戚偉佳

（吉林省電子信息產(chǎn)品檢驗研究院，吉林 長春130021）

隨著我國科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，各種先進技術(shù)被引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率均得到顯著提升[1]。以往采集種植環(huán)境溫濕度等信息多由人工完成，大量耗費時間及人力物力，獲取相關(guān)信息也缺乏實時性與可靠性，應(yīng)用有效手段，設(shè)計一款能準確采集種植環(huán)境信息的信息采集系統(tǒng)，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作的順利開展能發(fā)揮重要作用。本次研究將LoRa 技術(shù)作為基礎(chǔ)，設(shè)計一款農(nóng)田信息采集系統(tǒng)。

1 概述

LoRa 技術(shù)是一種1GHz 以下低功耗、超長距的新型無線通信技術(shù)，可在全球免費頻段高效運行，相比其他技術(shù)，LoRa 技術(shù)有效解決了低功率和長距離不可兼顧的問題，其將基于線性調(diào)頻信號的擴頻技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)及向前糾錯編碼技術(shù)有機融合，鏈路預(yù)算高達157dB，普通環(huán)境下通信距離能達到15km 以上，空曠環(huán)境下通信距離很更遠[2]。接收靈敏度方面，LoRa 技術(shù)可達到-148dbm，為網(wǎng)絡(luò)連接可靠性提供保障。此外，LoRa 技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施成本較小，使用網(wǎng)間連接器/集中器擴展系統(tǒng)容量，建設(shè)與部署更加容易；LoRa 技術(shù)接收電流為10mA，休眠狀態(tài)下電流可低于200nA，進而可一定程度地延長電池壽命，一般情況下電池壽命可達10 年以上；LoRa 技術(shù)運行頻段屬于非授權(quán)頻段，節(jié)點與終端的成本也相對較低，進而能有效降低LoRa 建設(shè)成本[3]。為研發(fā)出一種既能應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)，又能使用低比特率進行長距離通訊的無線網(wǎng)絡(luò)，LoRa 聯(lián)盟董事會成員中興通訊與其他成員，基于LoRa 技術(shù)一同推出LoRaWAN，LoRaWAN 屬于一種低功耗廣域網(wǎng)規(guī)范，相比當今較為常見的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，LoRaWAN 將傳統(tǒng)星形結(jié)構(gòu)作為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，進行長距離連接過程中，終端節(jié)點與網(wǎng)間連接器能夠直接進行信息交互，既可降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性，還能減少能量損耗，從而延長電池壽命。

2 系統(tǒng)組成與功能

本次研究計劃在溫室大棚不同位置放置溫濕度傳感器節(jié)點，以便可快速采集到溫室大棚內(nèi)各位置溫濕度信息，并能將相關(guān)信息及時上傳到匯聚節(jié)點。本次研究設(shè)計的農(nóng)田信息采集系統(tǒng)由采集節(jié)點、匯聚節(jié)點、服務(wù)器及監(jiān)控端四部分組成。在基于LoRa 的農(nóng)田信息采集系統(tǒng)中，LoRa 技術(shù)可采取多對一方式，幫助采集節(jié)點與匯聚節(jié)點間形成LoRa 網(wǎng)絡(luò)，在采集節(jié)點獲取到溫室大棚內(nèi)環(huán)境溫濕度信息后，則能通過LoRa 網(wǎng)絡(luò)將信息傳遞給匯聚節(jié)點。作為連接采集節(jié)點和服務(wù)器的橋梁，匯聚節(jié)點既能實現(xiàn)與采集節(jié)點的有效通信，對傳感器信息進行全面收集，還能與服務(wù)器達成通信關(guān)系，在有效或無線網(wǎng)絡(luò)條件下將信息傳輸給服務(wù)器。服務(wù)器在接收到相關(guān)信息后，可對其進行系統(tǒng)性分析，分析完成后信息則可被傳輸至監(jiān)控器，以便于管理員充分了解溫室大棚內(nèi)環(huán)境溫濕度狀況。

