基于LoRa通信的温室多点无线监测系统设计探讨

无锡南洋职业技术学院 李晓丽

结合当前温室环境监测需求和温室监测系统现存问题,提出以LoRa为基础的温室多点无线监测系统。文章首先介绍了研究背景和系统架构,然后研究了LoRa为基础的温室无线监测系统设计以及上位机软件设计,其中监测系统设计包括整体设计、温湿度采集、光照度采集、LoRa通信设计,上位机软件设计包含整体设计、数据库设计以及温室环境现实功能设计,最后总结了相关系统测试实际应用效果。

0 引言

在信息技术和计算机设备持续发展背景下,劳动生产中的多种环节对于设备智能化提出更高要求。而人们对于节能环保理念的认同感也逐渐提升。在大棚蔬菜种植中,需要针对大棚内的二氧化碳、湿度、温度等参数进行准确实时测量,并联系植物生长需求进行灵活调节。但当前对于蔬菜大棚以及各种温室环境的网络控制以及信息采集依然处于初期发展阶段,为此需要合理设计多点网络监控系统,提升环境监控质量。

1 研究背景

在农产品的现代化种植生产中,当前比较流行的种植方法是温室种植。温室种植需要对农作物生产种植中容易受到影响的因素,进行合理控制,实现提升农作物产量和品质的目标。整个温室空间内的光照度、湿度条件以及温度状态都会对农作物正常生长产生直接影响。通过采取有效措施对各种影响种植的环境参数实施全面监测管理,能够帮助灵活调整农作物综合产量与品质。传统模式下的温室作业中,设置有线监测系统通常会遇到各种布线难题,但以ZigBee以及WiFi等技术为基础的温室无线监测系统在实际应用中普遍存在一定通信难度,比如通信距离过短等。

以LoRa为基础的无线通信技术在实际应用中拥有能耗低以及通信距离长等优势,此次研究中提出了以LoRa为基础的温室多点无线监测系统,针对各种环境信息进行有效采集,从而为创造良好的种植环境提供有效参考[1]。此系统主要包括上位机软件以及温室无线监测装置两部分构成,能够针对温室内部环境状态进行多点无线远程监测,全面覆盖各种参数。

2 系统架构

农业信息相关感知技术应用于智慧农业建设发展中,最为常用的便是无线网络系统。系统内部硬件结构主要分为传感器模块、报警模块、无线通信模块以及控制模块等。温室监测系统以LoRa为基础创建物联网无线传输平台,能够进一步优化系统综合效益,可以促进实现温室内的精准检测和智能控制。此监测系统主要包括以LoRa为基础的温室内部无线监测装置以及相应的上位机软件所构成,具体如图1所示。整个监测系统中,以LoRa为基础的温室无线监控设备主要包括LoRa通信模块、光照度传感器、温湿度传感器、LCD12864液晶显示屏、AT89C51单片机等部件构成。而其中的光照度传感器以及温湿度传感器能够对温室中的光照度、温湿度等环境信息实施全面检测,LoRa相关通信模块能够帮助系统监控实现无线通信目标,LCD12864液晶显示屏能够准确显示出不同环境参数。上位机软件则主要能够针对温室环境运行参数实施远程无线监控。整个系统可以分为一个终端以及多种节点构成,具体涵盖最小单片机系统、上位机、不同终端以及各个节点显示模块,同时还有系统功能模块以及相应的信号采集模块。各个功能模块之间的通信方式主要是无线通信方式为主,能够帮助系统终端和各个节点之间进行顺畅通信[2]。

图1 监测装置系统结构Fig.1 System structure of monitoring device

系统内各个部分功能如下,其中终端负责接收不同节点传输信息数据,随后将其发送到上位机内,上位机之间实施有效通信。PC上位机可以全面整合统一终端发送各种数据信息,同时针对特定时间范围中的信息数据实施有效统计和分析。此外,无线终端装置同时具备移动性和便携性,能够有效转移设置点。传感器以及各个节点监测装置分别设置于不同环境内,对于各个节点需要按照相应的时间间隔将所监测到的信息发送到终端系统当中,而等到终端系统接收相应的信息后可以为节点发送反馈信息。终端正式上电启动后,便会依次朝各个节点传输启动信号,随后各个节点开始进行信号采集。终端汇总所有信号,利用串口传输至上位机内,把近一段时间内所采集到的数据信号全面汇总整合到一起,进行系统分析。节点处于信息传输以及信号采集过程中直接转化为低功耗模式。如此能够有效控制运行功耗,维持长时间稳定运行。电源模块作为系统运行关键,可以为系统运行提供充足能量,为此在电源设计中除了需要联系电源功耗进行考虑之外,还需要分析电压干扰信号,保证电源供应的稳定性。

