離不足的問題。為了解決無線通信距離有限的問題，李文鳳等［9］提出基于窄帶物聯網技術設計肉雞養殖環境監測系統，以便用戶遠程控制和管理雞舍環境；高宏宇等［10］則采用窄帶物聯網（NB-IoT）技術設計了雞舍環境遠程監控系統，通過云平臺完成了對數據的處理，實現了實時數據顯示、數據查詢、報表制作、報警等功能。

縱觀目前雞舍環境無線監測系統的相關研究，多采用ZigBee技術。然而，ZigBee技術的通信距離十分有限，無法滿足大型雞舍環境監測的無線通信距離要求。窄帶物聯網技術采用基于3大運營商的蜂窩網絡，以室內覆蓋、低成本、低功耗和廣連接為特點，但是很多偏遠農村的農場或者養殖場并沒有覆蓋蜂窩網絡，無法使用窄帶物聯網通信。與Zig-Bee和NB-IoT技術相比，LoRa無線通信技術具有遠距離、低功耗、低成本、無需基站等優點。LoRa在空曠地帶的通信距離可達10公里，完全可以滿足大型雞舍環境監測的無線通信距離要求。為此，本文研究并設計了基于LoRa的雞舍環境物聯網監測系統。

1 基于LoRa的雞舍環境物聯網監測系統架構

基于LoRa的雞舍環境物聯網監測系統的架構包括3個層次，即感知層、信息傳輸與存儲層、應用層，整體架構如圖1所示。在感知層布設若干環境傳感器節點，每個節點可以實時感知周圍環境中的空氣溫度、相對濕度、光照度、CO2濃度、NH3濃度、H2S濃度等重要參數的數值及其變化情況，并通過自身攜帶的LoRa無線通信模塊把相關環境數據發送至網關節點。一方面，網關節點可以把數據傳輸給本地終端，用于雞舍現場數據的實時顯示與監測；另一方面，網關節點通過LoRa通信模塊接收到相關數據，然后通過WiFi、NB-IoT等無線通信技術把數據發送至因特網、4G/5G網絡、NB-IoT基站等，這些均在信息傳輸與存儲層中實現。同時，在該層還會實現基于OneNET等云平臺的數據存儲等功能。在應用層，用戶通過手機、iPad和電腦等遠程訪問云端，隨時隨地實現相關環境監測信息的查閱。

圖1 基于LoRa的雞舍環境物聯網監測系統架構

2 系統硬件設計

在上述系統架構中，應用層、信息傳輸與存儲層中的設備均為現成設備，無需自行設計。而感知層中的傳感器節點和網關節點是需要開發者自行設計的。因此，本系統的開發重點在于傳感器節點和網關節點。對于傳感器節點來說，其硬件電路主要包括相關環境參數的傳感器、微控制器和LoRa模塊。傳感器節點的硬件電路結構如圖2所示。相對來說，網關節點的硬件電路比較簡單，主要包括微控制器、LoRa模塊和WiFi模塊，而不需要任何環境參數傳感器。網關節點通過LoRa模塊接收傳感器節點發送來的數據，然后通過WiFi模塊將數據上傳至網絡和云端。

圖2 傳感器節點的硬件電路結構

在本研究中，考慮了雞舍中的空氣溫度、相對濕度、光照度和NH3濃度這4個主要的環境參數。針對每個環境參數，均有不同類型的傳感器元件可以選擇。然而，至于選擇哪種器件，則首先應當考慮雞舍環境監測的國家標準、地方標準或行業標準，以便檢測范圍、監測精度等重要指標滿足實際工程應用要求。以天津市地方標準《肉雞養殖環境信息采集規范》（DB12/T 752—2017）［11］中所規定的環境監測技術指標為例，來選擇相應的傳感器件，相關指標如表1所示。

表1 雞舍環境監測主要指標

首先，在養殖的過程中，溫度和濕度是否合適，對于雞能否健康生長起決定性作用。溫濕度傳感器的種類眾多。選擇了SHT30型號的溫濕度傳感器，其溫度測量范圍為-40～125 °C，測量精度為±0.3 ℃，相對濕度測量范圍為0~100%，測量精度為±2.0%RH，足以滿足一般雞舍環境溫濕度監測要求。另外，該傳感器功耗低至4.8 μW，采用I2C（inter-integrated circuit）通信方式，方便與單片機相連接。該傳感器廣泛應用于氣象、環保、農業、林業、水利、糧倉等領域的環境溫濕度監測。

