基于LoRa的智能大棚控制系统设计

霍春光，刘 影，代 巍

（辽宁工程技术大学 电子与信息工程学院，辽宁 葫芦岛 125000）

0 引 言

随着时代的迈进，计算机、网络通信、大数据和自动控制技术的全面发展，打破了传统的工农业工作方式，科学技术已经深入了民族工农业[1]。就农业大棚而言，在我国大棚温室控制系统存在的主要问题：

（1）总体来讲，科技水平和总体发展状况不平衡，与发达国家相差较大。而且我国在智能农业方面的研究相对发达国家较晚、基础薄弱，从生产设施装备不完整，技术较低，生产也不规范，难以形成大规模生产制造，而农业发达国家多为自动化群控制，从而便产生了差距。

（2）在我国现有的大棚温室内环境控制系统每个系统都是点对点相互独立的，几乎没有群控制系统，这样不仅会浪费大量的资金与财务，而且降低了用户的管理效率。

（3）在大棚温室测控系统中，很多通信通信系统还是有线方式。在我国大棚控制通信系统主要有RS 485总线、RS 232总线以及CAN总线等[2]。有线通信会让室内的排线错综复杂，各线之间产生的电磁干扰较多、发热较大，整体功耗提升，并且容易损坏，后期的维护成本高，不能真正意义上达到农业工业化、自动化的水平。

（4）即使有无线传输系统，系统多采用WiFi、蓝牙、ZigBee等，这些系统容易受干扰，适用范围很差[3]。WiFi功耗高，传输距离较短，抗干扰较弱，蓝牙相对功耗低但是传输距离更短，ZigBee功耗虽然低，数据量极小，且极易受干扰，局限性太大，无法适应太多的复杂环境检测控制（强干扰地区）[4]。

为此，本文设计了一种基于LoRa的智能大棚控制系统。该系统可以监测并控制室内环境的温湿度信息，利用LoRa节点传输至网关再通过GPRS将数据上传至云平台，管理人员通过云端网页或网关实时监测并且远程控制各项数据指标，如果数据异常系统则会向管理人员发送报警短信，并且采取相应的措施调整环境。针对停电的情况，系统中加入了断电记忆功能。在设备突然断电情况下，数据可以得到保留，重新上电能够自动恢复，以有效保障环境状态安全。实验表明：所提系统解决了人工监测导致出现的偏差，采用远程自动化控制，即使用户身在远方也可实时调整环境条件状态，可大幅提高农作物的生产质量与人们的工作效率。

1 系统总体设计

LoRa可大大改善了接收的灵敏度，降低了功耗，而且LoRa还具有扩频技术[5]，如图1所示，LoRa的延迟极低，在高达100 dB的链路上的通信距离可达10 km。LoRa接收电流特别小，仅仅10 mA，最低功耗的传输方式即睡眠电流为200 nA，这大大增加了设备的续航能力，并且大幅度延长了电池的使用寿命。本文基于LoRa技术制作的网关支持多信道多数据并行处理，稳定性强、延迟低、容量大[6]。理论上网关24 h可以处理500万次与各子节点间的通信（例如，每次发送10 B数据，网络占用率仅为0.1）。如果把网关安装在有移动通信基站的位置处，在100 mW电功率下其发射功率为20 dBm，那么在城市里、在建筑密集的环境下，其覆盖范围可达2 km左右，而在建筑密度较低的野外郊区，其覆盖范围甚至可达到10 km以上。

图1 LoRa扩频技术

通过基于LoRa、NB-IoT制作的数据采集端、控制端、可操控网关以及基于OneNET的可视化监管中心[7]，可远程及时了解各个节点温室大棚内的环境状态信息，并且进行实时自动调整[8]，在极短的时间内控制温度、湿度，使农作物生活于最优的环境，保障农作物的健康状态和生长速度，并且提高作业效率和管理水平，推动了农业信息化的发展。

本文设计的基于LoRa的智能大棚控制系统分为4个部分，分别为数据采集端、可操控网关、控制端、云端，如图2所示。LoRa模块负责传输采集的环境信息、警报和控制信号。可操控网关将来自各个LoRa的数据进行初步处理之后再通过NB-IoT模块上传至OneNET平台，云端会将环境信息显示在网页上。当环境控制系统的数据异常时，网关发送出相应的警报和控制信号，控制端会采取相应的措施对环境进行校正，并且还会向监管人员或用户发送异常短信提醒，无论在家中还是在大棚都可以实现对大棚温室内环境的远程实时可视化监控。

