基于LoRa的溫室遠(yuǎn)程灌溉系統(tǒng)研究

駱東松 趙磊 周宇軒

摘要?針對西北地區(qū)農(nóng)業(yè)條件差、水資源匱乏等問題，研究和開發(fā)了一種溫室遠(yuǎn)程灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合傳感器技術(shù)、LoRa通訊技術(shù)、云平臺應(yīng)用技術(shù)、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用技術(shù)以及ASP.NET應(yīng)用程序開發(fā)技術(shù)，從上到下搭建一整套遠(yuǎn)程灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)對溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行及時監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)上傳，電磁閥控制節(jié)點(diǎn)接收遠(yuǎn)程用戶指令執(zhí)行灌溉任務(wù)，現(xiàn)場控制器節(jié)點(diǎn)則連接子節(jié)點(diǎn)和云服務(wù)平臺，對數(shù)據(jù)和指令進(jìn)行解析、中轉(zhuǎn)任務(wù)，結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)和ASP.NET應(yīng)用程序開發(fā)技術(shù)，開發(fā)B/S結(jié)構(gòu)WEB應(yīng)用程序，為用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控提供平臺。

關(guān)鍵詞?遠(yuǎn)程灌溉，LoRa，云平臺，數(shù)據(jù)庫，ASP.NET

中圖分類號?S126文獻(xiàn)標(biāo)識碼?A文章編號?0517-6611（2020）06-0194-04

Abstract?Aiming at the problems of poor agricultural conditions and lack of water resources in Northwest China， the greenhouse remote irrigation system was studied and developed. The system combined with sensor technology， LoRa communication technology， cloud platform application technology， database application technology and ASP.NET application development technology to build a set of remote irrigation system from top to bottom. The system monitored and uploaded the environmental parameters of greenhouse in time through data acquisition nodes，the solenoid valve control node received instructions from remote users to perform irrigation tasks，the field controller node connected subnodes and cloud service platform to parse and transfer data and instructions，combined with database technology and ASP.NET application development technology， the author developed WEB applications based on B/S structure ， which ?provided for a platform for remote monitoring of users .

Key words?Longdistance irrigation，LoRa，Cloud platform，Database，ASP.NET

近年來，隨著我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展，溫室大棚種植面積不斷擴(kuò)大，尤其是在我國西部和北部地區(qū)。溫室大棚是根據(jù)農(nóng)作物的生長發(fā)育需求，通過人工調(diào)節(jié)改變局部氣象環(huán)境，為農(nóng)作物的生長發(fā)育提供適宜的環(huán)境條件，在一定程度上擺脫了對自然因素依賴的新型農(nóng)業(yè)[1]。溫室大棚的農(nóng)作方式打破了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)對“天氣”的巨大依賴，并且隨著近年來科技的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云平臺技術(shù)在各行各業(yè)的廣泛運(yùn)用，也刺激了農(nóng)業(yè)向遠(yuǎn)程化、信息化和智能化的方向發(fā)展。由于溫室大棚相對封閉的環(huán)境，無法從自然環(huán)境中直接吸收降雨，所以只能通過人工的方式主動提供作物所需水分[2]。然而，農(nóng)戶通常采用“觀察+經(jīng)驗(yàn)”的方式進(jìn)行灌溉，這種費(fèi)時、費(fèi)力的灌溉方式無法及時、準(zhǔn)確地為作物提供水分，因此無法為農(nóng)作物的生長提供最佳濕度環(huán)境，同時也會對水資源造成浪費(fèi)。因此，

針對西北地區(qū)農(nóng)業(yè)條件差、水資源匱乏等問題，筆者研發(fā)了一種溫室遠(yuǎn)程灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合傳感器技術(shù)、LoRa通訊技術(shù)及時獲取土壤溫濕度參數(shù)以及溫室其他環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測，根據(jù)預(yù)先設(shè)定作物對濕度的需求閾值來進(jìn)行自動灌溉任務(wù)，同時依托云服務(wù)平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)的集中管理和分析，并開發(fā)操作簡單、使用便捷的遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用程序，使得農(nóng)業(yè)灌溉更加及時精準(zhǔn)，并可使農(nóng)戶遠(yuǎn)程操作更加省時、省力，且能減少水資源的浪費(fèi)。

