基于LoRa 的农田信息采集系统的设计与实现

2020-11-30戚伟佳

科学技术创新 2020年34期

戚伟佳

（吉林省电子信息产品检验研究院，吉林长春130021）

随着我国科学技术水平的不断提高，各种先进技术被引入农业生产，农产品质量及生产效率均得到显著提升[1]。以往采集种植环境温湿度等信息多由人工完成，大量耗费时间及人力物力，获取相关信息也缺乏实时性与可靠性，应用有效手段，设计一款能准确采集种植环境信息的信息采集系统，对农业生产工作的顺利开展能发挥重要作用。本次研究将LoRa 技术作为基础，设计一款农田信息采集系统。

1 概述

LoRa 技术是一种1GHz 以下低功耗、超长距的新型无线通信技术，可在全球免费频段高效运行，相比其他技术，LoRa 技术有效解决了低功率和长距离不可兼顾的问题，其将基于线性调频信号的扩频技术、数字信号处理技术及向前纠错编码技术有机融合，链路预算高达157dB，普通环境下通信距离能达到15km 以上，空旷环境下通信距离很更远[2]。接收灵敏度方面，LoRa 技术可达到-148dbm，为网络连接可靠性提供保障。此外，LoRa 技术基础设施成本较小，使用网间连接器/集中器扩展系统容量，建设与部署更加容易；LoRa 技术接收电流为10mA，休眠状态下电流可低于200nA，进而可一定程度地延长电池寿命，一般情况下电池寿命可达10 年以上；LoRa 技术运行频段属于非授权频段，节点与终端的成本也相对较低，进而能有效降低LoRa 建设成本[3]。为研发出一种既能应用于物联网，又能使用低比特率进行长距离通讯的无线网络，LoRa 联盟董事会成员中兴通讯与其他成员，基于LoRa 技术一同推出LoRaWAN，LoRaWAN 属于一种低功耗广域网规范，相比当今较为常见的网状结构，LoRaWAN 将传统星形结构作为网络架构，进行长距离连接过程中，终端节点与网间连接器能够直接进行信息交互，既可降低网络复杂性，还能减少能量损耗，从而延长电池寿命。

2 系统组成与功能

本次研究计划在温室大棚不同位置放置温湿度传感器节点，以便可快速采集到温室大棚内各位置温湿度信息，并能将相关信息及时上传到汇聚节点。本次研究设计的农田信息采集系统由采集节点、汇聚节点、服务器及监控端四部分组成。在基于LoRa 的农田信息采集系统中，LoRa 技术可采取多对一方式，帮助采集节点与汇聚节点间形成LoRa 网络，在采集节点获取到温室大棚内环境温湿度信息后，则能通过LoRa 网络将信息传递给汇聚节点。作为连接采集节点和服务器的桥梁，汇聚节点既能实现与采集节点的有效通信，对传感器信息进行全面收集，还能与服务器达成通信关系，在有效或无线网络条件下将信息传输给服务器。服务器在接收到相关信息后，可对其进行系统性分析，分析完成后信息则可被传输至监控器，以便于管理员充分了解温室大棚内环境温湿度状况。

3 LoRa 网络组成与实现

将LoRaWAN 拓扑结构作为参考标准，选用星形拓扑作为采集节点和汇聚节点间LoRa 网络的拓扑结构，相比其他拓扑结构，星形拓扑结构具有结构简单、传输时间延迟小、功耗低等特点，当采集节点数量较多时，星形拓扑结构还能将采集节点行分区域管理，并对处于不同区域的采集节点使用不同频段，进而降低采集节点之间出现的信号干扰。

本次研究设计的农田信息采集系统中LoRa 通信模块属于无线数传模块，由微控制器控制sx1278 芯片组成，可实现多对一星形网络通信结构的建立。处于同一网络环境时，中心模块可通过地址呼叫节点模块和地址匹配节点模块，并在接收到信息后立即给予答复，同时各个节点之间并不会产生干扰，可见这种应用场景对于低功耗无线采集具有极高适用性。LoRa 网络以汇聚节点为主、采集节点为从的主从关系作为主要通信方式，采集节点接收到汇聚节点发出的指令信息后，能对指令信息进行解析，并做出相应操作，当采集节点未收到操作指令时，其便会以默认设置执行操作。

