基于LORA的農(nóng)作物管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 "要：該文提出一種基于LORA組網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)作物管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。該系統(tǒng)利用多個(gè)LORA模塊進(jìn)行組網(wǎng)，并與STM32單片機(jī)、YL-69土壤濕度傳感器、光感檢測(cè)等傳感器共同搭建，對(duì)農(nóng)作物環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)把控農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)因子，并通過負(fù)反饋調(diào)節(jié)自動(dòng)校正異常環(huán)境因子，實(shí)時(shí)確保農(nóng)作物處于較為適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，從而提高產(chǎn)量，助力我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展。通過測(cè)試，該管理系統(tǒng)在空曠地帶、氣候正常的條件下，穩(wěn)定通信距離可以達(dá)到5 km，數(shù)據(jù)傳輸正常，且能夠完成該文設(shè)計(jì)的自動(dòng)校正行為，校正行為誤差率均低于0.26%。

關(guān)鍵詞：LORA組網(wǎng)；農(nóng)作物管理；環(huán)境因子；自動(dòng)校正；人機(jī)交互

中圖分類號(hào)：S126 " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號(hào)：2096-9902（2023）19-0017-06

Abstract： A design and implementation scheme of crop management system based on LORA networking technology is proposed. The system uses multiple LORA modules for networking， and is jointly built with STM32 single-chip microcomputer， YL-69 soil moisture sensor， light sensing detection and other sensors to collect and process data on the environmental status of crops， so as to accurately control the growth environment parameters of crops. Besides， the system automatically corrects abnormal environmental factors through negative feedback regulation and ensure that crops are in a more suitable growth environment in real time， thereby increasing production and helping the development of smart agriculture in China. Through the test， under the condition of open area and normal climate， the stable communication distance of the management system can reach 5 km， the data transmission is normal， and can complete the automatic correction behavior designed in this paper， and the correction behavior error rate is less than 0.26%.

Keywords： LORA networking; crop management; environmental factor; automatic correction; human-computer interaction

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，發(fā)展高效、高產(chǎn)、綠色的生態(tài)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)乾F(xiàn)代化農(nóng)業(yè)建設(shè)的目標(biāo)。然而，隨著耕地面積不斷減少、城鎮(zhèn)化的加速推進(jìn)、農(nóng)村人口的老齡化和勞作人口的流失等，使得我國(guó)的農(nóng)業(yè)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]。

在國(guó)外，一些發(fā)達(dá)國(guó)家的智慧化農(nóng)業(yè)種植早已發(fā)展多年，都有著較為成熟的技術(shù)、完善的體系，為農(nóng)業(yè)帶來了極大的變革。然而，我國(guó)絕大多數(shù)農(nóng)民的農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)方式依然還是下地耕種模式，智能化的農(nóng)業(yè)手段由于造價(jià)高昂、開銷過大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有得到普及。另外，加上對(duì)農(nóng)作物需要使用的大量的化肥和農(nóng)藥，對(duì)水體、土壤、大氣和生物的多樣性造成的影響也是巨大的。如果運(yùn)用智慧化的農(nóng)作物管理模式，將很大程度上幫助人們來監(jiān)管和處理這些因素。

目前，智慧化管理已經(jīng)成為了當(dāng)下農(nóng)業(yè)的發(fā)展主題，如果智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)的應(yīng)用能夠得到普及，這將會(huì)徹底改變幾億勞動(dòng)人民的耕作方式，促進(jìn)人民奔向更好的生活[2]。

智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)就是借助各種傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)農(nóng)田、大棚、溫室等農(nóng)業(yè)環(huán)境和植物生態(tài)進(jìn)行智能監(jiān)控，同時(shí)種植戶可以借助移動(dòng)終端進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)管，確保農(nóng)作物達(dá)到比較適宜的生長(zhǎng)環(huán)境[3-4]。本文提出的基于LORA的農(nóng)作物管理系統(tǒng)從根本上實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)作物環(huán)境因子的監(jiān)控并對(duì)異常因子做出修正、補(bǔ)償。打破了傳統(tǒng)的農(nóng)作物種植方式，實(shí)現(xiàn)了低成本、智能化、信息化的農(nóng)業(yè)管理模式。