3 LoRa 網(wǎng)絡(luò)組成與實現(xiàn)

將LoRaWAN 拓撲結(jié)構(gòu)作為參考標準，選用星形拓撲作為采集節(jié)點和匯聚節(jié)點間LoRa 網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，相比其他拓撲結(jié)構(gòu)，星形拓撲結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、傳輸時間延遲小、功耗低等特點，當采集節(jié)點數(shù)量較多時，星形拓撲結(jié)構(gòu)還能將采集節(jié)點行分區(qū)域管理，并對處于不同區(qū)域的采集節(jié)點使用不同頻段，進而降低采集節(jié)點之間出現(xiàn)的信號干擾。

本次研究設(shè)計的農(nóng)田信息采集系統(tǒng)中LoRa 通信模塊屬于無線數(shù)傳模塊，由微控制器控制sx1278 芯片組成，可實現(xiàn)多對一星形網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)的建立。處于同一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境時，中心模塊可通過地址呼叫節(jié)點模塊和地址匹配節(jié)點模塊，并在接收到信息后立即給予答復(fù)，同時各個節(jié)點之間并不會產(chǎn)生干擾，可見這種應(yīng)用場景對于低功耗無線采集具有極高適用性。LoRa 網(wǎng)絡(luò)以匯聚節(jié)點為主、采集節(jié)點為從的主從關(guān)系作為主要通信方式，采集節(jié)點接收到匯聚節(jié)點發(fā)出的指令信息后，能對指令信息進行解析，并做出相應(yīng)操作，當采集節(jié)點未收到操作指令時，其便會以默認設(shè)置執(zhí)行操作。

LoRa 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過選擇空中喚醒作為監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)的主要方式，利用這種方式，也可確保網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽能夠在休眠模式與信道活動檢測模式下進行有規(guī)律的周期性切換，休眠模式下保持休眠狀態(tài)，信道活動檢測模式下保持網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽狀態(tài)，以達到降低功耗的效果，但在發(fā)送信息數(shù)據(jù)時，一定要在有效信息數(shù)據(jù)前增加一段超過1 個休眠模式周期的前導(dǎo)碼，以確保信息數(shù)據(jù)能被有效接收。LoRa 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在信道活動檢測模式下對信號進行實時監(jiān)聽，如果并未監(jiān)聽到信號，直接進入休眠模式并等待下一次喚醒；如果監(jiān)聽到信號，立即轉(zhuǎn)入判斷信號的工作模式。信號判斷工作模式下，會對監(jiān)聽到的信號進行判斷，如果信號發(fā)送目標為自己，直接進入常規(guī)數(shù)據(jù)接收模式，實現(xiàn)自己與信號源的信息交互，并會延長工作模式保持時間，以便于信息傳輸；如果信號發(fā)送目標并非自己，直接進入休眠狀態(tài)，并會延長休眠周期。

當LoRa 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點被喚醒時，會立即轉(zhuǎn)入信道活動檢測模式進行信號監(jiān)聽，如果信號發(fā)送目標為自己，則會延長工作時間；如果信號發(fā)送目標不是自己，則會延長休眠時間。

4 系統(tǒng)硬件組成

基于LoRa 農(nóng)田信息采集系統(tǒng)硬件設(shè)計主要由采集節(jié)點和匯聚節(jié)點組成，微控制單元主控芯片選用STM32F103VET6，屬于以ARM32 位cortex-M3 架構(gòu)為基礎(chǔ)的微處理器，集成512kb閃存與64kb 靜態(tài)隨機存取存儲器，保證采集節(jié)點與匯聚節(jié)點擁有充足空間，工作頻率可達到72MHz 以上。構(gòu)成LoRa 模塊的sx1278 芯片屬于低功耗半雙工遠距離發(fā)射器，內(nèi)設(shè)LoRa 遠程調(diào)制解調(diào)器，可保證遠距離、低功耗擴頻通信的實現(xiàn)，并具有較強的抗干擾性。

采集節(jié)點結(jié)構(gòu)主要由LoRa 模塊、DHT11 傳感器、電源模塊及JTAG 接口組成，見圖1。采集節(jié)點接收到匯聚節(jié)點發(fā)出的指令后，可根據(jù)指令信息對溫室大棚環(huán)境溫濕度進行采集，隨后借助LoRa 模塊將采集信息發(fā)出；采集節(jié)點上配置DHT11 溫濕度符合傳感器，此傳感器具有已校準數(shù)字信號輸出功能，同時具有體積小、易操作、功耗低、穩(wěn)定性高等特點；電源模塊負責采集節(jié)點供電；JTAG 接口主要負責仿真與調(diào)試程序。

