吳江雪

摘? 要：現(xiàn)階段，我國農(nóng)業(yè)智能化普遍采用ZigBee技術，但ZigBee由于通信頻率較高、容易受到外界信號的干擾、傳輸距離短、網(wǎng)絡結構復雜，無法保證傳輸?shù)耐暾浴蚀_性、實用性和便捷性。針對ZigBee技術的短板，基于LoRa技術以及LoRa開放協(xié)議的智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設計成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者的理想選擇。文章以LoRa技術作為支撐，設計了集低耗、高效、綠色于一體的智能化農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

關鍵詞：LoRa技術;智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng);系統(tǒng)設計;系統(tǒng)實現(xiàn)

中圖分類號：TP274 ? ? ? 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）07-0098-02

Abstract： Agriculture is an important part of our social economy and an important industry to support the national economy. In the context of information globalization， information network technology is gradually mature， and the development of agriculture also needs to keep pace with the times. At present， ZigBee technology is widely used in China's agricultural intelligence， but ZigBee cannot guarantee the integrity， accuracy， practicability and convenience of transmission due to its high communication frequency， easy to be interfered by external signals， short transmission distance and complex network structure. Aiming at the short board of ZigBee technology， the design of intelligent agricultural system based on LoRa technology and LoRa open protocol has become an ideal choice for agricultural producers. Based on Lora technology， an intelligent agricultural Internet of things system with low consumption， high efficiency and green is designed in this paper.

Keywords： Lora technology; intelligent agricultural system; system design; system implementation

隨著社會與經(jīng)濟的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的興起將農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)推向了新的高度。為了完成物聯(lián)網(wǎng)的全球部署，農(nóng)民及牧場主亟需一種低功耗、低成本、高頻率的傳感器。LoRa作為超遠距離傳輸技術，其優(yōu)勢有以下三個方面：首先，LoRa功耗極低，可滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的最基本需求。第二，LoRa具有接收靈敏度高的特點，能夠滿足無線連接準確性的需求。第三，LoRa具有超遠的通信距離，能夠有效降低信息干擾。如何利用LoRa技術的優(yōu)點，將多元化LoRa網(wǎng)絡與智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)相結合是本文研究的重點。

1 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)總體設計如圖1所示。本文所設計的LoRa智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)主要包括以下五個方面，分別是：農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)、綠態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)、用戶訪問平臺、數(shù)據(jù)管理云平臺、LoRa基站以及終端節(jié)點。其中農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)具有智能學習、生產(chǎn)模擬、制定生產(chǎn)策略、技術指導等功能。綠態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能夠根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控數(shù)據(jù)，精細化管理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的農(nóng)藥用量、飼料添加量等。用戶訪問平臺主要指PC端或手機客戶端，用以視頻監(jiān)控農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況或接受反饋信息。數(shù)據(jù)管理云平臺負責對整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行處理，包括儲存、上傳和反饋。LoRa基站是系統(tǒng)中必不可少的中繼站，用以連接數(shù)據(jù)管理云平臺和終端節(jié)點，保證數(shù)據(jù)交互。終端節(jié)點包括采集節(jié)點和控制節(jié)點。

本文對LoRa智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的設計原則為雙向、可視可控、綠色以及智能。在自下而上的傳輸過程中，采集節(jié)點收集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的相關數(shù)據(jù)，通過LoRa自組網(wǎng)傳輸給LoRa基站，再經(jīng)過WiFi/3G/4G互聯(lián)網(wǎng)絡發(fā)送給數(shù)據(jù)管理云平臺，該系統(tǒng)的優(yōu)點不僅體現(xiàn)在LoRa技術的低耗性、高效性和抗干擾性，還實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精細化管理，能夠有效降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成本和對環(huán)境的破壞。

2 系統(tǒng)平臺設計

2.1 系統(tǒng)硬件設計

2.1.1 網(wǎng)關硬件設計

LoRa網(wǎng)關可以通過傳感器，在LoRa技術與網(wǎng)關組成的傳感網(wǎng)絡中收集數(shù)據(jù)，也可以通過RS-485芯片采集數(shù)據(jù)。與其他芯片相比，它是一個真正意義上的單芯片RS485 集成芯片，可大大減少PCD板面積，在RS485輸入/輸出引腳提供±15kV ESD保護?？偩€最多支持與256個節(jié)點連接，具有開路和短路故障保護接收器輸入、高共模瞬變抗擾、熱關斷保護等功能。

2.1.2 LoRa基站硬件設計

對LoRa基站而言，低功耗是在其能夠滿足自身復雜計算需求的前提而言。ARM STM32F103VET6是一款32位微處理器，具有72MHz CPU的速度和高達1MB的閃存。包含電動機控制外圍設備以及CAN和USB全速接口、兩個高級定時器和兩個基本定時器。LoRa基站主要包括網(wǎng)絡接口、電源、主控芯片、SX1278四個模塊構成。