LoRa 网络节点通过选择空中唤醒作为监听网络的主要方式，利用这种方式，也可确保网络监听能够在休眠模式与信道活动检测模式下进行有规律的周期性切换，休眠模式下保持休眠状态，信道活动检测模式下保持网络监听状态，以达到降低功耗的效果，但在发送信息数据时，一定要在有效信息数据前增加一段超过1 个休眠模式周期的前导码，以确保信息数据能被有效接收。LoRa 网络节点在信道活动检测模式下对信号进行实时监听，如果并未监听到信号，直接进入休眠模式并等待下一次唤醒；如果监听到信号，立即转入判断信号的工作模式。信号判断工作模式下，会对监听到的信号进行判断，如果信号发送目标为自己，直接进入常规数据接收模式，实现自己与信号源的信息交互，并会延长工作模式保持时间，以便于信息传输；如果信号发送目标并非自己，直接进入休眠状态，并会延长休眠周期。

当LoRa 网络节点被唤醒时，会立即转入信道活动检测模式进行信号监听，如果信号发送目标为自己，则会延长工作时间；如果信号发送目标不是自己，则会延长休眠时间。

4 系统硬件组成

基于LoRa 农田信息采集系统硬件设计主要由采集节点和汇聚节点组成，微控制单元主控芯片选用STM32F103VET6，属于以ARM32 位cortex-M3 架构为基础的微处理器，集成512kb闪存与64kb 静态随机存取存储器，保证采集节点与汇聚节点拥有充足空间，工作频率可达到72MHz 以上。构成LoRa 模块的sx1278 芯片属于低功耗半双工远距离发射器，内设LoRa 远程调制解调器，可保证远距离、低功耗扩频通信的实现，并具有较强的抗干扰性。

采集节点结构主要由LoRa 模块、DHT11 传感器、电源模块及JTAG 接口组成，见图1。采集节点接收到汇聚节点发出的指令后，可根据指令信息对温室大棚环境温湿度进行采集，随后借助LoRa 模块将采集信息发出；采集节点上配置DHT11 温湿度符合传感器，此传感器具有已校准数字信号输出功能，同时具有体积小、易操作、功耗低、稳定性高等特点；电源模块负责采集节点供电；JTAG 接口主要负责仿真与调试程序。

图1 采集节点结构图

汇聚节点结构主要由LoRa 模块、RS232 接口、电源模块、JTAG 接口及WIFI 模块组成，见图2。待各采集节点发出采集信息后，汇聚节点会对采集节点传感器获取的温室大棚环境温湿度信息进行有效采集，同时对所有采集信息进行系统性分析，并上传至服务器，在整个汇聚节点中起承上启下作用；RS232 接口主要负责连接汇聚节点与PC，可使管理员通过串口调试工具对指令数据信息进行查看；WIFI 模块承担汇聚节点与服务器的连接；电源模块与JTAG 接口作用与采集节点相同。

5 系统软件设计

5.1 指令数据帧格式

服务器下达指令至汇聚节点，汇聚节点再对获取指令进行解析处理，随后将解析后指令传递至采集节点。ID 码是采集节点ID 地址，汇聚节点可找到ID 地址找到各个采集节点，并向指定采集节点发出命令，同时汇聚节点收到采集节点返回的温湿度信息时，也能检测到由哪个采集节点发出。结束码则为一帧的结束，通常用0x0D 和0x0A 表示。

表1 采集节点和汇聚节点之间的数据帧格式

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5.2 采集节点

采集节点以采集、上传温湿度信息和接收汇聚节点下达指令为主要工作内容。采集节点上电完毕后，首先进行软硬件初始化，对相关参数与变量进行初值设置，并分配内存，随后按照“LoRa 网络中断请求”→“是否符合指令规范”→“解析指令并行参数设置”→“收集温湿度信息”→“通过LoRa 上传信息至汇聚节点”这一流程进行周期性工作。如果在此期间接收到LoRa 网络中断指令，则会重新解析指令和设置采集间隔。

5.3 汇聚节点

汇聚节点以接收服务器下达指令、向采集节点下达指令和接收采集节点返回温湿度信息并发送至服务器为主要工作内容。LoRa 网络连接采集节点与汇聚节点，WIFI 连接汇聚节点与服务器，通信则通过TCP/IP 网络通信协议和Socket 编程来实现。汇聚节点上电完毕后同样进行软硬件初始化、相关参数和变量的初值设置及内存分配，随后按照“等待中断”→“有中断请求”→“WIFI 中断请求”→“解析指令并执行操作”这一流程进行周期性工作。如果在此期间WIFI 中断请求失败，则需对LoRa网络上传的数据进行收集，再进行数据解析后通过WIFI 上传。