3 以LoRa为基础的温室无线监测系统设计

3.1 整体设计

联系所需实现功能,以LoRa为基础合理设计温室中的无线监测系统。对应设备装置硬件结构,具体如图2所示。监测装置中的主控芯片主要选择AT89C51单片机,装置的外围电路主要包含LoRa电路通信模块、液晶显示电路LCD12864、光照度采集电路BH1750、温湿度采集通信电路DHT11、复位电路以及时钟电路等部分组成。初始化配置主要可以分成两个部分:第一是各个节点部分初始化,涵盖液晶显示初始化以及多种传感器的初始化处理,随后直接向终端发送具体标志位,明确是否开始正常工作。第二是针对终端各个部分实施初始化操作,比如将串口通信、液晶显示等实施初始化处理,设置单次传输数据以及本机内部地址。单片机可以把所需传输节点数据信息以及有效地址利用通信模块传输系统内,单片机设置进入发送射频模式,开始正式启动传输功能[3]。

图2 监测装置硬件结构Fig.2 Hardware structure of monitoring device

环境监测装置在实际应用中主要能够实现下列功能:(1)采集温室内的温湿度状态,联系其中所设置的温湿度传感器装置DHT11内相关控制逻辑全面采集温湿度信息。(2)采集温室中的光照度信息,联系BH1750光照度传感器内部控制逻辑合理采集温室中的光照度信息。(3)液晶屏现实,按照LCD12864液晶器对应控制逻辑准确显示出温室中所示采集的光强度、湿度和温度信息。(4)LoRa通信,单片机控制串口,借助串口转LoRa模块促进实现和上位机之间的无线通信,具体流程程序如图3所示:

图3 监测装置运行流程图Fig.3 Monitoring device operation flow chart

3.2 温湿度采集

DHT11温湿度传感装置属于一种内涵校准数字信号传输的温湿度复合传感装置,同时涵盖一种NTC测温元件以及电阻式测湿元件。对应信息输出模式属于数字模式,一次所输出数据能够达到40位,主要包括八位校验、八位温度小数数据、八位温度正数数据、八位湿度小数数据以及八位湿度正数数据。温湿度监测传感装置主要应用单独总线协议,对于时序要求相对严格,单片机率先将总线电平拉低至少18ms,可以帮助温湿度传感器实现内部AD转换操作。随后单片机将总线电平拉高,大概到20到40μs之间,能够帮助单片机对信息的输入和输出实施有效切换处理。单片机在初步释放总线控制权后,温湿度传感器开始尝试拉低总线电平。顺利拉低后,准备开始数据信息的传输工作,并将总线电平对应数据传输数据进一步拉高[4]。

3.3 光照度采集

BH1750关照度采集装置主要选择I2C标准模式的总线传输模式,同时在内部设置十六位的AD转换器,能够直接输出数字,直接省去过程中较为复杂的标定和计算。光照度采集器在采集读取相关信息数据中主要按照以下方式实施,单片机经过I2C总线为传感器传输发送相应的起始信号以及设备分布位置,同时还有读取信号,继续等待传感器进行反馈应答。得到反馈应答后,直接读取相应的数据信息,为传感器装置发送停止运行信号。

3.4 LoRa通信设计

LoRa通信装置中的重要器件便是LoRa通信模块AS32-TTL-1W。LoRa对应传输模式是一种广播模式。LoRa通信广播模块通过和上位机装置进行合理连接,及时采集各种监测信息数据,同时严格按照具体要求把所采集的信息数据顺利传输至上位机内。LoRa通信电路如图4所示。