1?LoRa技術(shù)簡介

該系統(tǒng)主要依賴LoRa無線通訊技術(shù)進(jìn)行溫室內(nèi)的數(shù)據(jù)采集通訊和灌溉指令通信。LoRa是LPWAN（low power wide area network）技術(shù)的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案[3]，其最大特點(diǎn)是傳輸距離遠(yuǎn)、工作功耗低、組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)多。

相較于ZigBee、WiFi等無線通訊技術(shù)，LoRa兼?zhèn)涑h(yuǎn)距離傳輸和低功耗的顯著特性，其融合了擴(kuò)頻調(diào)制和前向糾錯編碼技術(shù)（forward error correction，F(xiàn)EC），擴(kuò)大了數(shù)據(jù)傳輸距離，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_性[4]。LoRa技術(shù)在無遮擋情況下最遠(yuǎn)距離可達(dá)十幾公里，在市區(qū)范圍內(nèi)也可達(dá)2～3 km，超低功耗待機(jī)可靈活調(diào)整功率等級，適配傳輸中對距離和速率的要求，支持多種休眠和待機(jī)模式，電池續(xù)航可達(dá)10年。同時，與NB-IoT技術(shù)相比，LoRa技術(shù)無需依賴現(xiàn)有的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)基站，可以自由組網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)容量可達(dá)數(shù)萬且支持點(diǎn)到點(diǎn)通訊、串口數(shù)據(jù)雙向通訊，更加適用于蜂窩數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋不及的大面積戶外場景。

2?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)分為數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、閥門控制節(jié)點(diǎn)、現(xiàn)場控制器、云平臺服務(wù)器4個部分（圖1）。采集節(jié)點(diǎn)通過安裝在溫室內(nèi)部的溫濕度傳感器（空氣、土壤）等設(shè)備監(jiān)測溫室的環(huán)境參數(shù)，再通過MCU和LoRa模塊將數(shù)據(jù)通過無線的方式傳輸?shù)浆F(xiàn)場控制器。閥門控制節(jié)點(diǎn)通過MCU和LoRa模塊接收和處理網(wǎng)關(guān)控制器下發(fā)的控制指令，控制電磁閥動作，從而對溫室內(nèi)的作物進(jìn)行灌溉，同時控制節(jié)點(diǎn)還可以監(jiān)測各個電磁閥的狀態(tài)?，F(xiàn)場控制器起到網(wǎng)關(guān)的作用，即負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的集中處理與轉(zhuǎn)發(fā)，一方面通過LoRa模塊與采集節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，另一方面則通過GPRS模塊以TCP/IP的方式與云平臺服務(wù)器進(jìn)行通訊。云平臺服務(wù)器通過數(shù)據(jù)庫技術(shù)對溫室信息進(jìn)行集中管控，同時在云服務(wù)平臺開發(fā)用戶應(yīng)用軟件，為用戶提供溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)。用戶主要通過電腦和手機(jī)的方式查詢溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)及設(shè)備運(yùn)行情況，根據(jù)溫室內(nèi)的作物需求來制定灌溉條件，同時支持手自動2種灌溉模式進(jìn)行溫室灌溉。

3?灌溉系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)

