尹晶晶，付紫平

（1.安徽國防科技職業(yè)學(xué)院電氣技術(shù)學(xué)院，安徽 六安 237011；2.中國計量大學(xué)機電工程學(xué)院，浙江 杭州 310020）

0 引言

近年來，我國肉雞和蛋雞養(yǎng)殖規(guī)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(yǎng)殖發(fā)展更為迅速，早在1985年我國禽蛋產(chǎn)量就超越美國，成為全球第一大雞蛋生產(chǎn)國及消費國。規(guī)模化養(yǎng)殖的一大特點是密度大，尤其是在大型密閉雞舍內(nèi)。與舍外空氣環(huán)境相比，雞舍內(nèi)的空氣溫度、相對濕度等環(huán)境參數(shù)具有很大的波動性，而且雞舍內(nèi)會產(chǎn)生大量氨氣、硫化氫等有害氣體。若不能實時準確監(jiān)測舍內(nèi)環(huán)境參數(shù)并進行合理調(diào)控，則無法為肉雞或蛋雞提供適宜的生長環(huán)境。經(jīng)常處于不適宜的生長環(huán)境中，雞極容易發(fā)病。若一旦發(fā)病，則又易導(dǎo)致大面積傳染，從而給養(yǎng)殖戶帶來嚴重損失。因此，提高肉雞和蛋雞養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測的自動化程度，實時準確地監(jiān)測雞舍內(nèi)主要環(huán)境參數(shù)對于確保安全養(yǎng)殖具有重要意義。

早期，趙娟等［2］對雞舍內(nèi)有害氣體的監(jiān)測進行了深入研究，構(gòu)建了基于485通信方式的雞舍環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測雞舍內(nèi)的CO2濃度、NH3濃度以及H2S的濃度等。因受有線傳輸?shù)南拗疲鲜霰O(jiān)測系統(tǒng)的通信距離不長且硬件成本很高。同時，整個系統(tǒng)的拓展性能差，無法在低成本的前提下構(gòu)建大型的通信網(wǎng)絡(luò)。隨著ZigBee無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，許多科技工作者［3-7］研究了基于ZigBee的雞舍環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)。此外，欽盼琛等［8］設(shè)計了基于威發(fā)（wireless fidelity，WiFi）無線通信的雞舍環(huán)境傳感器節(jié)點，并把數(shù)據(jù)上傳至OneNET云平臺，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠程傳輸與查看。ZigBee、WiFi等無線通信技術(shù)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(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計肉雞養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，以便用戶遠程控制和管理雞舍環(huán)境；高宏宇等［10］則采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)設(shè)計了雞舍環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)，通過云平臺完成了對數(shù)據(jù)的處理，實現(xiàn)了實時數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)查詢、報表制作、報警等功能。

縱觀目前雞舍環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)的相關(guān)研究，多采用ZigBee技術(shù)。然而，ZigBee技術(shù)的通信距離十分有限，無法滿足大型雞舍環(huán)境監(jiān)測的無線通信距離要求。窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采用基于3大運營商的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，以室內(nèi)覆蓋、低成本、低功耗和廣連接為特點，但是很多偏遠農(nóng)村的農(nóng)場或者養(yǎng)殖場并沒有覆蓋蜂窩網(wǎng)絡(luò)，無法使用窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信。與Zig-Bee和NB-IoT技術(shù)相比，LoRa無線通信技術(shù)具有遠距離、低功耗、低成本、無需基站等優(yōu)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(huán)境監(jiān)測的無線通信距離要求。為此，本文研究并設(shè)計了基于LoRa的雞舍環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)。

1 基于LoRa的雞舍環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

基于LoRa的雞舍環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)包括3個層次，即感知層、信息傳輸與存儲層、應(yīng)用層，整體架構(gòu)如圖1所示。在感知層布設(shè)若干環(huán)境傳感器節(jié)點，每個節(jié)點可以實時感知周圍環(huán)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(shù)的數(shù)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(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點。一方面，網(wǎng)關(guān)節(jié)點可以把數(shù)據(jù)傳輸給本地終端，用于雞舍現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時顯示與監(jiān)測；另一方面，網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過LoRa通信模塊接收到相關(guān)數(shù)據(jù)，然后通過WiFi、NB-IoT等無線通信技術(shù)把數(shù)據(jù)發(fā)送至因特網(wǎng)、4G/5G網(wǎng)絡(luò)、NB-IoT基站等，這些均在信息傳輸與存儲層中實現(xiàn)。同時，在該層還會實現(xiàn)基于OneNET等云平臺的數(shù)據(jù)存儲等功能。在應(yīng)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(xiàn)相關(guān)環(huán)境監(jiān)測信息的查閱。