1 "總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用STM32F103系列處理器作為MCU控制系統(tǒng)，并搭配各種傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田、大棚、溫室等農(nóng)業(yè)環(huán)境和植物生態(tài)的智能監(jiān)控，并通過對(duì)軟件、硬件進(jìn)行模塊管理化的設(shè)計(jì)來提升系統(tǒng)的裁剪性、可替換性[5]，實(shí)現(xiàn)定制性、針對(duì)性需求。

1.1 "總體方案描述

農(nóng)作物管理系統(tǒng)的主機(jī)、從機(jī)系統(tǒng)主要包括蜂鳴器模塊、按鍵模塊、LED指示燈模塊、LORA無線傳輸模塊、串口屏模塊和供電電池等。上述模塊構(gòu)成的主機(jī)系統(tǒng)主要是提供數(shù)據(jù)接收、顯示界面、人機(jī)交互的平臺(tái)，而從機(jī)系統(tǒng)則是負(fù)責(zé)對(duì)當(dāng)前環(huán)境因子進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，上報(bào)給主機(jī)系統(tǒng)。

1.2 "各模塊電路的選擇

1.2.1 "空氣溫濕度傳感器的選擇

采用DHT11溫濕度傳感器，其內(nèi)部集成了數(shù)字傳感器采集芯片，可以檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境的溫度、濕度（量程為濕度20～90 %RH、溫度0～50 ℃；分辨率為濕度1 %RH、 溫度1 ℃）[6-7]。且傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，滿足本設(shè)計(jì)需求，故采用DHT11溫濕度傳感器。

1.2.2 "土壤濕度傳感器的選擇

采用YL-69土壤濕度傳感器。其有2種采集模式，一種是數(shù)字量輸出，通過比較器檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)濕度大于電位器預(yù)先設(shè)置的濕度閥值時(shí)，傳感器DO引腳輸出0（默認(rèn)為1）；另一種是電壓模擬量輸出，可以實(shí)時(shí)輸出當(dāng)前的濕度值，范圍精確。因此我們選擇最后一種。

1.2.3 "光照采集傳感器的選擇

采用光敏電阻來采集光照強(qiáng)度。光敏電阻的工作原理就是其阻值和光照強(qiáng)度呈現(xiàn)比例關(guān)系，光照越強(qiáng)，阻值越小。通過搭建一個(gè)分壓電路，與單片機(jī)高達(dá)12位精度的ADC引腳進(jìn)行連接，可以對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行采集。

1.2.4 "顯示系統(tǒng)方案的選擇

采用HMI串口屏（型號(hào)為TJC4827K0423）進(jìn)行人機(jī)交互界面系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。HMI串口屏具有控件豐富、顯示清晰、存儲(chǔ)flash空間大、壽命長(zhǎng)和響應(yīng)速度快等特點(diǎn)[8-10]，應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，因此選用TJC4827K0423串口屏進(jìn)行開發(fā)。

1.2.5 "數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的選擇

采用ISM頻段的LORA模塊。該模塊采用射頻SX1278擴(kuò)頻芯片，工作頻率為410～441 MHz，功耗低，傳輸距離在空曠地帶高達(dá)5 km，支持廣播和定向傳輸2種模式，可以實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)功能[11]。因此采用該模塊來實(shí)現(xiàn)主機(jī)系統(tǒng)和從機(jī)系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)通信。

1.2.6 "轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)方案的選擇

采用MG995舵機(jī)模塊。該模塊旋轉(zhuǎn)角度范圍為360°，角度選擇由單片機(jī)PWM占空比進(jìn)行線性控制，力矩可以達(dá)到13 kg/cm[12-14]，滿足設(shè)計(jì)需求，故采用MG995舵機(jī)。

1.2.7 "控制系統(tǒng)方案的選擇

采用16位的STM32F103C8T6單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制單元。該芯片具有3個(gè)USART，2個(gè)12位精度的A/D轉(zhuǎn)換器，時(shí)鐘頻率高達(dá)72 MHz等，內(nèi)部資源豐富，且高性能、穩(wěn)定性強(qiáng)、低功耗[15]。使用該處理器可以非常高效、穩(wěn)定地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、PWM信號(hào)輸出和ADC采集等任務(wù)。

