潘新元 劉志強(qiáng) 張禮麟 段海軍 韓勇

摘? ?要：文章針對(duì)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)點(diǎn)多、數(shù)據(jù)率低的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于LoRa與GPRS技術(shù)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。匯聚節(jié)點(diǎn)利用GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將終端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)打包發(fā)送到服務(wù)器端，用戶通過網(wǎng)頁(yè)或安卓手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)溫室環(huán)境，控制電磁閥開關(guān)，驅(qū)動(dòng)熱風(fēng)機(jī)加熱以及其他控制設(shè)備。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活、功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)環(huán)境;無(wú)線網(wǎng)絡(luò);數(shù)據(jù)采集;遠(yuǎn)程監(jiān)控

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與國(guó)家的鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，農(nóng)業(yè)智能化越來(lái)越成為一種必要[1]。我國(guó)農(nóng)業(yè)大棚區(qū)域面積大，種植環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，隨著農(nóng)業(yè)智能化的出現(xiàn)將有很大變化。內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)生產(chǎn)干旱缺水、條件相對(duì)差，因此，運(yùn)用農(nóng)業(yè)智能化是非常有必要的[2]。農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集具有數(shù)據(jù)點(diǎn)分布廣、數(shù)據(jù)量少的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)傳輸若都使用總線傳輸，不僅價(jià)格昂貴，而且布線復(fù)雜。因此本文整合利用通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）與長(zhǎng)距離（Long Range，LoRa）各自的優(yōu)勢(shì)[3]，構(gòu)建一種新型系統(tǒng)，在很大程度上解決傳統(tǒng)通信方式的弊端，使距離大棚較遠(yuǎn)的用戶也可對(duì)大棚情況進(jìn)行實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)高效務(wù)農(nóng)。

本文的系統(tǒng)總體框架包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，旨在設(shè)計(jì)一套基于LoRa和GPRS技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地采集農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境中的各種參數(shù)，并能精準(zhǔn)地控制大棚中的設(shè)備，讓大棚中的環(huán)境保持在一個(gè)平衡的狀態(tài)。

1? ? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要由終端采集控制節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心3部分組成。采集節(jié)點(diǎn)采集溫室大棚的環(huán)境參數(shù)，匯聚節(jié)點(diǎn)將獲得的數(shù)據(jù)打包，利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至上位機(jī)的服務(wù)器中心，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)獲取大棚中農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境參數(shù)，并可以發(fā)送控制指令，控制驅(qū)動(dòng)設(shè)備改變大棚環(huán)境。農(nóng)業(yè)大棚采集控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)將計(jì)算機(jī)、無(wú)線傳感器和農(nóng)學(xué)等若干學(xué)科緊密結(jié)合在一起，通過信息采集、傳輸、處理和控制等技術(shù)，使人們更加方便和直觀地獲得農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的智慧農(nóng)業(yè)。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能如下：

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。通過底層采集節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集溫室里的環(huán)境參數(shù)，將數(shù)據(jù)通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸給服務(wù)器，以直觀的圖表方式顯示并提供報(bào)警信息。

（2）多種控制方式。系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)數(shù)據(jù)超出預(yù)先設(shè)定的值時(shí)便進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制;或采取手動(dòng)的方式對(duì)電磁閥和風(fēng)扇進(jìn)行控制。

（3）數(shù)據(jù)查詢與警告功能。系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)查詢溫室內(nèi)的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)、歷史數(shù)據(jù)，分析農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境變化趨勢(shì)，作出正確的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策。警告功能可預(yù)先設(shè)定適合農(nóng)作物生長(zhǎng)條件傳感器數(shù)據(jù)的上限值和下限值，當(dāng)某個(gè)數(shù)據(jù)超出范圍值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提示警告信息及遠(yuǎn)程短信通知。

（4）遠(yuǎn)程查詢與控制功能。系統(tǒng)可以通過手機(jī)連接到灌溉控制器，用手機(jī)方便地查看溫室的各項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù)以及能夠方便地遠(yuǎn)程控制各個(gè)中斷控制節(jié)點(diǎn)的工作。