圖1 基于LoRa的雞舍環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

在上述系統(tǒng)架構(gòu)中，應(yīng)用層、信息傳輸與存儲層中的設(shè)備均為現(xiàn)成設(shè)備，無需自行設(shè)計。而感知層中的傳感器節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點是需要開發(fā)者自行設(shè)計的。因此，本系統(tǒng)的開發(fā)重點在于傳感器節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點。對于傳感器節(jié)點來說，其硬件電路主要包括相關(guān)環(huán)境參數(shù)的傳感器、微控制器和LoRa模塊。傳感器節(jié)點的硬件電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。相對來說，網(wǎng)關(guān)節(jié)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(huán)境參數(shù)傳感器。網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過LoRa模塊接收傳感器節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)，然后通過WiFi模塊將數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)和云端。

圖2 傳感器節(jié)點的硬件電路結(jié)構(gòu)

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(huán)境參數(shù)。針對每個環(huán)境參數(shù)，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(yīng)當考慮雞舍環(huán)境監(jiān)測的國家標準、地方標準或行業(yè)標準，以便檢測范圍、監(jiān)測精度等重要指標滿足實際工程應(yīng)用要求。以天津市地方標準《肉雞養(yǎng)殖環(huán)境信息采集規(guī)范》（DB12/T 752—2017）［11］中所規(guī)定的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)指標為例，來選擇相應(yīng)的傳感器件，相關(guān)指標如表1所示。

表1 雞舍環(huán)境監(jiān)測主要指標

首先，在養(yǎng)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(huán)境溫濕度監(jiān)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(yīng)用于氣象、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、糧倉等領(lǐng)域的環(huán)境溫濕度監(jiān)測。

關(guān)于光照度傳感器的選擇，數(shù)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(nèi)主要有害氣體，NH3不僅對肉雞的各器官產(chǎn)生損害，嚴重影響肉雞的產(chǎn)量與質(zhì)量，同時也會損害肉雞飼養(yǎng)員的身體，不利于飼養(yǎng)員在雞舍內(nèi)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(jīng)過對比現(xiàn)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(shè)備穩(wěn)定性，非常適合雞舍環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)。關(guān)于微控制器，選擇了STM32型號的單片機。為了方便開發(fā)，選擇了深圳億研電子有限公司開發(fā)的LoRa開發(fā)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(fā)板上，預(yù)留了單片機的許多I/O管腳，方便連接相關(guān)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(jié)點不需要WiFi模塊，而網(wǎng)關(guān)節(jié)點需要通過WiFi連接網(wǎng)絡(luò)以便把數(shù)據(jù)上傳至云平臺。因此，網(wǎng)關(guān)節(jié)點的硬件組成為STM32單片機開發(fā)板和WiFi模塊組成ESP8266組成。為了方便在本地觀測環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，在網(wǎng)關(guān)節(jié)點上增加了一塊TFT液晶顯示屏。

為保護傳感器節(jié)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(jié)點設(shè)計了長方體形狀外殼。在傳感器節(jié)點外殼的頂部開設(shè)了一個圓孔，用于固定光照度傳感器。在傳感器節(jié)點外殼的底部開設(shè)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(shè)計方便，網(wǎng)關(guān)節(jié)點也采用了同樣尺寸的外殼設(shè)計。網(wǎng)關(guān)節(jié)點沒有傳感器元件，但有TFT顯示屏，所以在其外殼一個側(cè)面開設(shè)了一個方形孔，方便觀測所監(jiān)測到的環(huán)境參數(shù)信息。傳感器節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點的最終實物如圖3所示。

圖3 傳感器節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點的實物

3 系統(tǒng)軟件開發(fā)

在Keil5開發(fā)環(huán)境中完成了傳感器節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點的程序。從總體上看，傳感器節(jié)點的主要任務(wù)是依次從3個傳感器中讀取4種環(huán)境參數(shù)的測量數(shù)據(jù)，然后通過LoRa模塊以無線通信方式發(fā)送出去。傳感器節(jié)點的主程序流程如圖4所示。

圖4 傳感器節(jié)點主程序流程

在系統(tǒng)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(guān)設(shè)置。在本系統(tǒng)中，設(shè)置LoRa模塊工作于450 MHz頻段，功率設(shè)置為20 dB，帶寬為500 kHz，擴頻因子設(shè)置為128，前導(dǎo)碼長度為10個字節(jié)，打開循環(huán)冗余校驗（cyclic redundancy check，CRC）校驗，設(shè)置為連續(xù)接收模式等。傳感器節(jié)點的LoRa通信設(shè)置和網(wǎng)關(guān)節(jié)點上的LoRa通信設(shè)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(xiàn)對溫濕度數(shù)據(jù)的讀取流程主要參考SHT30傳感器的時序。首先，STM32單片機發(fā)送命令，清零SHT30傳感器的狀態(tài)寄存器，然后向SHT30傳感器發(fā)送起始信號。短暫延時后，發(fā)送SHT30傳感器的地址。當STM32單片機接收到SHT30傳感器的應(yīng)答信號之后，開始接收由SHT30傳感器發(fā)送來的溫濕度數(shù)據(jù)。當接收完畢后，STM32單片機向SHT30傳感器做出應(yīng)答。最后，根據(jù)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(shù)值。光照度傳感器、氨氣傳感器的數(shù)據(jù)讀取流程和溫濕度傳感器相似。由于它們均為數(shù)字傳感器，且有校正公式，因此最后根據(jù)相應(yīng)公式對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換即可。