3.1?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1.1?數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)即負(fù)責(zé)采集溫室的環(huán)境參數(shù)并將其通過無線的方式上行傳輸至網(wǎng)關(guān)，其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)選用ST公司生產(chǎn)的STM32L151x系列微處理器為控制核心，該芯片基于ARM的超低功耗32位MCU cortex-M3架構(gòu)，集成128 kB閃存（Flash）以及16 kB 靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器（SRAM）[5]，多種工作模式，待機(jī)模式下功耗低至0.3 μA，且具有UART、SPI、I2C、USB以及AD模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器等豐富的外設(shè)接口能夠很好地滿足節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)需求。LoRa通信模塊選用sx1278芯片的無線模塊，sx1278芯片是由Semtech公司生產(chǎn)的低功耗半雙工遠(yuǎn)距離發(fā)射器，集成LoRa遠(yuǎn)程調(diào)制解調(diào)器，工作頻段410～441 MHz，最大發(fā)射功率20 dBm，接收靈敏度-148 dBm，帶寬7.8～500.0 kHz，擴(kuò)頻因子7～12，有效傳輸速率0.018～37.500 kbps，能夠有效實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主要通過采集土壤溫濕度數(shù)據(jù)來進(jìn)行及時的自動灌溉，同時也檢測溫室內(nèi)的其他環(huán)境參數(shù)（空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度）供用戶查看。土壤溫濕度傳感器選用sys-TDR-5，其水分測量范圍0～100%（m3/m3），測量精度±2%，溫度測量范圍-30～70 ℃，測量精度±0.2 ℃，測量區(qū)域?yàn)橐灾醒胩结槥橹行牡闹睆? cm、高7 cm的圓柱體，工作電流40～80 mA，工作電壓5 V/12 V DC，輸出信號4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流環(huán)，具有密封性好，不易腐蝕，穩(wěn)定性強(qiáng)，響應(yīng)速度快，傳輸距離遠(yuǎn)測量精度高等顯著優(yōu)點(diǎn)[6]?？諝鈧鞲衅鬟x用Sensirion公司推出的SHT11，其溫度測量范圍為-40～123 ℃，測量精度±0.4 ℃，相對濕度測量范圍為0～100%，測量精度±3%，采用CMOsensTM技術(shù)，內(nèi)部集成信號放大器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲器、標(biāo)準(zhǔn)I2C總線等電路，能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行且反應(yīng)速度快、功耗低、精準(zhǔn)度高[7]。CO2濃度傳感器采用BMG-CO2-NDIR傳感器，檢測量程可在0～2 000、0～5 000、0～10 000 ppm間選擇，檢測分辨率可達(dá)±10 ppm，4～20 mA模擬信號輸出，功耗低，使用壽命可達(dá)10年以上。光照強(qiáng)度傳感器采用TAOS公司推出的TSL2561，它是一款寬量程、高速率、低功耗且能自主編寫的數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片[8]。

3.1.2?閥門控制節(jié)點(diǎn)。閥門控制節(jié)點(diǎn)接收現(xiàn)場控制器下發(fā)的指令，驅(qū)動電磁閥動作實(shí)施灌溉，其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。閥門控制節(jié)點(diǎn)仍選擇STM32L151x系列微處理器為控制核心，搭配sx1278的無線LoRa模塊，實(shí)現(xiàn)電磁閥的無線控制通信。信號輸出模塊通過DIO口控制繼電器的通斷，從而控制電磁閥的通斷，進(jìn)行灌溉任務(wù)。

3.1.3?現(xiàn)場控制器?，F(xiàn)場控制器主要由MCU、LoRa模塊、GPRS模塊及其觸摸屏組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示?，F(xiàn)場控制器仍選擇STM32L151x系列微處理器為控制核心。LoRa模塊則選擇sx1301芯片，作為現(xiàn)場控制器要求能夠成百甚至上千個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊，相較于sx1278芯片，sx1301擁有8通道，每個通道可以接收6個正交LoRa信號，且采用速率自適應(yīng)（adaptive data rate，ADR）技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更大的數(shù)據(jù)吞吐量。GPRS模塊采用的是SIMCOM公司的SIM808，它是一款高性能工業(yè)級的GPS/GSM/GPRS三合—模塊，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，工作頻率有850、900、1 800、1 900 MHz 4種，工作電壓為4 V[9]。LCD觸摸顯示屏則能為用戶提供良好的人機(jī)交互界面來進(jìn)行溫室現(xiàn)場操作。

