基于LoRa传输的农业大棚监测系统设计

DOI院10.19557/j.cnki.1001-9944.2019.05.006

基于LoRa传输的农业大棚监测系统设计康妍妍袁宋广军渊浙江海洋大学数理与信息学院袁舟山316000冤摘要院科学技术的提高将农业向智能化方向推进遥对于农业大棚监测系统的设计袁利用了传感器采集大棚里的温度尧湿度等数据袁通过下位机对其进行处理调控相应控制设备曰下位机通过LoRa技术将数据发送给主机袁实现低功耗尧长距离尧高稳定性传输遥主机可与多个下位机进行多机通信袁远程控制相应设备袁并通过GSM与用户手机进行双向的信息传输遥用户通过手机可以查看控制大棚内环境变化遥利用了LoRa远距离尧低功耗的无线通信特性袁较好地解决了传统人工监测而产生的偏差和疏漏袁使用户不必居住在大棚附近也可监测尧调整大棚环境袁改善大棚内农作物的生长环境遥关键词院监测系统曰农业大棚曰温湿度传感器曰LoRa曰多机通信曰远程控制中图分类号院TN925曰S126

文献标志码院A

文章编号院员园园员鄄怨怨源源渊圆园19冤05鄄园园23鄄园4

DesignofAgriculturalGreenhouseMonitoringSystemBasedonLoRaTransmissionKANGYan鄄yan袁SONGGuang鄄jun

渊CollegeofMathematicsandInformation袁ZhejiangOceanUniversity袁Zhoushan316000袁China冤Abstract院Theimprovementofscienceandtechnologywillpromoteagriculturetothedirectionofintelligence.Forthedesignofmonitoringsystemforagriculturalgreenhouse袁thetemperatureandhumiditydatainthegreenhousearecol鄄lectedbysensors袁andthecorrespondingcontrolequipmentisprocessedandregulatedbythelowercomputer.Theandhighstabilitytransmission.Thehostcancommunicatewithmultiplelowercomputersinmultiplemachinestore鄄lowercomputertransmitsdatatothehostthroughLoRatechnologytoachievelowpowerconsumption袁longdistancemotelycontrolthecorrespondingdevices袁andtransmitstwo鄄wayinformationthroughGSMandtheuser爷smobilephone.Theusercanviewandcontroltheenvironmentalchangesinthegreenhousethroughthemobilephone.Bywithoutlivingnearthegreenhouse袁andimprovethegrowthenvironmentofcropsinthegreenhouse.cation曰remotecontrolutilizingLoRa爷slong鄄distanceandlow鄄powerwirelesscommunicationcharacteristics袁thedeviationandomissioncausedbytraditionalmanualmonitoringcanbewellsolved袁sothatuserscanmonitorandadjustthegreenhouseenvironmentKeywords院monitoringsystem曰agriculturalgreenhouse曰temperatureandhumiditysensor曰LoRa曰multi鄄machinecommuni鄄目前袁市场中存在的农业监测系统的数据传输A485串口协议传输袁其优点在于稳定性强尧安全性

收稿日期院2019-01-28曰修订日期院2019-03-29

高袁但存在传输距离短尧造价高等缺点遥另一种是无线传输方式袁主要有蓝牙袁WiFi袁ZigBee袁等遥无线传输使得现场更加方便灵活袁但存在传输距离较短尧

方式有2种院一种是有线传输袁即通过RS232袁MX鄄

基金项目院浙江省自然科学基金项目渊LY16F020014冤曰国家科技部星火计划项目渊2015GA700041冤曰浙江省公益技术研究计

划项目渊LGG19F020006冤

作者简介院康妍妍渊1996要冤袁女袁在读硕士研究生袁研究方向为农业信息化曰宋广军渊1963要冤袁男袁博士袁教授袁研究方向为物联网技术尧网络安全尧智能控制遥圆园19,34穴5雪

23控制系统与智能制造

信号不稳定尧功耗大等缺点遥在此所设计的农业大棚radio监测冤扩系统频技术袁基于来实现长距数据离无通信线电袁传LoRa输距渊离long远袁range力强袁抗干扰能力高袁采用的窄带传输袁传输功率穿透

密度大袁使传输距离大大增加遥

农业大棚监测系统可分阶段完成农业大棚作业的智能化袁主要用于帮助用户科学管理农业大棚遥在大棚较密闭的空间内袁人为控制该空间内的温度尧湿度袁使农作物在最优环境内生长袁减少涝旱尧病虫等自然灾害的影响袁采用自动采集监控方式解决传统人工监测所产生的偏差和疏漏的问题袁实现大规模生产袁同时改善用户居住环境袁用户不必居住在大棚附近袁可远程调控大棚环境袁以最少的成本获取最大利益袁使人力尧物力得到合理分配袁有利于农业信息化的可持续发展遥

