基于LoRa的養(yǎng)豬場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張玲玉 ，卿晶晶

（長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，集約化智能養(yǎng)殖已經(jīng)成為當(dāng)前生豬供應(yīng)的普遍養(yǎng)殖方式，將生豬集中養(yǎng)殖在一起，利用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)生豬進(jìn)行統(tǒng)一管理，對(duì)生豬生長(zhǎng)環(huán)境的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。物聯(lián)網(wǎng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層構(gòu)成，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層常用的通信技術(shù)有藍(lán)牙、Wi-Fi、ZigBee、LoRa和NBIoT等[1-3]。在這些通信技術(shù)中，藍(lán)牙通信距離只有10 m，ZigBee和Wi-Fi的覆蓋范圍在200 m左右，且工作在2.4 G頻段，信號(hào)的穿透能力較弱，NB-IoT通信覆蓋范圍廣，能滿足養(yǎng)豬場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求，但是NB-IoT工作在1 G以下的付費(fèi)頻段，且依賴運(yùn)營(yíng)商的基站網(wǎng)絡(luò)，而LoRa工作在ISM免授權(quán)頻段，不依賴運(yùn)營(yíng)商，可靈活自建網(wǎng)絡(luò)[4]。為了更有效監(jiān)測(cè)養(yǎng)豬場(chǎng)環(huán)境，本研究組建覆蓋全養(yǎng)豬場(chǎng)的LoRa無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，以STM32單片機(jī)為基礎(chǔ)開發(fā)用于CO2濃度、NH3濃度、溫濕度等信號(hào)采集、發(fā)送和接收的模塊。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

CO2濃度、NH3濃度、溫濕度對(duì)生豬的健康生長(zhǎng)至關(guān)重要，養(yǎng)豬場(chǎng)的環(huán)境需以這三個(gè)信號(hào)或者更多其他信號(hào)作為參考基準(zhǔn)，即傳感器節(jié)點(diǎn)采集到環(huán)境數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理，并傳輸出去。LoRa有低功耗、廣覆蓋、遠(yuǎn)距離、低成本等特點(diǎn)[5-6]，因此系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸選擇LoRa無(wú)線通信技術(shù)，基于LoRa的生豬養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖如圖1所示，由LoRa終端節(jié)點(diǎn)、LoRa網(wǎng)關(guān)、手機(jī)App等部分組成。

圖1 基于LoRa的生豬養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

針對(duì)養(yǎng)豬場(chǎng)需要監(jiān)測(cè)的位置，將養(yǎng)豬場(chǎng)分成若干個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域部署一個(gè)網(wǎng)關(guān)和若干個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將該節(jié)點(diǎn)采集到的CO2濃度、NH3濃度、溫濕度借助LoRa無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到其對(duì)應(yīng)的網(wǎng)關(guān)，LoRa網(wǎng)關(guān)將接收到的信號(hào)上傳到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，監(jiān)控App從物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)，App用戶可以根據(jù)獲取到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)評(píng)估養(yǎng)豬場(chǎng)環(huán)境，做到集中高效管理、健康智能化養(yǎng)殖。

2 LoRa節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

圖1的系統(tǒng)框圖的LoRa節(jié)點(diǎn)分終端節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)匯聚節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)并將其發(fā)送出去，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收從終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)送到云平臺(tái)，數(shù)據(jù)監(jiān)控中心從云平臺(tái)實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)，進(jìn)行養(yǎng)豬場(chǎng)環(huán)境的綜合判斷。

LoRa終端節(jié)點(diǎn)主要由單片機(jī)處理芯片STM32F103VET6、時(shí)鐘、供電電源、復(fù)位、JTAG接口、LoRa組成，外接DHT11采集溫濕度數(shù)據(jù)，接GS-Y系列CO2濃度傳感器采集CO2濃度，接NH3濃度傳感器MQ137采集NH3的濃度。LoRa終端節(jié)點(diǎn)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 LoRa終端節(jié)點(diǎn)基本結(jié)構(gòu)

LoRa終端節(jié)點(diǎn)中STM32F103VET6是意法半導(dǎo)體公司出品的32位的基礎(chǔ)型微控制器，外設(shè)資源多，功耗最低為1.9 μA。CO2濃度測(cè)量采用紅外CO2氣體傳感器GS-Y5，工作平均電流約5.5 mA，分辨率1 ppm，測(cè)量范圍400 ppm~10 000 ppm，精度±（50 ppm+5%讀數(shù)），最大響應(yīng)時(shí)間2 min。NH3濃度的測(cè)量采用傳感器MQ137，使用壽命長(zhǎng)，成本低，對(duì)NH3的靈敏度較高，檢測(cè)范圍5 ppm~500 ppm，加熱功耗≤900 mW。溫濕度傳感器采用DHT11，溫度測(cè)量范圍0 ℃~50 ℃，測(cè)量誤差±2 ℃，濕度測(cè)量范圍20%~95%，測(cè)量誤差±5%，工作電壓3.3 V~5.5 V。LoRa無(wú)線模塊選擇SX1278，采用調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)，其工作在420 MHz~450 MHz頻段，發(fā)射功率為100 mW，最大發(fā)射功率20 dBm，支持多種調(diào)制模式，F(xiàn)IFO容量大，支持256 Byte數(shù)據(jù)緩存，接收靈敏度-148 dBm，SPI通信接口，可與STM32F103VET6直接連接[7-8]。

LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收來(lái)自終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的溫濕度、CO2濃度、NH3濃度等環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過(guò)GPRS或者以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳到運(yùn)營(yíng)商云平臺(tái)。LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)一樣單片機(jī)處理芯片用的STM32F103VET6，LoRa模塊用SX1278，STM32F103VET6與SX1278通過(guò)SPI通信[9-10]。

3 LoRa通信程序設(shè)計(jì)

LoRa終端節(jié)點(diǎn)每隔固定時(shí)間向LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送養(yǎng)豬場(chǎng)的環(huán)境數(shù)據(jù)，與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通信的請(qǐng)求幀設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 請(qǐng)求命令結(jié)構(gòu)

LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收到終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)后將其轉(zhuǎn)發(fā)到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收到終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的響應(yīng)幀設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 響應(yīng)命令結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，集約化健康養(yǎng)殖已經(jīng)成為當(dāng)今較為普遍的養(yǎng)殖方式，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入生豬養(yǎng)殖的日常管理工作，LoRa終端節(jié)點(diǎn)采集并發(fā)送數(shù)據(jù)到LoRa網(wǎng)關(guān)，LoRa網(wǎng)關(guān)收到數(shù)據(jù)后將其發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，數(shù)據(jù)管理中心即手機(jī)App從云平臺(tái)獲取養(yǎng)豬場(chǎng)各位置的數(shù)據(jù)，養(yǎng)殖人員能精準(zhǔn)地掌握生豬所處的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)。當(dāng)溫濕度、CO2濃度、NH3濃度等環(huán)境參數(shù)超過(guò)理想的閾值時(shí)，豬場(chǎng)管理人員能及時(shí)采取干預(yù)措施，保證生豬健康成長(zhǎng)的同時(shí)實(shí)施高產(chǎn)量養(yǎng)殖。