基于LoRa技術的設施農(nóng)業(yè)溫室大棚智能控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

朱明 曹越

摘 要 隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度的不斷提高，設施農(nóng)業(yè)已成為當前經(jīng)濟作物種植的主要手段。設施農(nóng)業(yè)溫室大棚中種植的作物雖然經(jīng)濟價值高，但面臨著生產(chǎn)環(huán)境要求嚴格、農(nóng)村勞動力日益下降以及設施農(nóng)業(yè)溫室大棚智能化程度不高等困難。因此，通過智能控制系統(tǒng)來解決當前設施農(nóng)業(yè)溫室大棚生產(chǎn)中面臨的問題逐漸受到重視?；诖?，通過LoRa無線傳感網(wǎng)絡闡述設施農(nóng)業(yè)溫室大棚智能控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。

關鍵詞 LoRa技術;設施農(nóng)業(yè);溫室大棚;智能控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP312 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.27.088

1 設施農(nóng)業(yè)溫室大棚智能控制系統(tǒng)設計的關鍵技術

1.1 LoRa技術簡介

LoRa全稱為Long Range Radio，即遠距離無線電。LoRa聯(lián)盟于2015年3月宣布成立，是一個開放的、非盈利性組織，其目的在于將LoRa推向全球，實現(xiàn)LoRa技術的商用。該聯(lián)盟由Semtech牽頭，發(fā)起成員還有法國Actility，中國AUGTEK和荷蘭皇家電信KPN等企業(yè)。目前，聯(lián)盟成員數(shù)量達330多家，其中不乏IBM、思科、法國Orange等重量級廠商[1]。

作為LPWAN（Low-Power Wide-Area Network，低功耗廣域網(wǎng)）的典型代表技術之一，LoRa憑借其網(wǎng)絡連接的高度可靠性、2 km以上（與環(huán)境有關）的連接距離以及獨特的信號傳輸時間測距機制等優(yōu)勢，近年來在多個應用領域獲得了蓬勃發(fā)展，其特點尤其適合農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應用場景。

在信號方面，LoRa使用線性調(diào)頻擴頻調(diào)制技術，獲得了類似于FSK（Frequency-Shift Keying，頻移鍵控）調(diào)制相同的低功耗特性，而又明顯提高了通信距離并消除了干擾，同時LoRa網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器又擁有并行多信道數(shù)據(jù)處理能力。

1.2 JavaScript簡介

JavaScript（Java腳本語言）是一種用來開發(fā)Internet上客戶與服務器程序的基于對象的弱類型腳本編程語言，是主要用來制作網(wǎng)頁前臺的技術，在層次上介于HTML與Java語言之間[1]。由于其大部分語法規(guī)范取自于Java語法規(guī)范，所以取名為JavaScript，是由Netscape公司的Brendan Eich在瀏覽器上首次設計實現(xiàn)而成。作為一種解釋性腳本語言，JavaScript不需要編譯，只需嵌入到HTML代碼中逐行加載解釋執(zhí)行[2]。

2 智能控制系統(tǒng)軟硬件設計

2.1 智能控制系統(tǒng)組網(wǎng)設計

設施農(nóng)業(yè)大棚的智能管理需要對大棚內(nèi)的空氣溫度、溫度等參數(shù)進行監(jiān)測與控制。智能控制系統(tǒng)在設計時主要采用3種類型的節(jié)點，分別為數(shù)據(jù)采集節(jié)點、控制節(jié)點和網(wǎng)關節(jié)點。采集節(jié)點、控制節(jié)點與網(wǎng)關之間通過LoRa組網(wǎng)，網(wǎng)關通過4G或WiFi接入Internet。系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖如圖1所示。

