基于LoRa的農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

束仁冬，孟令啟，李 進(jìn)，岳 朗

（安徽科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 鳳陽 233100）

隨著科技的發(fā)展，智能化控制也在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域迅速延伸，但由于大棚面積范圍廣、控制系統(tǒng)價(jià)格昂貴、農(nóng)民知識(shí)水平普遍不高等原因，農(nóng)業(yè)大棚的智能控制系統(tǒng)始終無法普及。國內(nèi)大部分農(nóng)業(yè)大棚都是塑料薄膜大棚，絕大部分也都依靠人工控制，少數(shù)機(jī)械控制也少不了人為干預(yù)，包括人工澆灌、人工施肥、人工卷簾降溫等。因此，對(duì)智慧農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有重要的意義。

經(jīng)過專家的不斷探究，國內(nèi)的大棚控制也有了長足的進(jìn)步，李明等人提出了一種溫室表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)提高大棚的溫度控制性能；陳曉寧[1]等人提出了一種將GPRS和射頻技術(shù)結(jié)合的大棚控制策略；吳久江[2]等人提出了一種將AT（農(nóng)業(yè)技術(shù)）、IT（信息技術(shù)）和DT（數(shù)據(jù)庫技術(shù)）相結(jié)合的種植管理系統(tǒng)提高了經(jīng)濟(jì)效益；朱德海[3]等人提出了基于GEE（谷歌地球引擎）云平臺(tái)的大棚動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)。

針對(duì)農(nóng)業(yè)大棚的環(huán)境變化的控制，結(jié)合LoRa無線通信技術(shù)[4]和STM32微控制器[5]的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款實(shí)現(xiàn)低功耗，傳輸距離遠(yuǎn)、成本低和操作方便的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，可以同時(shí)對(duì)大棚內(nèi)溫度、濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度等環(huán)境因子進(jìn)行在線監(jiān)控。

1 大棚控制系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本論文下的農(nóng)業(yè)大棚智能控制系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、主控制模塊、數(shù)據(jù)管理平臺(tái)4個(gè)模塊，見圖1。在大棚環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊中，分別使用溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器和光照強(qiáng)度傳感器等分別對(duì)溫度、濕度、CO2濃度和光照強(qiáng)度等環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。各傳感器將采集的數(shù)據(jù)由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)（A/D轉(zhuǎn)換），輸送至STM32微控制器，再由RS485總線[6]傳送至節(jié)點(diǎn)LoRa DTU，通過Lo-Ra技術(shù)將信號(hào)通過各模塊傳輸至上位機(jī)界面和手機(jī)app并進(jìn)行儲(chǔ)存。微控制器接受控制信號(hào)后通過繼電器對(duì)各設(shè)備進(jìn)行控制。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 The control system structure diagram

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 采集模塊

大棚實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集傳感器包括對(duì)溫度、濕度，CO2濃度、光照強(qiáng)度等環(huán)境關(guān)鍵因子監(jiān)測(cè)的3個(gè)傳感器，溫度感器的型號(hào)為SSE220型，量程為-20℃～120℃，精度為0.2℃；溫度感器的型號(hào)為SSG1001型，量程為0～5 000 ppm，精度為30 ppm；溫度感器的型號(hào)為KM21M60型，量程為0～65 535 Lux，精度為±5%（25℃）。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊

在數(shù)據(jù)采集端，各傳感器數(shù)據(jù)采集后均通過RS485總線進(jìn)行有線通訊，RS485總線通訊最大傳輸速率可達(dá)10 Mb/s；內(nèi)部結(jié)構(gòu)采取平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器組合，抗干擾能力也會(huì)大大地增加；傳輸距離更是可以達(dá)到1 200 m，傳輸速率和距離成反比，但足以應(yīng)對(duì)大棚傳感器的數(shù)據(jù)傳輸；同一總線可以同時(shí)連接多個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器，也就可以對(duì)多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送。