關于光照度傳感器的選擇，數字傳感器比光敏電阻等使用方便得多。選擇了B-LUX-V30B型號光照度傳感器，其測量范圍為0~200 klx的，測量精度不超過測量值的5%，滿足標準中所給出的指標要求。該傳感器的功耗低至2.31 mW，且采用I2C通信方式，方便與單片機相連接。

作為雞舍內主要有害氣體，NH3不僅對肉雞的各器官產生損害，嚴重影響肉雞的產量與質量，同時也會損害肉雞飼養員的身體，不利于飼養員在雞舍內長時間勞作。選擇了JXM-NH3型號的氨氣傳感器。該傳感器的測量范圍為0~0.01%（默認），可以選擇為0~0.1%，工作電壓為5 V，功耗不超過200 mW，明顯低于MQ系列的氨氣傳感器。該傳感器采用串口通信方式，方便與單片機相連接。

經過對比現有LoRa模塊類型，最終選用Ithinker公司的Ra01模塊，其射頻芯片SX1278具有超長距離的擴頻通信能力和強大的抗干擾能力。射頻芯片SX1278具有相當可觀的傳輸距離以及較為可靠的設備穩定性，非常適合雞舍環境無線監測系統。關于微控制器，選擇了STM32型號的單片機。為了方便開發，選擇了深圳億研電子有限公司開發的LoRa開發板，上面集成了LoRa模塊接口、WiFi模塊接口和STM32單片機。在該開發板上，預留了單片機的許多I/O管腳，方便連接相關傳感器、LoRa模塊和WiFi模塊等。各傳感器元件與STM32單片機的管腳連接如表2所示。

表2 各傳感器元件與STM32單片機的I/O管腳連接

由于傳感器節點不需要WiFi模塊，而網關節點需要通過WiFi連接網絡以便把數據上傳至云平臺。因此，網關節點的硬件組成為STM32單片機開發板和WiFi模塊組成ESP8266組成。為了方便在本地觀測環境監測數據，在網關節點上增加了一塊TFT液晶顯示屏。

為保護傳感器節點的電路不受灰塵等的影響以及增加其堅固性，為傳感器節點設計了長方體形狀外殼。在傳感器節點外殼的頂部開設了一個圓孔，用于固定光照度傳感器。在傳感器節點外殼的底部開設了2個孔，使得溫濕度傳感器和氨氣傳感器伸出到外殼外面。為了減少光照和灰塵對溫濕度傳感器、NH3傳感器的影響，增加了防輻射罩，并把2種傳感器放在防輻射罩中。為了設計方便，網關節點也采用了同樣尺寸的外殼設計。網關節點沒有傳感器元件，但有TFT顯示屏，所以在其外殼一個側面開設了一個方形孔，方便觀測所監測到的環境參數信息。傳感器節點和網關節點的最終實物如圖3所示。

圖3 傳感器節點和網關節點的實物

3 系統軟件開發

在Keil5開發環境中完成了傳感器節點和網關節點的程序。從總體上看，傳感器節點的主要任務是依次從3個傳感器中讀取4種環境參數的測量數據，然后通過LoRa模塊以無線通信方式發送出去。傳感器節點的主程序流程如圖4所示。

圖4 傳感器節點主程序流程

在系統初始化部分，主要完成MCU初始化、傳感器元件初始化等。LoRa初始化則是完成LoRa通信的相關設置。在本系統中，設置LoRa模塊工作于450 MHz頻段，功率設置為20 dB，帶寬為500 kHz，擴頻因子設置為128，前導碼長度為10個字節，打開循環冗余校驗（cyclic redundancy check，CRC）校驗，設置為連續接收模式等。傳感器節點的LoRa通信設置和網關節點上的LoRa通信設置必須完全一致，才能保證兩者之間的正確通信。

STM32單片機實現對溫濕度數據的讀取流程主要參考SHT30傳感器的時序。首先，STM32單片機發送命令，清零SHT30傳感器的狀態寄存器，然后向SHT30傳感器發送起始信號。短暫延時后，發送SHT30傳感器的地址。當STM32單片機接收到SHT30傳感器的應答信號之后，開始接收由SHT30傳感器發送來的溫濕度數據。當接收完畢后，STM32單片機向SHT30傳感器做出應答。最后，根據SHT30傳感器說明書中所給出的溫濕度校正公式，可以計算出所測量到的溫濕度數值。光照度傳感器、氨氣傳感器的數據讀取流程和溫濕度傳感器相似。由于它們均為數字傳感器，且有校正公式，因此最后根據相應公式對數據進行轉換即可。