图2 环境控制系统系统结构

2 系统硬件设计

系统硬件主要分为数据采集端、可操控网关和控制端三个部分，如图3所示。其中数据采集端和控制端共用一块电源，放在需要监控的大棚温室内，如图4所示。可操控网关则使用另一块电源，与用户和管理者放在一起。本系统采用LoRa星状数据结构，以网关作为中央节点，利用不同的信道对各个节点相连接，每一个节点都可以与网管之间进行信息交换。LoRa具有唤醒模式，当需要控制远端子节点时，会发送唤醒码，远程端会定时接收唤醒信号。当收到唤醒信号时，便开启串口传输模式，进行数据传输，数据利用NBIoT模块，通过TCP/IP协议上传至云平台。这种方式提高了传输效率和工作效率，并且最大限度地降低了功耗。

图3 数据采集端与控制端

图4 可操控网关

2.1 数据采集端

如图5所示，数据采集端主要包括处理核心模块、LoRa无线模块、温度传感器和湿度传感器。

图5 数据采集系统硬件框图

核心处理模块采用了宏晶科技生产的8位8051核心微处理器STC89C516单片机。该模块主要负责处理传感器采集到的数据，并通过LoRa模块以无线的方式发送给可操作网关。

LoRa模块采用了成都亿百特公司生产的新一代工作频率在433 MHz的无线收发模块。作为星状结构的一个子节点，该模块主要是将处理好的数据以无线方式发送出去。

温、湿度传感器采用了DHT11、DS18B20。该模块主要负责采集环境温湿度，其中DHT11在温度测试方面不够精确，因此用DS18B20进行温度测量，让数据更加精确。

2.2 可操控网关

可操控网关如图6所示，主要包括核心处理模块、LoRa无线模块、24C02 E2PROM模块、NB-IoT模块、LCD液晶显示屏。

图6 可操控网关硬件框图

（1）核心处理器采用宏晶科技生产的STC12C5A60S2单片机。STC12C5A60S2是一款高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，其具有双串口通信。它对LoRa模块接收到的数据进行处理，并显示在液晶显示屏上。首先其会检测是否连接，未连接会在液晶屏显示“disconnect”；然后检测传感器是否正常，如果传感器不正常会显示“error”。接收到正常的数据后，会显示在液晶屏上，并且发送给NBIoT模块，通过NB-IoT模块将数据上传至云平台。并且用户可以根据自己的需求利用按键对环境的条件进行设置，设置信息会通过单片机处理保存在E2PROM中。当数据与设置不符，通过STC12C5A60S2单片机对数据处理让网关模块会亮起报警灯并且生成控制信号，以LoRa模块发出至控制端。

（2）E2PROM采用24C02芯片。24C02芯片为串行通信方式，是基于I2C总线通信协议的储存器件，具有接口方便、体积小、稳定性强，数据断电不丢失的特点，保存时效可长达100年。若网关模块中途掉电，数据仍然会储存在芯片里，待到来电设备会自动恢复上次断电前设置的数据，无需担心数据丢失。

（3）LoRa模块采用成都亿百特公司生产的新一代工作频率在433 MHz的无线收发模块，该模块主要负责将警报信号以无线方式发送出去，以及接收数据采集端的数据。

（4）显示屏采用了1602液晶显示屏，可以调节亮度，对比度，可以将数据直观显示。

（5）NB-IoT模块采用了中国移动OneNET平台专用的M5310A模块，将单片机处理后的环境数据流上传至OneNET平台。

2.3 控制端

控制端软件设计如图7所示，核心处理模块采用了宏晶科技生产的8位8051核心微处理器STC89C516单片机，该模块主要负责将LoRa接收到的警报信号进行处理，将警报信号发送给GPRS/GSM无线模块，并且发送相应的控制信号给光耦继电器改变环境。

图7 控制端系统硬件框图

LoRa模块采用了成都亿百特公司生产的新一代工作频率在433 MHz的无线收发模块，该模块主要是接收将警报信号传给单片机。

GPRS/GSM无线模块采用了芯讯通（SIMcom）公司旗下的SIM900A模块，采用ARM926EJ-S架构，它主要负责将单片机传输的警报信号通过基站以短信发送给用户。

