LoRa和模糊控制的大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院 趙曉軍 郝文娟 李 寒 莫益錠 張郁佳 季 桓

目前大多數(shù)農(nóng)業(yè)大棚采用有線傳輸和短距離無線通信的方式，對單一大棚進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測和設(shè)備控制，存在通信距離短，組網(wǎng)復(fù)雜，受網(wǎng)絡(luò)環(huán)境影響較大等問題。針對以上問題，設(shè)計并實現(xiàn)了一套基于LoRa和模糊控制的大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用LoRa進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，利用Wi-Fi或GPRS將數(shù)據(jù)上傳至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，通過Web和微信小程序?qū)崿F(xiàn)大棚內(nèi)各種參數(shù)的遠(yuǎn)程查看和控制。結(jié)果表明，該系統(tǒng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，自動調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)大棚的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。

我國南北地形和氣候差異明顯，對于農(nóng)作物的種植有著很大的限制。為了減少這些因素對農(nóng)作物生長產(chǎn)生的影響，使農(nóng)業(yè)種植不受地域和氣候等因素的限制，建立一種精準(zhǔn)化、智能化、普遍應(yīng)用的智慧農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)有著十分重要的意義。LoRa是一種將擴(kuò)頻和GFSK調(diào)制融合在一起的長距離、低功耗的數(shù)據(jù)通信技術(shù)，其工作頻段為0.137GHz-1.02GHz，傳輸速率從幾百bps可達(dá)幾十Kbps，在保證信息傳輸?shù)倪^程中功耗較低的前提下，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸距離。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)以STM32F103系列單片機(jī)為核心，通過溫度、濕度和光照傳感器對空氣環(huán)境和土壤環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，利用模糊PID調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)、卷簾機(jī)等工作，調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)，并將傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過LoRa模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。集中器通過GPRS或Wi-Fi模塊將數(shù)據(jù)上傳到阿里云平臺，并用MYSQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲，用戶通過網(wǎng)頁或者微信小程序?qū)Υ笈镞M(jìn)行環(huán)境的監(jiān)控。

1.1 環(huán)境采集節(jié)點設(shè)計

環(huán)境采集節(jié)點主要由傳感器、LoRa模塊、STM32F103和電源模塊等組成，用于實時獲取農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)，包括空氣溫度、空氣濕度、光照強度、土壤溫度、土壤濕度等參數(shù)，并完成數(shù)據(jù)上報。LoRa是一種將擴(kuò)頻和GFSK調(diào)制融合在一起的長距離、低功耗的數(shù)據(jù)通信技術(shù)，具有星型組網(wǎng)方式，傳輸速率從幾百bps可達(dá)幾十Kbps，在保證信息傳輸?shù)倪^程中功耗較低的前提下，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸距離。圖1所示為采集節(jié)點框圖。

圖1 采集節(jié)點框圖

1.2 集中器設(shè)計

集中器是LoRa網(wǎng)絡(luò)中最重要的部分，它的作用是將LoRa網(wǎng)絡(luò)中采集到的數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，是星型組網(wǎng)中的中心節(jié)點。集中器是由STM32F103C8T6單片機(jī)、LoRa模塊、WiFi模塊ESP8266和GPRS模塊等部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)傳輸通過LoRa模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總，Wi-Fi或GPRS模塊與阿里云物理網(wǎng)平臺進(jìn)行通信，在進(jìn)行設(shè)計時選用2個2P撥碼開關(guān)，其中一個撥碼開關(guān)進(jìn)行GPRS/Wi-Fi模式的選擇，另一個開關(guān)作為單片機(jī)程序的標(biāo)志位，通過波動開關(guān)實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)方式的切換。圖2所示為集中器框圖。

圖2 集中器框圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體軟件設(shè)計

軟件設(shè)計的主要流程為信息采集節(jié)點將采集的環(huán)境信息通過LoRa無線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點，然后將數(shù)據(jù)上傳至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，同時可以將數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)到MySQL數(shù)據(jù)庫中，通過上位機(jī)端的Web信息管理系統(tǒng)對大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行查看和管理。當(dāng)用戶對棚內(nèi)設(shè)備進(jìn)行控制時，數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點接收到上位機(jī)Web端發(fā)來的控制命令，然后將控制命令通過LoRa無線通信模塊傳輸至執(zhí)行設(shè)備控制箱，從而對大棚內(nèi)相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行控制。本系統(tǒng)軟件總體流程圖如圖3所示。