以上為傳感器節點的軟件開發，而網關節點的軟件開發則有所不同。網關節點通過LoRa模塊接收到傳感器節點發送來的監測數據，然后通過WiFi模塊把數據上傳至云端。本文使用的WiFi模塊型號為ESP8266，該模塊通過串口將獲取的數據以及當前設備的狀態，主動上報給STM32單片機，同時也通過串口接收STM32單片機發送的指令。網關節點接收所有節點的環境信息后，將各相關信息重新打包，并通過WiFi模塊接入WiFi路由器，再由路由器接入互聯網。網關節點采用MQTT協議將post報文上發至云端代理服務器。網關節點的主程序流程如圖5所示。

圖5 網關節點的程序流程

除了完成系統初始化和LoRa初始化外，網關節點還需要完成WiFi模塊的初始化。WiFi模塊通過串口實現與STM32單片機的通信，接收單片機發送來的命令，以及將獲取的數據以及當前設備的狀態上報給單片機。WiFi初始化主要是將其配置為AUTO-CONFIG模式，以更加靈活迅速地接入路由器，減少繁瑣的SSID以及PASSWORD配置過程，提高聯網效率。當網關節點連接WiFi路由成功之后，則由其LoRa模塊接收傳感器節點發送來的環境監測數據，然后通過WiFi模塊將其發送至路由器，以及完成到云端的數據傳輸。為了方便在本地觀看相關環境參數信息，網關節點同時也將數據顯示在本地的TFT液晶屏幕上。

4 測試實驗結果及分析

設計了2個傳感器節點和一個網關節點。傳感器節點實時監測周圍環境參數信息，并發送至網關節點。網關節點聯網正常后，通過ESP8266模塊將接收到的環境監測數據通過post報文發送至OneNET設備云平臺。用戶需要通過電腦登錄設備云平臺網頁或通過手機App登錄設備云，選中對應設備，以查看設備在線狀態以及數據流。為了更直觀地顯示測量效果，在傳感器節點上增加了TFT液晶顯示屏。傳感器節點測試數據顯示如圖6（a）所示，無線發送至網關節點的數據顯示如圖6（b）所示。網關節點把數據發送至云端。用戶可以通過電腦和手機訪問云端數據。

圖6 本地數據顯示

本文所設計的雞舍環境無線監測系統的一個重要指標就是局域網的傳輸距離。擁有足夠遠的傳輸距離才能確保雞舍環境監測數據的遠程傳輸。因此，測試了不同相距距離下網關節點接收到的傳感器節點RSSI（received signal strength indicator）值。測試結果如表3所示。

表3 不同距離下傳感器節點的RSSI值

由表3可知，隨著傳感器節點與基站節點之間的距離不斷增加，基站所接收的LoRa信號也不斷衰減。在800 m的距離內，RSSI值呈指數性質的下降。為了減少數據的丟包率，在配置LoRa的初始設置時打開了CRC的檢驗開關。在發送和接收數據時，對每一幀進行CRC校驗，如果接收方判定數據失敗，則發送方返回否定確認信號（negative acknowledgement，NACK），發送方返回。因此，即使LoRa信號較弱時，數據可靠性也能夠顯著提升。當相距800 m時，仍然能夠實現數據的穩定無線傳輸。另外，適當提高LoRa模塊的發射功率以及選擇性能更好的外置天線，則可以進一步解決信號衰減問題。通過上述距離測試實驗，可知本文所設計的傳感器節點完全能夠滿足大型雞舍養殖環境監測需求。

5 結束語

本文基于LoRa無線通信技術開發了面向雞舍環境的物聯網監測系統。根據所描述的系統架構，重點設計了感知層中的傳感器節點和網關節點的軟硬件，實現了環境溫濕度、光照度和NH3濃度的實時監測與無線遠程傳輸。感知層中的傳感器節點具有足夠遠的無線通信距離，能夠完全滿足大型雞舍環境監測要求。針對不同畜禽養殖環境，只要更換合適的傳感器，均可實現不同環境參數的遠程無線監測功能，為農業畜禽養殖環境監測提供了一套有效實施方案。