3.2?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.2.1?數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)通過溫室內(nèi)傳感器設(shè)備對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測、采集，采用主動上報和執(zhí)行查詢指令上報2種模式相結(jié)合的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。其工作流程圖如圖5所示，節(jié)點(diǎn)第一次運(yùn)行時對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化，初始化完成后LoRa模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)搜索，并加入網(wǎng)絡(luò)，若LoRa模塊組網(wǎng)失敗則進(jìn)行報警提示。此后進(jìn)入正常系統(tǒng)循環(huán)，傳感器設(shè)備定時對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并定時將數(shù)據(jù)通過LoRa無線通訊模塊上報給現(xiàn)場控制器，上報完成后設(shè)備進(jìn)行低功耗運(yùn)行模式，等待下一次數(shù)據(jù)采集或接收現(xiàn)場控制器下發(fā)的查詢指令進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3.2.2?閥門控制節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)。電磁閥控制節(jié)點(diǎn)即接收現(xiàn)場控制器下發(fā)的控制指令，進(jìn)行灌溉任務(wù)。其工作流程圖如圖6所示，節(jié)點(diǎn)在初次上電運(yùn)行時，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，初始化化完成后LoRa模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)搜索，并加入網(wǎng)絡(luò)，若LoRa模塊組網(wǎng)失敗則進(jìn)行報警提示。此后電磁閥控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)入循環(huán)工作狀態(tài)，當(dāng)接受到現(xiàn)場控制器下發(fā)的控制指令時，根據(jù)通信協(xié)議解析指令執(zhí)行相應(yīng)操作，進(jìn)行對電磁閥進(jìn)行通斷，同時將電磁閥更新的狀態(tài)上傳給現(xiàn)場控制器。

3.2.3?現(xiàn)場控制器軟件設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場控制器是下位系統(tǒng)的控制中樞，既通過LoRa模塊和子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，也通過GPRS模塊與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并在其中設(shè)定灌溉閾值（可遠(yuǎn)程修改）進(jìn)行自動灌溉任務(wù)。其工作流程如圖7所示，設(shè)備上電后進(jìn)行系統(tǒng)初始化，創(chuàng)建LoRa網(wǎng)絡(luò)，完成之后進(jìn)入循環(huán)工作模式，系統(tǒng)監(jiān)聽服務(wù)器下發(fā)的指令和子節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)。服務(wù)器下發(fā)指令時，系統(tǒng)GPRS模塊首先進(jìn)行指令接收，指令解析后下發(fā)相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集任務(wù)或電磁閥控制，子節(jié)點(diǎn)主動上傳采集數(shù)據(jù)時，LoRa模塊接收數(shù)據(jù)并解析，再上傳至服務(wù)器，對數(shù)據(jù)進(jìn)行集中存儲與管理。

4?云平臺與遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件

依托于云服務(wù)平臺，開發(fā)TCP/IP協(xié)議端口與現(xiàn)場控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并將數(shù)據(jù)存入云平臺數(shù)據(jù)庫進(jìn)行合理化管理和使用，同時在云平臺上進(jìn)行B/S結(jié)構(gòu)的用戶應(yīng)用程序開發(fā)并發(fā)布，供用戶進(jìn)行溫室的遠(yuǎn)程灌溉和監(jiān)控。

4.1?云平臺

云平臺是對用于提供云服務(wù)的平臺的統(tǒng)稱，其發(fā)展與云計(jì)算密切相關(guān)。云平臺主要提供3種服務(wù)模式，分別為基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）、平臺即服務(wù)（PaaS）、應(yīng)用即服務(wù)（SaaS）[10]，該系統(tǒng)在“阿里云”提供的PaaS的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用軟件的開發(fā)，相較于自己搭建的服務(wù)平臺不僅需要考慮硬件設(shè)備，而且要考慮系統(tǒng)維護(hù)和人員管理的問題，租用“阿里云”可以根據(jù)自己需要進(jìn)行搭配選擇，更加方便、快捷。該系統(tǒng)云平臺結(jié)構(gòu)如圖8所示。