1.2.8 "系統(tǒng)總體方案的確定

綜上所述，系統(tǒng)的總方案確定如下：系統(tǒng)采用單片機(jī)STM32F103C8T6、DHT11溫濕度傳感器、光敏電阻、YL-69土壤濕度傳感器、TJC4827K0423串口屏、LORA模塊和MG995舵機(jī)模塊作為主要核心器件。

2 "硬件電路設(shè)計(jì)與分析

2.1 "硬件系統(tǒng)組成

由上述分析可知，硬件系統(tǒng)主要由單片機(jī)STM32F103C8T6、DHT11溫濕度傳感器、光敏電阻、YL-69土壤濕度傳感器和LORA模塊等組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

主機(jī)、從機(jī)系統(tǒng)的硬件電路板設(shè)計(jì)均采用雙層布線打板工藝，利用Altium Designner 18軟件進(jìn)行電路繪制，經(jīng)過系統(tǒng)模塊化布局，加入豐富的外設(shè)接口，增加了系統(tǒng)上的穩(wěn)定性、可靠性，功能上的可裁剪性、豐富性。

2.2 "主要模塊電路設(shè)計(jì)與分析

2.2.1 "采集系統(tǒng)電路

系統(tǒng)采用DHT11溫濕度傳感器、光敏電阻和YL-69土壤濕度傳感器進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)的采集。DHT11溫濕度傳感器通過數(shù)字信號(hào)引腳將采集到的溫度、濕度以20個(gè)Bit的數(shù)字量形式傳輸給單片機(jī)；光敏電阻通過分壓電路的搭建，將分壓端接在單片機(jī)ADC功能引腳上進(jìn)行數(shù)字電壓采集；YL-69土壤濕度傳感器也是與單片機(jī)的ADC引腳連接，采集土壤濕度量。

2.2.2 "顯示系統(tǒng)電路

TJC4827K0423串口屏利用通用異步收發(fā)器（UART）和單片機(jī)進(jìn)行通信。作為人機(jī)交互系統(tǒng)，在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示溫度、濕度等數(shù)據(jù)，并可以手動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)警閥值的調(diào)節(jié)，可以針對(duì)不同的地域環(huán)境做出最快的調(diào)整。

2.2.3 "通信系統(tǒng)電路

通信系統(tǒng)采用LORA模塊，是一款無線串口通信模塊，與主機(jī)、從機(jī)系統(tǒng)之間均使用串口通信協(xié)議來進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)主機(jī)系統(tǒng)和從機(jī)系統(tǒng)之間的信息交互，示意圖如圖2所示。

3 "系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)與工作流程

3.1 "系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

主機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收從機(jī)系統(tǒng)采集到的環(huán)境因子數(shù)據(jù)，并通過判斷處理識(shí)別出異常的環(huán)境因子，針對(duì)異常的環(huán)境因子向從機(jī)系統(tǒng)發(fā)送指令進(jìn)行校正，從機(jī)系統(tǒng)接收到指令后會(huì)執(zhí)行對(duì)應(yīng)的舉措，如灌溉、通風(fēng)等。如圖3所示，整個(gè)交互形成一個(gè)閉環(huán)的反饋調(diào)節(jié)方式，使得環(huán)境因子能一直保持在動(dòng)態(tài)平衡之中。

3.2 "數(shù)據(jù)濾波子程序設(shè)計(jì)

由于環(huán)境因子復(fù)雜多變，以及傳感器的采集精度等因素，會(huì)存在一定的異常數(shù)據(jù)干擾。為了避免這一干擾，采用了連續(xù)取值并進(jìn)行求平均值的方法來確保采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。原理是連續(xù)采樣N次數(shù)據(jù)，去掉最大值和最小值，對(duì)剩下的N-2個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行求和取平均值，將該平均值作為最后判斷的參數(shù)。程序的設(shè)計(jì)就是定義一個(gè)能夠存放大小為N的數(shù)組，N通常選擇10，將每次采集的數(shù)據(jù)依次存放進(jìn)去，當(dāng)采集10次時(shí)，去掉最大、最小值，對(duì)該數(shù)組剩余元素進(jìn)行求和、取均值。