2.2 智能控制系統(tǒng)軟件功能設計

管理平臺以Web方式供不同用戶訪問。提供前后臺兩種模式：前臺類似信息網(wǎng)站，向所有用戶推廣智能化農(nóng)業(yè)的特點，以及公司產(chǎn)品的技術優(yōu)勢、應用場景、合作案例等;后臺供登錄用戶使用，以便動態(tài)地配置運行參數(shù)，監(jiān)控硬件的運行狀態(tài)、各種數(shù)據(jù)報表、與其他第三方平臺的集成等。Web后臺可進行權限劃分，不同角色用戶可以看到不同的操作欄目。每個用戶只能看到本企業(yè)相關的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，可以保護用戶數(shù)據(jù)隱私。各功能模塊如圖2所示。

2.3 通信協(xié)議設計

節(jié)點與傳感器之間使用modbus協(xié)議，modbus基本命令格式為：[設備地址][功能碼][起始地址：2字節(jié)][數(shù)據(jù)長度：2字節(jié)][CRC16校驗]，其意義分別如下。1）設備地址：設備地址范圍為1～35;2）功能碼：不同的應用需求功能碼不同;3）起始地址：查詢或操作寄存器起始地址;4）數(shù)據(jù)長度：讀取的長度;5）CRC校驗：CRC16校驗。

節(jié)點與網(wǎng)關之間使用私有的通信協(xié)議，協(xié)議設計中基本命令格式為包頭+數(shù)據(jù)域+校驗。簡要功能碼如表1所示。

3 系統(tǒng)軟件詳細設計

3.1 節(jié)點程序設計

3.1.1 傳感器節(jié)點程序設計

傳感器節(jié)點采用STM8芯片，通過LoRa模塊接入網(wǎng)關，主要功能有定時采集傳感器數(shù)據(jù)、主動上傳至網(wǎng)關。具體設計如圖3所示。

3.1.2 控制節(jié)點程序設計

控制節(jié)點采用STM8芯片，通過LoRa模塊接入網(wǎng)關，主要功能有接收服務器的控制指令、控制電磁閥和電動閥等執(zhí)行機構、定時檢測執(zhí)行機構的開關狀態(tài)并上傳至網(wǎng)關。具體設計如圖4所示。

3.1.3 網(wǎng)關節(jié)點程序設計

網(wǎng)關節(jié)點采用STM8芯片，通過LoRa模塊與節(jié)點組網(wǎng)，并通過4G或WiFi接入工控機。主要功能有數(shù)據(jù)轉發(fā)、將節(jié)點主動上傳的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機、將上位機下發(fā)的指令發(fā)送至節(jié)點。具體設計如圖5所示。

3.2 關鍵模塊詳細設計

3.2.1 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊主要負責展示傳感器的事實數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、設備操作日志、生成數(shù)據(jù)曲線圖等功能。具體實現(xiàn)代碼如圖6所示（以傳感器數(shù)據(jù)列表為例）。

3.2.2 控制規(guī)則設定模塊

為了實現(xiàn)設施農(nóng)業(yè)溫室大棚的智能化管理，系統(tǒng)提供3種控制方式，分別是手動控制、時間控制、閥值控制。其中閥值控制規(guī)則為復雜控制規(guī)則，允許用戶自定義設備與傳感器進行多對多綁定，從而實現(xiàn)自動灌溉、自動加濕、自動抽風等效果。具體實現(xiàn)代碼如7所示（以時間控制代碼為例）。

4 系統(tǒng)運行效果

基于LoRa的設施農(nóng)業(yè)溫室大棚智能化控制系統(tǒng)實現(xiàn)后的運行效果如圖8所示。

5 結論

本文設計了一種基于LoRa技術的設施農(nóng)業(yè)溫室大棚智能化控制系統(tǒng)，通過傳感器實時反饋溫室大棚內(nèi)生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)并按用戶需求進行多種生產(chǎn)設備的智能化控制，可以在農(nóng)業(yè)溫室大棚推廣應用，以取得較好的社會效益與經(jīng)濟效益。

參考文獻：

[1] 張惠芬.JavaScript的理論分析及其應用[J].衡水學院學報，2006，8（1）：45-46.

[2] 余起怡.基于JavaScript的三維智慧校園電子地圖系統(tǒng)開發(fā)[J].黑龍江工程學院學報，2018，32（4）：32-35.

（責任編輯：趙中正）