4.2?數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫管理是整個系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的重要核心。數(shù)據(jù)庫的合理設(shè)計(jì)不僅能保障信息系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且可以大大提高信息系統(tǒng)的工作效率[11]。

根據(jù)溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的需求分析，數(shù)據(jù)庫表單主要有溫室環(huán)境信息表、設(shè)備控制記錄表、故障信息表、人員信息管理表、控制指令表等。數(shù)據(jù)庫表隨著系統(tǒng)的運(yùn)行和用戶的操作，會及時更新和記錄，是整個系統(tǒng)的信息化管理和遠(yuǎn)程監(jiān)控的重要核心與基礎(chǔ)。

4.3?遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件的開發(fā)

B/S結(jié)構(gòu)的應(yīng)用程序開發(fā)基于ASP.NET三層架構(gòu)技術(shù)，分為UI層（UIL）、業(yè)務(wù)邏輯層（BLL）和數(shù)據(jù)訪問層（DAL）。其結(jié)構(gòu)如圖9所示，UI層（UIL）主要采用“HTML+CSS+JavaScript”方式構(gòu)建前端交互界面，業(yè)務(wù)邏輯層（BLL）則連接UI層和數(shù)據(jù)訪問層，利用ADO.NET、AJAX、JQuery等技術(shù)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯，數(shù)據(jù)訪問層（DAL）則負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進(jìn)行增、刪、改、查，為業(yè)務(wù)邏輯層提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

5?系統(tǒng)測試

系統(tǒng)的測試主要是對通信進(jìn)行測試，即LoRa通訊和GPRS通信，最后再對B/S結(jié)構(gòu)的應(yīng)用程序進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)操作性測試。

5.1?LoRa通信測試

LoRa通信的良好是溫室信息采集和灌溉的重要保障，同時也為考慮節(jié)點(diǎn)分布距離，對LoRa模塊進(jìn)行通訊距離測試和丟包率測試。將2個節(jié)點(diǎn)由近到遠(yuǎn)每間隔500 m進(jìn)行定向傳輸測試，設(shè)置射頻中心頻率433 MHz，帶寬為125 kHz，串口波特率9 600 b/s、發(fā)射功率20 dBm，測試結(jié)果如表1所示。

5.2?GPRS通訊測試

為保障溫室硬件設(shè)備和云服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互，測試GPRS與云服務(wù)器的連接穩(wěn)定性。在云平臺服務(wù)器上開放端口號和IP白名單，GPRS模塊使用AT指令進(jìn)行連接，并定時發(fā)送數(shù)據(jù)，持續(xù)測試6 h，測試結(jié)果穩(wěn)定未掉線。

5.3?云平臺應(yīng)用程序測試

應(yīng)用程序測試主要對應(yīng)用邏輯層進(jìn)行測試，測試數(shù)據(jù)的交互是否良好。數(shù)據(jù)庫采用SQL Server數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用ADO.NET技術(shù)對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作，測試結(jié)果良好。

6?結(jié)語

該系統(tǒng)結(jié)合LoRa無線通訊技術(shù)、傳感器技術(shù)、云應(yīng)用技術(shù)以及Web開發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)溫室的遠(yuǎn)程監(jiān)測與灌溉，從下位節(jié)點(diǎn)到服務(wù)器應(yīng)用對系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

對系統(tǒng)進(jìn)行綜合測試，系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，造價低廉、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，硬件搭建容易、快捷，可在現(xiàn)有溫室大棚基礎(chǔ)上安裝，也可運(yùn)用于大田灌溉，遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件使用方便，有網(wǎng)即可使用，適用范圍廣，有利于我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)走向現(xiàn)代化的發(fā)展。

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