图4 LoRa通信电路Fig.4 LoRa communication circuit

LoRa通信技术核心内容是和控制单片机之间的串口信息发送以及数据接收。状态监测装置和上位机两者之间的通信协议如下:在监测装置顺利接收上位机传输命令T、S、F时,上述命令分别代表三号机、二号机和一号机,借助串口连接通道将DDDDDDDDDDDD这种数据格式的数据包传送至上位机。而第一位和第二位固定是SE,能够针对数据包实施准确标识,第三字节和第四字节属于湿度因素。第五字节和四六字节属于温度标识,第七字节到第十一字节数属于光照度信息,第十二位属于相应机器设备识别码,比如一号机便是1,二号机便是2,通过上位机实施准确识别和显示[5]。

4 上位机软件整体设计

4.1 整体设计

在针对上位机软件实施整体综合设计中,可以选择VISUAL BASIC进行编写,能够顺利实现几点功能:(1)用户直接登录,用户需要利用自己的用户名以及密码进行登录,并数据库内全面存储相应的用户信息。(2)可以将温室内部环境状态实时显示出来,对下位机发送数据包实施准确解析,将温室中不同监测点光照度、温湿度准确实时显示出来。(3)对历史监测数据信息,将近期内所得监测数据全面显示出来,能够指定时间段对监测数据进行查询,或查询指定仪器设备编号。(4)管理用户信息,能够对用户个人信息进行及时查看和修改。数据库设计

4.2 数据库设计

系统中的数据库主要利用MICROSOFT ACCESS 2010实施设计,以数据库为基础设计两种表,一个表用来对用户信息进行存储,可以直接将其命名为用户,另外一个可以对测量数据进行储存,可以将其命名成测量记录。对应测量记录表具体结构可如表1所示:

表1 测量记录表结构Tab.1 Measurement record table structure

4.3 温室环境实时显示功能设计

监测系统中的环境状态实时监测显示功能可以将温室内部不同环境监测点具体信息状况实时显示出来,主要操作步骤如:(1)开启系统主界面窗口后,与数据库进行有效连接,同时按照串口合理进行信息配置,根据设置的时间间隔针对下位机实施有效轮询。(2)对于下位机重新返回数据包实施全面解析,并严格按照解析结果,准确显示出相关仪器设备采集的光照度、湿度、温度以及采集时间等信息,并在数据库内及时录入测量结果。

5 结语

综上所述,以LoRa为基础在温室空间环境内合理设计多点无线监控系统,能够进一步优化整个温室环境监控质量,能够联系植物生长需求,对整个温室内的气温、湿度、二氧化碳浓度等进行灵活调整,更好迎合植物生长,促进植物的健康成长,提升整体产量。在此次的研究活动中,提出了一种以LoRa为基础的温室多点无线监控系统装置,整体系统能够针对目标温室环境实施远程无线监测。同时系统中的环境监测、状态信息采集以及环境状态显示等都呈现出良好效果,可以实现温室监测目标。相关设计活动中的突出特征如下:

(1)将LoRa无线通信技术融入温室环境状态监测过程中,从而进一步扩展无线通信传输距离。(2)合理设计以LoRa为基础的温室内部无线监测系统装置,该监测装置拥有LoRa通信功能、液晶显示功能、光照度采集功能以及温湿度状态信息采集功能。(3)对温室内部上位机运行状态实施监测,合理设计相应的监测软件,同时该种软件在实际应用中还具备用户登录系统、执行操作、显示温室环境状态、管理用户信息和查询历史监测数据等功能。在未来发展中需要继续研究多点数据采集技术,促进相关监测系统的进一步完善和发展。

引用

[1] 刘勃妮,王丽,王威,等.基于物联网和云平台的智慧温室监测系统构建[J].微型电脑应用,2021,37(4):1-3.

[2] 侯加林,蒲文洋,李天华,等.基于UWB与物联网的移动式温室环境监测系统设计与实现[J].农业工程学报,2020,36(23):229-240.

[3] 肖雪朋.温室温度场空间分布监测及仿真系统设计与传感器位置优化[D].保定:河北农业大学,2021.

[4] 郭威,吴华瑞,朱华吉.设施温室影像采集与环境监测机器人系统设计及应用[J].智慧农业(中英文),2020,2(3):48-60.

[5] 邬亮,吴卓葵,曾杨达,等.基于LoRa的温室多点无线监测系统设计[J].仲恺农业工程学院学报,2020,33(1):50-53+65.