3.3 "HMI系統(tǒng)通信程序設(shè)計(jì)

HMI串口屏和單片機(jī)是通過通用同步/異步串行接發(fā)/發(fā)送器（USART）協(xié)議進(jìn)行通信。在這個(gè)通信過程中，為了防止單片機(jī)誤接收數(shù)據(jù)或者干擾信號(hào)，這里為單片機(jī)和HMI屏的信息交互添加了一個(gè)數(shù)據(jù)包幀協(xié)議，來增加數(shù)據(jù)的安全性、準(zhǔn)確性。另外采用數(shù)據(jù)幀的格式來通信可以讓數(shù)據(jù)的傳輸、讀取更加高效、便利。一幀完整數(shù)據(jù)包由5個(gè)Byte組成，每個(gè)字節(jié)各代表一個(gè)功能，幀協(xié)議見表1。

HMI串口屏通過搭配上位機(jī)軟件可以進(jìn)行圖形用戶面（GUI）設(shè)計(jì)開發(fā)。利用特定的語言指令加上靈活的控件選擇，可以根據(jù)需求設(shè)計(jì)特定功能的GUI人機(jī)交互顯示界面。這里針對(duì)2種情況進(jìn)行圖片截取，圖4為主菜單顯示界面，這里開發(fā)設(shè)計(jì)了諸多應(yīng)用“軟件”，其中包括設(shè)置、文件夾、監(jiān)控等功能，每個(gè)應(yīng)用均實(shí)現(xiàn)特定設(shè)計(jì)的功能。圖5為應(yīng)用“設(shè)置”的功能顯示界面，包含狀態(tài)參數(shù)（用來調(diào)節(jié)溫度、濕度等參數(shù)的閥值）、亮度調(diào)節(jié)等功能。

3.4 "LORA組網(wǎng)通信模型設(shè)計(jì)

LORA有3種傳輸模式，分別為透明傳輸、定向傳輸及廣播模式。其中透明傳輸是針對(duì)設(shè)置地址、通信信道、無線速率相同的設(shè)備之間的通信，任意一個(gè)模塊發(fā)送，其他的模塊都可以接收，其傳輸模型如圖6所示。定向傳輸模式下，模塊發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)可修改地址和信道，用戶可以指定數(shù)據(jù)發(fā)送到任意地址和信道，實(shí)現(xiàn)模塊之間的跨越式數(shù)據(jù)傳遞，可以實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)和中繼功能，其中的中繼功能能夠有效地避免主機(jī)和從機(jī)系統(tǒng)之間由于距離過遠(yuǎn)導(dǎo)致的無法通信現(xiàn)象。通過對(duì)比上面2種傳輸模式，定向傳輸有著適用性強(qiáng)、覆蓋性廣的優(yōu)勢(shì)，因此選擇定向傳輸模式來作為L(zhǎng)ORA組網(wǎng)的程序設(shè)計(jì)模型，其傳輸模型圖如圖7所示。

3.5 "理論分析及測(cè)試結(jié)果

3.5.1 "環(huán)境因子校正算法

本系統(tǒng)設(shè)置了2種控制算法用來實(shí)現(xiàn)環(huán)境因子的校正，一種控制算法是主機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部程序自動(dòng)控制，另一種控制算法是人為通過HMI串口屏交互界面進(jìn)行選擇控制。如圖8所示。

3.5.2 "測(cè)試結(jié)果及分析

1）改變主機(jī)和從機(jī)的通信距離，測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。在空曠地帶，初步選擇通信距離為1 km，環(huán)境實(shí)際數(shù)據(jù)為相同設(shè)備采集。測(cè)試結(jié)果見表2。

2）當(dāng)通信距離為5 km時(shí)，測(cè)試結(jié)果見表3。

3）當(dāng)測(cè)試距離達(dá)到5 km以上時(shí)，信號(hào)開始出現(xiàn)中斷現(xiàn)象，傳輸數(shù)據(jù)出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，主機(jī)系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)開始出現(xiàn)亂碼，結(jié)束距離延伸測(cè)試。