1系统的总体设计随着农业信息化的发展袁物联网成为新一代农

业信息技术的重要组成部分遥物联网通过各种信息传感设备袁实时采集任何需要监控尧连接尧互动的物体或过程等各种需要的信息袁基于互联网形成的一个巨大网络袁使用户端延伸并扩展到任何物品与物品之间遥物与物进行信息交换和通信袁实现万物相连[1]搭建大棚内环境监控网络袁以LoRa技术为基础遥

袁

把各个监控器件连接入网络形成传输距离远尧功耗低尧稳定性强的监控系统框架遥传感器采集大棚内环境信息袁经过子节点微处理器进行处理袁然后发送到主节点袁主节点对数据进行存储尧处理袁用户可通过手机进行查询遥该系统可在子节点和主节点处袁对大棚内控制器件进行手动调控袁也可以通过手机控制各组成部件袁形成环境数据采集及控制系统遥农业大棚温湿度监控系统设计总体框图如图1所示遥

子节点

主节点传感器

加热SIM900A用户端

开窗处理器

处理器

滴灌

无线通无线通信模块

信模块

图1农业大棚温湿度监控系统设计总体框图Fig.1Overallblockdiagramofagriculturalgreenhousemonitoringsystem242系统的硬件设计2.1.1

2.1无AS32AS32线通鄄TTL鄄信

TTL鄄1W鄄1W为一模块

传输模块遥该模块采用款SX1278高稳定主性芯袁工片业袁LoRa级的无扩频线

传输袁可以实现更远距离通信[2]如图2所示遥该模块具有4种工遥AS32作模式鄄TTL袁一鄄1W般模实物

式尧唤醒模式尧省电模式尧休眠模式遥通过MD1袁MD2实现在运行时自由切换遥模块通过定点传输实现组网尧中继等多种功能遥

图2AS32鄄TTL鄄1W实物Fig.2AS32鄄TTL鄄1Wphysicalobject启动无1冤线一发般模射袁式然后该等模待式3需B要时先间袁发如送果32无数据B数据继续

包

输入则认为数据终止袁模块会启动无线发射将所有数据包发出[3]电平检测遥通遥过数据一般模是否式发发出出可由的数据AUX包端袁只口的能高由低处于一般模式和唤醒模式的接收模块接收遥模块的无线接收功能会一直打开袁可以接收来自一般模式和唤醒模条件2与冤式模发AUX块出唤醒的数据功能模均式

包遥

等同该于一模式般模启动式数据袁不包同发之射处的

在于院模块会根据用户参数设定的唤醒时间袁在每个数据包前自动添加不同长度的唤醒码遥唤醒码是用于唤醒工作在省电模式的接收模块遥所以袁唤醒模式发射的数据可以被一般模式尧唤醒模式尧省电模式收到无法3接冤遥

省收来电模自式外部模MCU块处的于串口休眠数据状态袁袁串口所以被该关模闭式袁

不具备无线发射功能遥在省电模式下袁要求发射方

必须工作在唤醒模式遥无线模块定时监听唤醒码袁一旦收到有效的唤醒码袁模块将持续处于接收状态AUX袁并的无线数据输等出低待整个通电过平有TXD袁效并数据延包接收完毕遥然后袁模块将发迟出2袁ms然后后袁将打AUX开串口输将出收高电

到

粤怎贼燥皂葬贼蚤燥灶驭陨灶泽贼则怎皂藻灶贼葬贼蚤燥灶

圆园19,34穴5雪

平遥无4主冤线休眠模块机在模继发式

续进送数据该入模野头式休眠需无要法鄄监加发听上送冶从接的工机收的目无作线数据状态[4]遥

标地遥

址实现定点传输袁从机发送透明数据仅主机可以接收遥为降低功耗袁从机发送数据时加上唤醒码和主机处接受模块地址信道袁唤醒主机处的接受模块接受数据2.1.2

遥无SIM900A线数据传输电模块

路SIM900A模块5V供电袁可

直接与3.3V或5V单片机相连遥硬件连接完成后可通过串口发送AT指令袁支持短信尧彩信尧上网等袁具有远程复位和DTMF功能袁可实现现场无人远程复位与遥控遥另外袁模块有待机尧休眠2种状态袁可低功10mA耗传输数据袁待机时电流约80mA袁休眠时约该遥

系统设计中主机不会主动向用户端发送信

息袁但可以接受尧处理从机传输过来的数据遥只有用户端向主机发送相应指令时袁主机才会把对应信息发送给用户端遥用户端发送指令模式为8位数据码袁主机向用户端发送数据也是8位袁具体见表1遥