以上為傳感器節(jié)點的軟件開發(fā)，而網(wǎng)關(guān)節(jié)點的軟件開發(fā)則有所不同。網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過LoRa模塊接收到傳感器節(jié)點發(fā)送來的監(jiān)測數(shù)據(jù)，然后通過WiFi模塊把數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)以及當前設(shè)備的狀態(tài)，主動上報給STM32單片機，同時也通過串口接收STM32單片機發(fā)送的指令。網(wǎng)關(guān)節(jié)點接收所有節(jié)點的環(huán)境信息后，將各相關(guān)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(lián)網(wǎng)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點采用MQTT協(xié)議將post報文上發(fā)至云端代理服務(wù)器。網(wǎng)關(guān)節(jié)點的主程序流程如圖5所示。

圖5 網(wǎng)關(guān)節(jié)點的程序流程

除了完成系統(tǒng)初始化和LoRa初始化外，網(wǎng)關(guān)節(jié)點還需要完成WiFi模塊的初始化。WiFi模塊通過串口實現(xiàn)與STM32單片機的通信，接收單片機發(fā)送來的命令，以及將獲取的數(shù)據(jù)以及當前設(shè)備的狀態(tài)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(lián)網(wǎng)效率。當網(wǎng)關(guān)節(jié)點連接WiFi路由成功之后，則由其LoRa模塊接收傳感器節(jié)點發(fā)送來的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，然后通過WiFi模塊將其發(fā)送至路由器，以及完成到云端的數(shù)據(jù)傳輸。為了方便在本地觀看相關(guān)環(huán)境參數(shù)信息，網(wǎng)關(guān)節(jié)點同時也將數(shù)據(jù)顯示在本地的TFT液晶屏幕上。

4 測試實驗結(jié)果及分析

設(shè)計了2個傳感器節(jié)點和一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點。傳感器節(jié)點實時監(jiān)測周圍環(huán)境參數(shù)信息，并發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點。網(wǎng)關(guān)節(jié)點聯(lián)網(wǎng)正常后，通過ESP8266模塊將接收到的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)通過post報文發(fā)送至OneNET設(shè)備云平臺。用戶需要通過電腦登錄設(shè)備云平臺網(wǎng)頁或通過手機App登錄設(shè)備云，選中對應(yīng)設(shè)備，以查看設(shè)備在線狀態(tài)以及數(shù)據(jù)流。為了更直觀地顯示測量效果，在傳感器節(jié)點上增加了TFT液晶顯示屏。傳感器節(jié)點測試數(shù)據(jù)顯示如圖6（a）所示，無線發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點的數(shù)據(jù)顯示如圖6（b）所示。網(wǎng)關(guān)節(jié)點把數(shù)據(jù)發(fā)送至云端。用戶可以通過電腦和手機訪問云端數(shù)據(jù)。

圖6 本地數(shù)據(jù)顯示

本文所設(shè)計的雞舍環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)的一個重要指標就是局域網(wǎng)的傳輸距離。擁有足夠遠的傳輸距離才能確保雞舍環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程傳輸。因此，測試了不同相距距離下網(wǎng)關(guān)節(jié)點接收到的傳感器節(jié)點RSSI（received signal strength indicator）值。測試結(jié)果如表3所示。

表3 不同距離下傳感器節(jié)點的RSSI值

由表3可知，隨著傳感器節(jié)點與基站節(jié)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(nèi)，RSSI值呈指數(shù)性質(zhì)的下降。為了減少數(shù)據(jù)的丟包率，在配置LoRa的初始設(shè)置時打開了CRC的檢驗開關(guān)。在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時，對每一幀進行CRC校驗，如果接收方判定數(shù)據(jù)失敗，則發(fā)送方返回否定確認信號（negative acknowledgement，NACK），發(fā)送方返回。因此，即使LoRa信號較弱時，數(shù)據(jù)可靠性也能夠顯著提升。當相距800 m時，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定無線傳輸。另外，適當提高LoRa模塊的發(fā)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(shè)計的傳感器節(jié)點完全能夠滿足大型雞舍養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測需求。

5 結(jié)束語

本文基于LoRa無線通信技術(shù)開發(fā)了面向雞舍環(huán)境的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)所描述的系統(tǒng)架構(gòu)，重點設(shè)計了感知層中的傳感器節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點的軟硬件，實現(xiàn)了環(huán)境溫濕度、光照度和NH3濃度的實時監(jiān)測與無線遠程傳輸。感知層中的傳感器節(jié)點具有足夠遠的無線通信距離，能夠完全滿足大型雞舍環(huán)境監(jiān)測要求。針對不同畜禽養(yǎng)殖環(huán)境，只要更換合適的傳感器，均可實現(xiàn)不同環(huán)境參數(shù)的遠程無線監(jiān)測功能，為農(nóng)業(yè)畜禽養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測提供了一套有效實施方案。