圖1 采集節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

匯聚節(jié)點結(jié)構(gòu)主要由LoRa 模塊、RS232 接口、電源模塊、JTAG 接口及WIFI 模塊組成，見圖2。待各采集節(jié)點發(fā)出采集信息后，匯聚節(jié)點會對采集節(jié)點傳感器獲取的溫室大棚環(huán)境溫濕度信息進行有效采集，同時對所有采集信息進行系統(tǒng)性分析，并上傳至服務(wù)器，在整個匯聚節(jié)點中起承上啟下作用；RS232 接口主要負責連接匯聚節(jié)點與PC，可使管理員通過串口調(diào)試工具對指令數(shù)據(jù)信息進行查看；WIFI 模塊承擔匯聚節(jié)點與服務(wù)器的連接；電源模塊與JTAG 接口作用與采集節(jié)點相同。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

5.1 指令數(shù)據(jù)幀格式

服務(wù)器下達指令至匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點再對獲取指令進行解析處理，隨后將解析后指令傳遞至采集節(jié)點。ID 碼是采集節(jié)點ID 地址，匯聚節(jié)點可找到ID 地址找到各個采集節(jié)點，并向指定采集節(jié)點發(fā)出命令，同時匯聚節(jié)點收到采集節(jié)點返回的溫濕度信息時，也能檢測到由哪個采集節(jié)點發(fā)出。結(jié)束碼則為一幀的結(jié)束，通常用0x0D 和0x0A 表示。

表1 采集節(jié)點和匯聚節(jié)點之間的數(shù)據(jù)幀格式

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5.2 采集節(jié)點

采集節(jié)點以采集、上傳溫濕度信息和接收匯聚節(jié)點下達指令為主要工作內(nèi)容。采集節(jié)點上電完畢后，首先進行軟硬件初始化，對相關(guān)參數(shù)與變量進行初值設(shè)置，并分配內(nèi)存，隨后按照“LoRa 網(wǎng)絡(luò)中斷請求”→“是否符合指令規(guī)范”→“解析指令并行參數(shù)設(shè)置”→“收集溫濕度信息”→“通過LoRa 上傳信息至匯聚節(jié)點”這一流程進行周期性工作。如果在此期間接收到LoRa 網(wǎng)絡(luò)中斷指令，則會重新解析指令和設(shè)置采集間隔。

5.3 匯聚節(jié)點

匯聚節(jié)點以接收服務(wù)器下達指令、向采集節(jié)點下達指令和接收采集節(jié)點返回溫濕度信息并發(fā)送至服務(wù)器為主要工作內(nèi)容。LoRa 網(wǎng)絡(luò)連接采集節(jié)點與匯聚節(jié)點，WIFI 連接匯聚節(jié)點與服務(wù)器，通信則通過TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和Socket 編程來實現(xiàn)。匯聚節(jié)點上電完畢后同樣進行軟硬件初始化、相關(guān)參數(shù)和變量的初值設(shè)置及內(nèi)存分配，隨后按照“等待中斷”→“有中斷請求”→“WIFI 中斷請求”→“解析指令并執(zhí)行操作”這一流程進行周期性工作。如果在此期間WIFI 中斷請求失敗，則需對LoRa網(wǎng)絡(luò)上傳的數(shù)據(jù)進行收集，再進行數(shù)據(jù)解析后通過WIFI 上傳。

5.4 服務(wù)器端

服務(wù)器端以向匯聚節(jié)點下達指令和收集匯聚節(jié)點返回數(shù)據(jù)為主要工作內(nèi)容，服務(wù)器端完成返回數(shù)據(jù)解析工作后，再將解析后數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，以供管理員隨時查看。

6 結(jié)論

采取科學(xué)方法對農(nóng)田信息進行精準采集，可幫助農(nóng)戶科學(xué)種植，提高種植效率和農(nóng)作物質(zhì)量。本次研究設(shè)計的基于LoRa技術(shù)農(nóng)田信息采集系統(tǒng)，可幫助農(nóng)戶實時了解種植環(huán)境溫濕度，以便于對其加以調(diào)整，其對于促進智慧農(nóng)業(yè)快速發(fā)展具有重要意義。