表1数据格式Tab.1Dataformat机位功能码温度湿度01x03060表中袁机位为待查询的从机编码曰功能码的低位规定必须为0袁功能码功能见表2遥

表2对应功能码功能Tab.2Functionsofcorrespondingfunctioncodes代00码代10查询指具体功能

50码20查询令格分式和功能码60开关启具闭对应体功能对应从机加热3070设从机加热

40开查询分机机数量温尧湿度关启用闭对应对应从户端从机向机滴滴灌主灌80机发送要设置置温湿度度例如袁野012000要00冶袁表示

用户要求查看从机1的温度尧湿度遥主机会对从机发过来的数据进行处理袁然后向用户端发送当前从机1的温度和湿度为野01002030冶袁而用户看到的为温度值20和湿度值30遥2.2电源模块

对传感器尧控制器持续供电是保证各节点正常工作的关键遥在大棚内采用埋线法对各器件供电袁不仅降低灵活度袁还存在安全隐患袁电路维修也存在困难遥

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控制系统与智能制造

该设计采用由太阳能电池板尧充电锂电池尧充电管理电路尧稳压电路等组成的供电系统袁如图3所示遥太阳能板通过充电电路向锂电池充电袁锂电池通过稳压电路向耗电设施提供电量遥使设备自给自足解决电源问题遥系统各节点可灵活放置袁节省人力物力遥

太阳能电池板3V袁900mA电压转换器3耀5V电压转换器5V输出

耗电设备

图3供电系统Fig.3Powersupplysystem3系统的软件设计农业大棚监测系统的子节点主要用于采集尧控

制大棚内的温湿度等信息遥子节点处微处理器对信息进行处理后将数据发送至主节点遥同时袁子节点处微处理器也会根据主节点传回的信息袁控制相关设备改变大棚内的温尧湿度等环境参数遥如果用户在大棚内袁也可以通过子节点处的按键控制相关设备来改变大棚内温尧湿度等环境参数遥

该系统的程序流程如图4所示遥子节点处微处理器先对程序进行初始化处理袁判断是否有中断请求袁如果有则程序会在正在执行的地方形成断点袁去执行中断袁开启与主机的通信遥如果主机发出了传输数据的请求袁从机会把采集到的大棚内的温尧湿度等数据发送到主机曰如果从机收到由用户端发送到主机再由主机发送给从机的加热指令袁从机会控制加热器打开袁使其加热至指定温度袁达到指定温度后加热器关闭曰如果从机收到增加湿度的指令袁从机会控制水泵打开并开始滴灌袁当达到指定湿度时水泵关闭停止滴灌遥当中断处理完成时袁程序会再次回到断点处执行当初未完成的程序遥

如果没有中断请求袁从机会对大棚内温尧湿度等进行采集处理遥

主节点可以与从机进行通信袁可以与用户端进行通信遥它是从机与用户端的中转站袁实现信息的远距离传输袁从机采集信息发送给主机袁再由主机发送到用户端曰用户要查询大棚内的情况袁先向主机发送指令袁再有主机将指令发送给从机进行控制遥

25控制系统与智能制造

开始初始化

Y开始初始化

发送数据到总机

NN用户端发送查看指令钥Y查看子节点在线数量

用户端查询温湿度钥传输数据到用户端

YNN有中断请求钥N温度检测

开启通信

收到修改温度命令钥Y收到修改湿度命令钥Y开始滴灌

湿度检测

打开加热器

N达到指定温度钥Y达到指定湿度钥YN关闭加热器

结束通信

停止滴灌

用户更改数据钥Y发送更改指令给主机

渊a冤子节点程序流程渊b冤主节点程序流程

图4系统程序流程Fig.4Systemprogramflowchart用户端发送的指令主要有院查看指令要要要了解哪些从机在工作曰查询温湿度指令要要要当发送该指令时从机会将大棚内温尧湿度等数据发送过来曰更改指令要要要执行该指令发出时从机会根据指令内容进行控制袁使大棚内的加热器或水泵工作遥

由图4b可见袁主节点微处理器判断用户端是否向其发送查看指令袁如果发送指令则先查看哪些从机处于工作状态袁然后判断是否需要发送温湿度数据袁根据发送过来的数据再判断是否需要更改大棚内的温度和湿度遥

温湿度等袁并将检测数据进行处理通过LoRa技术发送到主机袁主机通过SIM900A以短信方式最终发送到用户端渊如手机冤曰手机与主机双向通信袁手机发送指令改变环境参数袁也可以发送指令在第一时间了解大棚内部的实际状况遥通过对信息的及时处理袁最终使大棚内作物产量增加袁解放人工劳动力袁实现农业自动化监控遥

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