4）當(dāng)通信距離為1 km、5 km時(shí)，測(cè)試主機(jī)對(duì)從機(jī)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行指令控制及響應(yīng)。這里設(shè)置環(huán)境因子閥值如下：溫度為26 °C；濕度為30 %RH；光照強(qiáng)度為30 LX。

檢測(cè)原理：當(dāng)采集數(shù)據(jù)溫度小于閥值溫度，濕度小于閥值濕度，光照強(qiáng)度大于閥值光照強(qiáng)度時(shí)，代表環(huán)境因子異常，主機(jī)會(huì)向從機(jī)發(fā)送環(huán)境因子校正指令。從機(jī)收到指令后，進(jìn)行相應(yīng)模塊的驅(qū)動(dòng)工作，使從機(jī)周圍的環(huán)境狀態(tài)到達(dá)閥值之下，達(dá)到恢復(fù)農(nóng)作物正常生長(zhǎng)環(huán)境的效果。測(cè)試結(jié)果見表4。

本文對(duì)于校正的結(jié)果情況均進(jìn)行了10次測(cè)試分析。因?yàn)樵? km距離內(nèi)，通信情況都是穩(wěn)定的，故這里選取在通信距離為1 km的情況下進(jìn)行測(cè)試，且當(dāng)前的環(huán)境參數(shù)：溫度為23.8 °C；濕度為52.2 %RH；光照強(qiáng)度為45 LX。

從機(jī)系統(tǒng)的校正測(cè)試結(jié)果見表5。由于處于校正期間，數(shù)據(jù)會(huì)處于一個(gè)上下波動(dòng)的范圍，因此該測(cè)試結(jié)果為參數(shù)穩(wěn)定狀態(tài)下的數(shù)據(jù)。

為了更直觀地看到數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，需要對(duì)其進(jìn)行可視化處理，將環(huán)境因子校正后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成折線圖，如圖9所示。可以發(fā)現(xiàn)，連續(xù)數(shù)據(jù)之間坡度變化率很小，數(shù)據(jù)校正的穩(wěn)定性均處于一個(gè)較為平穩(wěn)的狀態(tài)。

但是這樣做，并沒有辦法對(duì)誤差率進(jìn)行評(píng)估，因此，針對(duì)上面10組采樣數(shù)據(jù)求取樣本方差值、平均值和誤差率，其中樣本方差公式為

S2=（xi-）2 。

針對(duì)樣本數(shù)據(jù)處理的結(jié)果見表6。

由以上測(cè)量結(jié)果分析可知，系統(tǒng)的通信距離在5 km內(nèi)的空曠地帶能夠穩(wěn)定地傳輸數(shù)據(jù)。另外，根據(jù)從機(jī)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)智能化校正異常環(huán)境因子的舉措測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，在10次的測(cè)試樣本數(shù)據(jù)中，溫度、濕度、光照強(qiáng)度的誤差率均低于0.26%，且樣本數(shù)據(jù)的方差分別為0.029 3、0.067 7、0.015 1，均小于0.07，離散程度非常低，可見數(shù)據(jù)的總體波動(dòng)很小。就目前的測(cè)試數(shù)據(jù)來講，該系統(tǒng)在針對(duì)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控和校正方面是有著較高的準(zhǔn)確性及執(zhí)行性的。但是不排除傳感器精度的原因、程序算法的不完善性、天氣狀態(tài)的不穩(wěn)定性及采樣數(shù)據(jù)過少等因素給實(shí)驗(yàn)測(cè)試帶來誤差影響。

4 "結(jié)論

本文提出了一種基于LORA的農(nóng)作物管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，從機(jī)系統(tǒng)搭載了各種傳感器來采集農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境因子數(shù)據(jù)，主機(jī)端來對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和判斷，且經(jīng)過大量測(cè)試，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的針對(duì)異常環(huán)境因子進(jìn)行智能化、精準(zhǔn)化的校準(zhǔn)能力。其系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是人力需求小、通信功耗低、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定和可自動(dòng)化校準(zhǔn)，但由于受到器件精確性（如DHT11溫濕度傳感器）的影響，使得采集的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)與實(shí)際環(huán)境參數(shù)的值之間存在一定的誤差。

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