继电器采用了光耦四合一继电器，具有集成度高、响应迅速的特点，主要控制改变环境因素电器的开启。

3 系统软件设计

该智能大棚控制系统的软件设计主要分为数据采集端软件设计、可操控网关模块软件设计、控制端软件设计和可视化监管中心软件设计。

3.1 数据采集端软件设计

数据采集端软件设计流程图如图8所示。

图8 数据采集端软件设计流程

在打开数据采集端电源后，该设备初始化温度传感器DS18B20和DHT11以及LoRa无线模块，处理器开始检测传感器是否正常工作，如果传感器不能正常工作，通过LoRa发送错误信号，然后进行循环检测；传感器正常工作情况下，传感器数据经过处理器处理后，将温湿度数据写入LoRa，LoRa再将温湿度数据发送出去，最终进入下一个数据采集和发送循环。

3.2 可操控网关设计

可操控网关软件设计流程如图9所示。

图9 可操控网关软件设计流程

在打开可操控网关电源后，该设备对STC12C5A60S2芯片、24C02芯片、1602液晶屏、按键、M5310A模块、LoRa模块初始化。首先LoRa将数据传入至单片机，单片机LoRa检测连接状态及传感器是否能正常运行，检测结果会显示在液晶屏上。正常运行情况下，单片机会先读取储存器信息，然后LCD屏会显示LoRa接收到的数据，并且通过M5310A模块将接收到的数据传入至云平台。人工可根据自己的需求通过按键设置环境条件，单片机会自动储存在24C02芯片中，从而实现断电记忆；处理器会根据设置环境条件与当前环境值进行对比。当环境不满足条件要求时，处理器会通过LoRa模块发送出对应的警报信号，并且有指示灯提示，然后进入循环检测更新数据，当温湿环境条件正常时，设备会发送符合条件信号，然后再进入下一个循环检测更新数据。

3.3 控制端软件设计

控制端软件设计如图10所示，在打开控制端上电源后，系统对STC89C516芯片、LoRa、继电器、SIM900A模块初始化。首先LoRa将接收到的信息通过单片机处理，判断是否为报警信号，如果是正常信号，则进入循环继续扫描；当接收到报警信号，单片机会根据报警信号判断出当前环境状态，通过SIM900A给用户发送当前错误环境报警短信，并且通过继电器控制相应的用电器来调整环境状态，然后进入循环检测。

图10 控制端软件设计流程

3.4 可视化监管中心软件设计

本设计的云端可视化监控中心基于OneNET平台而设计。OneNET平台是由中国移动打造的PaaS物联网开放平台。该平台可以提供简便的海量连接、云端存储、消息分发和大数据分析等服务，下位机端通过GPRS/GSM传输模块与API接口进行连接，大幅度降低了开发者的研发、运营和维护成本，提高了工作效率。用户可以根据OneNET平台提供的产品服务框架结构，创建一个大棚环境应用，通过审核之后，便可以对系统中的各项数据进行云端处理，用户最终可以看到实时数据，并且对环境变化进行预测。OneNET平台的开发结构管理图结构如图11所示。OneNET平台的用户、产品、设备、APIKey、触发器和数据流采用如图10所示的结构形式[9-10]。

图11 OneNET平台资源管理层次结构

4 实验验证

当可操控网关未连接数据采集端，可操控网关LCD屏会显示“disconnect”，连接好但未插入传感器时候，数据采集端会发送错误信号，可操控网关LCD屏上会显示“error”，插好传感器后数据采集端将获取到的温湿度数据发送到可操控网关，LCD屏幕会显示温湿度数据。然后通过按键对操控网关进行环境条件设置，当环境不满足设定条件，可操控网关警报灯亮起，同时LoRa将报警条件发送到了控制端，控制端接到信号后，对应相应环境改变条件的继电器正常工作，手机端收到大棚环境信息报警短信；可操控网关将温湿度数据一起上传至OneNET平台，最终在云端可视化监管中心上显示出来；当可操控网关突然断电，再重新上电启动，环境条件设置并未丢失，断电记忆功能可以正常实现。

图12所示为基于OneNET平台上开发的网页应用，其显示大棚环境信息以及数据统计图，可方便直观监测环境且预测环境变化规律。图13为大棚环境条件预设值条件不符向管理人员发送的报警短信图。

图12 网页应用显示图

图13 短信报警图

5 结 语

在科学技术发展迅猛的今天，科学改变生活已经深入人心，实现低功耗、绿色环保已是智能农业的大势所趋，因此，本文设计一种基于LoRa技术和OneNET平台的环境控制系统。经过多次测试，通过各个子节点对主节点的精准反馈，该系统可以实现对大棚环境条件实时监测、数据预测、远程控制、断电记忆、短信报警等先进功能，并且基于LoRa的传输系统采用的是唤醒模式，该模式下大幅度降低了功耗，延长了电池的使用寿命，增加了系统的稳定性。