2.1.3 終端節(jié)點硬件設計

LoRa終端節(jié)點選用Semtech公司生產(chǎn)的SX1278擴頻技術芯片，其主要優(yōu)勢為傳輸距離遠、抗干擾性能強、功耗低。根據(jù)系統(tǒng)需求，終端節(jié)點包括采集節(jié)點和控制節(jié)點兩個部分，主控芯片選用MSP430F149其中采集節(jié)點主要負責采集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上報至LoRa基站，控制節(jié)點負責執(zhí)行上級指令。

2.2 系統(tǒng)軟件設計

2.2.1 終端節(jié)點軟件設計

終端節(jié)點在接通電源后進行系統(tǒng)初始化，隨后開始接入串口，同時將LoRa模塊激活。在完成數(shù)據(jù)接收工作后，LoRa模塊對數(shù)據(jù)進行逐幀分析，若數(shù)據(jù)來自數(shù)據(jù)云管理平臺，則通過LoRa無線網(wǎng)絡傳輸給終端節(jié)點;若數(shù)據(jù)來自終端節(jié)點，則通過WiFi/3G/4G，將數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)管理云平臺。數(shù)據(jù)管理云平臺在接收到來自基站的數(shù)據(jù)后，迅速發(fā)送給用戶訪問平臺。

2.2.2 LoRa基站軟件設計

LoRa基站在接通電源后進行系統(tǒng)初始化，開始接入串口，同時將LoRa模塊激活。在完成數(shù)據(jù)接收工作后，LoRa模塊對數(shù)據(jù)進行逐幀分析，若數(shù)據(jù)來自終端節(jié)點，則對數(shù)據(jù)進行打包，添加幀頭、幀尾和兩位CRC校驗位，通過LoRa無線網(wǎng)絡傳輸給LoRa基站;若數(shù)據(jù)來自LoRa基站，則先去除數(shù)據(jù)的幀頭、幀尾和兩位CRC校驗位，隨后將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制節(jié)點。

3 網(wǎng)絡協(xié)議設計

為了保證整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性和真實性，對數(shù)據(jù)幀的設計可包含以下五種類型：（1）上行數(shù)據(jù)幀。上行數(shù)據(jù)幀表示采集節(jié)點向數(shù)據(jù)管理云平臺傳遞的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)信息;（2）下行應答幀。下行應答幀是對控制節(jié)點執(zhí)行上層指令情況的反饋，以避免重復。（3）下行指令幀。下行指令幀表示數(shù)據(jù)管理云平臺給控制節(jié)點發(fā)出的指令;（4）下行配合指令幀。下行配合指令幀是指數(shù)據(jù)云管理平臺服務器在對控制節(jié)點發(fā)出指令的同時，對采集節(jié)點的相關指令;（5）下行應答幀。下行應答幀表示數(shù)據(jù)云管理平臺服務器已經(jīng)接收到下層控制節(jié)點或采集節(jié)點的信息，并將接收情況反饋給控制節(jié)點和采集節(jié)點。

4 系統(tǒng)優(yōu)勢

4.1 技術優(yōu)勢

LoRa是智能化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)首選技術，支持一對一、一對多、多對多的控制模式，網(wǎng)絡結構具有動態(tài)性和多元性。采用防碰撞算法，在多個采集節(jié)點同時運行的情況下，保證數(shù)據(jù)的準確性。在數(shù)據(jù)的處理上，采用認證、驗證、按需工作的方式保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴⒖煽啃院图皶r性。

4.2 管理優(yōu)勢

本系統(tǒng)包括自動管理和人工管理兩個部分。其中自動管理是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的傳感器可以實時監(jiān)控影響種養(yǎng)殖的因素。當采集節(jié)點上報的數(shù)據(jù)有異常時，系統(tǒng)將會進行智能防控。人工管理是指農(nóng)業(yè)工作者可通過農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)提供的建議對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進行全局管理。人工管理與自動化管理相結合，有效降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的管理成本。

4.3 科學和環(huán)保優(yōu)勢

在本系統(tǒng)設計中，首先加入了“農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)”，用戶可以從專家系統(tǒng)中獲取種養(yǎng)殖方法、農(nóng)業(yè)發(fā)展動態(tài)、國家政策等信息。在種養(yǎng)殖方法指導下，進行科學、正確的農(nóng)業(yè)生產(chǎn);了解國家政策，跟進國家發(fā)展腳步;知曉行業(yè)動態(tài)，精實生產(chǎn)。此外，本系統(tǒng)還特意加入了“綠態(tài)農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)”，在響應國家“綠色”發(fā)展的同時，注重農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

5 結束語

綜上所述，根據(jù)對現(xiàn)階段我國農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、以及對農(nóng)業(yè)發(fā)展需求的分析，農(nóng)業(yè)發(fā)展離不開現(xiàn)代化信息技術。在LoRa技術下，農(nóng)業(yè)發(fā)展將向數(shù)字化、可控化、智能化以及綠色化發(fā)展，為農(nóng)業(yè)工作者提供了顯著的技術、管理以及科學環(huán)保優(yōu)勢。

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