圖3 軟件總體流程圖

2.2 模糊PID控制

模糊PID控制利用一定的模糊規(guī)則，進(jìn)行大棚溫濕度調(diào)控，實現(xiàn)大棚環(huán)境自動化調(diào)節(jié)。模糊PID通過設(shè)定溫濕度參數(shù)，采集當(dāng)前的環(huán)境溫濕度，進(jìn)行比較，產(chǎn)生的偏差和偏差變化率通過模糊化處理得出KP、KI、KD，建立模糊控制表，通過PID控制器對執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行自動化控制去調(diào)節(jié)大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)。圖4所示為PID調(diào)節(jié)流程圖。

圖4 模糊PID控制框圖

對于溫濕度環(huán)境的自動調(diào)節(jié)，主要是根據(jù)用戶設(shè)定的上限和下限值，當(dāng)采集到當(dāng)前的溫濕度大于上限值或者小于下限值時，通過模糊控制，執(zhí)行設(shè)備自動進(jìn)行溫濕度調(diào)節(jié)，使溫濕度控制在用戶設(shè)定的范圍內(nèi)。圖5所示是溫度自動調(diào)控流程圖。

圖5 溫度自動調(diào)控流程圖

2.3 微信小程序

用微信開發(fā)者工具對微信小程序進(jìn)行開發(fā)，它具有模擬器、調(diào)試工具和小程序操作區(qū)三大功能，能夠看到真實的頁面結(jié)構(gòu)和對應(yīng)的wxss屬性，并快速找到組件對應(yīng)的wxml代碼。微信小程序具有跨平臺的優(yōu)勢，只用在微信中打開微信小程序就可以自動連接服務(wù)器，進(jìn)行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)，對大棚環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和控制。圖6所示是微信小程序界面。

圖6 微信小程序界面

2.4 Web開發(fā)

本文設(shè)計的基于B/S架構(gòu)的Web信息管理系統(tǒng)前端開發(fā)使用vue.js、ElementUI以及Echarts技術(shù)，后端開發(fā)使用SpringBoot和Mybatis-Plus框架，主要功能是獲取大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)等信息，及時的在界面中展示出來，可以通過控制指令對大棚內(nèi)設(shè)備進(jìn)行控制。用戶在完成登錄后便可以對系統(tǒng)進(jìn)行查看、管理以及控制。本系統(tǒng)設(shè)置數(shù)據(jù)每隔2min上傳一次。實時數(shù)據(jù)監(jiān)測如圖7所示。

圖7 實時數(shù)據(jù)查看界面

3 LoRa模塊RSSI測試

RSSI可以表示LoRa無線通信模塊在信號接收時信號的強弱。在對RSSI進(jìn)行測試時，可以使LoRa模塊進(jìn)入信號強度模式下進(jìn)行測試，RSSI的值越大，說明信號越穩(wěn)定。信號強度主要受環(huán)境遮擋和通信距離影響，本次測試選取兩種場景進(jìn)行測試，一種是遮擋較少的寬闊馬路，另一種是部分遮擋的地點，如圖8所示。

圖8 LoRa模塊功能測試地點

測試采用定向點對點傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行測試，將數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點固定，按預(yù)定距離移動采集節(jié)點，LoRa模塊信道設(shè)置為0x17（信道23，433MHz），發(fā)射功率設(shè)置為20dBm，程序設(shè)定每10s采集節(jié)點向數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點發(fā)送一次數(shù)據(jù)包進(jìn)行測試。測試結(jié)果如表1所示。

表1 RSSI測試結(jié)果

從表1測試結(jié)果可以看出，在兩種場景下，信號強度會受距離和環(huán)境的影響，遮擋較少的場景信號強度優(yōu)于有遮擋場景，測試結(jié)果與預(yù)期較為符合。

本文針對我國溫室大棚的發(fā)展現(xiàn)狀和智能化生產(chǎn)的需求，設(shè)計并實現(xiàn)了一套基于LoRa和模糊控制的大棚監(jiān)控系統(tǒng)，主要包括信息采集節(jié)點、數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點、執(zhí)行設(shè)備控制節(jié)點以及遠(yuǎn)程監(jiān)控終端，用戶可以通過Web、微信小程序?qū)崿F(xiàn)對棚內(nèi)環(huán)境信息的查看與執(zhí)行設(shè)備的控制。該系統(tǒng)集傳感采集、數(shù)據(jù)存儲、設(shè)備聯(lián)動于一體，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制，同時具有遠(yuǎn)距離智能化的控制方式和報警等功能，從而為農(nóng)作物健康生長提供有利的條件。