2? ? 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)與軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和服務(wù)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)。采集節(jié)點(diǎn)間通過RS485總線相連，采集點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)通過LoRa實(shí)現(xiàn)通信和數(shù)據(jù)的傳輸。

2.1? 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是接收匯聚節(jié)點(diǎn)的采集指令并對(duì)傳感器下發(fā)采集命令。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的終端節(jié)點(diǎn)包括采集節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)兩部分，采集節(jié)點(diǎn)由STM32微控制器、多傳感器、LoRa模塊組成，傳感器與傳感器子模塊通過RS485方式進(jìn)行通信，RS485總線采用差分信號(hào)傳輸，抑制共模干擾的能力較強(qiáng)[4]?？刂乒?jié)點(diǎn)由控制設(shè)備、STM32主控芯片和LoRa無(wú)線通信模塊等組成，其主要任務(wù)是響應(yīng)上位機(jī)下發(fā)的控制指令，控制大棚內(nèi)的設(shè)備。通過終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的上傳與控制命令的下達(dá)。

2.2? 匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

匯聚節(jié)點(diǎn)處于系統(tǒng)的中間層，作為星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)關(guān)由STM32微控制器、GPRS模塊以及電源模塊組成，其主要任務(wù)為接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的溫室環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，然后按照物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)要求的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式進(jìn)行打包，通過串口GRPS模塊發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)用戶服務(wù)平臺(tái);通過GPRS模塊接收物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)發(fā)送的對(duì)溫室執(zhí)行結(jié)構(gòu)的控制指令，并轉(zhuǎn)發(fā)到終端節(jié)點(diǎn)控制器[5]。

2.3? 服務(wù)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

服務(wù)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)服務(wù)器端和手機(jī)客戶端。上位機(jī)服務(wù)器端的主要任務(wù)是接收匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，保存到當(dāng)?shù)財(cái)?shù)據(jù)庫(kù)中，形成可視化的圖表。用戶依據(jù)數(shù)據(jù)分析判斷是否對(duì)終端節(jié)點(diǎn)下達(dá)控制指令。手機(jī)客戶端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程觀測(cè)的作用，可跨平臺(tái)運(yùn)行，應(yīng)用于多種終端設(shè)備，安裝和維護(hù)成本較低。Android智能手機(jī)APP的開發(fā)，為用戶實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制提供簡(jiǎn)便，以達(dá)到提高效率、方便智能調(diào)控的目的，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的智能化水平。

2.4? 通信節(jié)點(diǎn)

LoRa通信節(jié)點(diǎn)的作用是將終端點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳與接收。溫室大棚農(nóng)業(yè)覆蓋面積廣泛，ZigBee節(jié)點(diǎn)組成的短距離傳感網(wǎng)絡(luò)不能滿足對(duì)溫室的可靠控制，而LoRa具有超長(zhǎng)距離通信、超低功耗和坑干擾強(qiáng)的特點(diǎn)，選擇LoRa技術(shù)可以彌補(bǔ)這一方面的不足[6]。

網(wǎng)關(guān)作為數(shù)據(jù)的交換中心，需要和終端節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)服務(wù)中心通信，考慮農(nóng)業(yè)大棚和數(shù)據(jù)中心的遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，通信方式選用了可高速傳輸、傳輸距離遠(yuǎn)、穩(wěn)定性強(qiáng)的GPRS無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

農(nóng)業(yè)溫室數(shù)據(jù)采集技術(shù)是發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的重要一環(huán)，本文利用無(wú)線通信技術(shù)LoRa優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建了一種基于LoRa與GPRS技術(shù)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)采集及監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通信距離遠(yuǎn)、功耗低，系統(tǒng)可移植性高。除了在農(nóng)業(yè)溫室大棚中的應(yīng)用，還可稍作修改，用于其他農(nóng)業(yè)用途，具有良好的應(yīng)用與推廣空間。

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