近年來，較先進(jìn)且常用的無線通信技術(shù)中，遠(yuǎn)距離的無線通信技術(shù)包括GPRS、LoRa、NB-LOT等，近距離的無線通信技術(shù)包括Zigbee[7]、Wi Fi、藍(lán)牙等見表1，表1中對(duì)各數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。綜合各種通信技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)，本系統(tǒng)采用LoRa技術(shù)進(jìn)行傳輸。大棚監(jiān)控系統(tǒng)的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，相比于其他結(jié)構(gòu)，星型結(jié)構(gòu)更加便捷，且故障診斷和隔離容易。

2.3 主控模塊設(shè)計(jì)

STM32F103C8T6是使用高性能ARM32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，包括豐富的I/O端口、連接到2條APB總線的外設(shè)等，供電電壓為2.0～3.6V。

對(duì)于繼電器模塊，主要用于220V交流電的開關(guān)、并包含電氣隔離和擴(kuò)展多個(gè)繼電器，防止電路回流對(duì)微處理器的損害，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)、電燈、水泵等開關(guān)控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)

針對(duì)系統(tǒng)的功能以及對(duì)應(yīng)采用的STM32F103C8T6微控制器，進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)，該軟件設(shè)計(jì)以C語言為基礎(chǔ)，主控制系統(tǒng)的軟及設(shè)計(jì)流程見圖2。定義控制系統(tǒng)3個(gè)模式為待機(jī)模式、自動(dòng)控制模式、遠(yuǎn)程控制模式。待機(jī)模式：控制系統(tǒng)不執(zhí)行工作，各系統(tǒng)處于低電平待機(jī)狀態(tài)；自動(dòng)控制模式：控制系統(tǒng)以設(shè)定的閾值要求對(duì)大棚環(huán)境進(jìn)行調(diào)控，無需人工操作；遠(yuǎn)程控制模式：根據(jù)作物的種類和不同的生長周期，人為操作系統(tǒng)發(fā)送控制指令切換生長模式，或手動(dòng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行一定動(dòng)作。以溫度為例，溫度控制系統(tǒng)流程圖見圖3。

表1 無線通信技術(shù)之間對(duì)比分析Tab.1 The comparative of wireless communication technologies

圖2 主控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程Fig.2 The software design flow chart of main control system

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

為了驗(yàn)證LoRa無線通信技術(shù)在大棚內(nèi)外和周圍復(fù)雜環(huán)境中傳輸能力，對(duì)型型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的LoRa數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x和丟包率進(jìn)行測(cè)試，設(shè)置LoRa節(jié)點(diǎn)每5 s發(fā)送1次數(shù)據(jù)，每次3個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送200個(gè)數(shù)據(jù)包，再增加節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)之間的距離，再次發(fā)送數(shù)據(jù)。通信測(cè)試的結(jié)果見表2。

圖3 溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程Fig.3 The software design flow chart of temperature control system

表2 LoRa數(shù)據(jù)通信測(cè)試Tab.2 LoRa data communication test

由表2中數(shù)據(jù)得出LoRa無線通信技術(shù)在農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境中的傳輸效率較高，在超過約2 000 m后丟包率才開始逐漸上升，可見LoRa技術(shù)適合用于農(nóng)業(yè)大棚領(lǐng)域。

5 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

由于本系統(tǒng)策略采用自動(dòng)控制方式，不考慮人工操作控制時(shí)，將程序燒入單片機(jī)后對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)情況見圖4。

圖4 環(huán)境監(jiān)測(cè)界面及統(tǒng)計(jì)Fig.4 The environmental monitoring interface and statistics

6 結(jié)語

目前，我國農(nóng)業(yè)大棚主流仍為半機(jī)械化控制，但該控制存在控制效率低、浪費(fèi)人力等因素，本文提出的控制系統(tǒng)具有信息采集精準(zhǔn)、效率高、節(jié)省人力、成本低等特點(diǎn)，立足農(nóng)業(yè)大棚的時(shí)間情況，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、LoRa無線技術(shù)和STM32單片機(jī)控制，系統(tǒng)地完成了對(duì)大棚環(huán)境的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)業(yè)大棚的高效化管理，間接提升了農(nóng)業(yè)大棚作物的產(chǎn)量，減輕農(nóng)業(yè)人員的負(fù)擔(dān)。