基于LoRa的农业大棚无线温湿度监测系统设计探究

2022-01-13郝兵

农业技术与装备 2021年11期

郝兵

（河套学院，内蒙古自治区巴彦淖尔 015000）

温湿度会影响到农作物的产量与质量，为此应该加大对农业大棚温湿度的监测力度，才能保障大棚中农作物的产量和品质。利用LoRa技术可以延长通信距离，提高农业大棚温湿度监测效果，因此，在设计农业大棚温湿度监测系统时可以充分应用LoRa技术，准确及时地检测大棚中的温湿度。

1 相关概念分析

1.1 LoRa技术的概念

LoRa技术是由Semtech公司研发的，又被称之为远距离无线电，具有距离长、容量大、功耗低等特点。以LoRa技术为基础的低功率广域网解决方案由两部分构成，一是以Chirp扩频为基础的调制方案，二是LoRaWAN网络协议[1]。其中，宽带性调频脉冲在Chirp扩频调制中发挥着重要作用，其频率的改变与编码信息的含量有关。在二进制Chirp调制中，可以利用调制器调整数据。

式中，Es——s（t）在信号持续过程中的能量，fc——载波频率，u——峰-峰频率偏差，w——扫描的宽度[2]。

LoRa技术可以有效支持可变与自适应数据速率，在实现宽带恒定的同时实现功耗与范围以及稳定性之间的平衡。

1.2 无线温湿度监测系统的概念

温湿度检测系统在农业大棚中的应用是为提高农作物的产量与质量而检测农业大棚中的温度与湿度，并通过有效措施调节温度与湿度的系统。温湿度监测系统主要包括无线电温湿度监测系统、网络型温湿度监测系统以及485型温湿度监测系统等，其中无线电温湿度监测系统是当无线温湿度传感器监测到温度与湿度后，通过无线电将温湿度参数传输至无线电环境监控主机中，当环境监控主机接收到信息后，将信息传输至网络上[3]。

2 基于LoRa农业大棚无线温湿度监测系统设计策略

2.1 系统总设计

基于LoRa技术的农业大棚无线温湿度监测系统主要由3部分构成，分别是LoRa网关、LoRa节点以及智能手机，具体结构见图1。LoRa的节点分布在大棚各处，可以感知到相应位置的温度与湿度，并将数据信息传输至LoRa网关。所有节点以电池作为电源，无需外接电源的支持，且对具体的摆放位置没有严格的要求，布设较为简单，各个节点之间无法直接通信，不会出现相互干扰的情况[4]。而LoRa网关可以管理各个LoRa节点，接收各个节点的数据信息，并对数据信息进行处理与转发。LoRa支持3种通信方式，即蓝牙、WiFi以及以太网。在农业大棚中，可以使用蓝牙连接智能手机。智能手机可以展示所有的数据信息，这样种植者就可以直接利用手机查询各个大棚、各个节点的温度与湿度等信息。

图1 基于LoRa技术的农业大棚无线温湿度监测系统结构Fig.1 Structure of wireless temperature and humidity monitoring system for agricultural greenhouse based on Lora technology

2.2 系统平台设计

2.2.1 设计系统硬件

（1）LoRa温湿度节点硬件设计。LoRa温湿度节点硬件的设计工作较为繁杂，包括诸多内容，例如单片机、模块与传感器的设计（见图2）。首先，设计人员需根据实际需求选择单片机作为微控制模块，例如可以选择能耗低、成本低、简易可控以及接口齐全的单片机，优化设计[5]。其次，设计人员需科学选择温湿度传感器，例如SHT20芯片，该传感器的温度测量范围较大，在-20℃～60℃，精度±0.5℃，湿度的测量范围在0%～100%，精度±3%，符合农业大棚的温湿度监测要求。此外，LoRa模块需要选择SX1276芯片，并利用SPI通信实现该芯片与单片机之间的通信。

图2 LoRa温湿度节点硬件结构Fig.2 The hardware structure of Lora temperature and humidity node

（2）LoRa网关硬件设计。LoRa网关需要收集数据信息并转发数据信息，其原理见图3。

图3 LoRa网关原理Fig.3 The principle of Lora gateway

设计人员需选择5 V适配器当作电源模块，利用低能耗芯片STM32L152RET6，该芯片处理器的工作频率可以达到32 MHz，闪存为512 KB。同时，也需要利用SX1276芯片实现与各个LoRa节点之间的通信。

2.2.2 设计系统软件

（1）通信协议的制定。LoRa节点只能感知大棚中的温度与湿度等信息，若想传输数据还需要LoRa网关通信的支持，而LoRa网关也需要将数据信息都传输至智能手机中，所以需要科学设计通信协议。LoRa节点与LoRa网关的通信协议帧格式见表1。

表1 LoRa网关通信协议帧格式Tab.1 The frame format of Lora gateway communication protocol

（2）嵌入式软件设计。LoRa网关连接电源且初始化后可以连接蓝牙，对环境的空闲信道进行扫描，之后将扫描信息传输至智能手机。LoRa网关收到智能手机app端用户选用的空闲通信信道与节点个数的配置后，可以通过广播进行信息的转发，节点便会收到信息并分析数据，切换信道，明确时隙。当节点在自身时隙为网关传输数据后，网关就会向节点回复ACK，如果节点接到回复的话就会休眠，但如果没有接收到回复就会再次发送，若仍然没有接到就会停止发送，并直接休眠。

（3）安卓app软件设计。当手机app启动之后会自动连接LoRa网关的蓝牙，当LoRa网关明确蓝牙连接后就会查询空闲信道，并将结果传输至app。当app接收到信息后，就会展示信息，用户就可以进行信道的选择，也可以配置节点编号与位置，并通过app将信息传输至网关。

2.3 系统测试与性能分析

（1）测试通信距离。可以在某高层建筑中测试系统的通信距离。已知节点的发射功率是20 dBm，宽带是125 kHz，LoRa节点会周期性地为网关发送数据信息，可以发现在不同的扩频因子下，节点的丢包率不同。当扩频因子＞10且节点在较高的楼层时，节点的丢包率就比较大，而当扩频因子＜10时，无论节点位于哪里，节点的丢包率都比较小，所以该系统的覆盖范围较为广泛，且具有较强的抗干扰能力，符合大棚的通信距离要求[6]。

（2）测试节点能耗。已知节点的发射功率为20 dBm，宽带为125 kHz，温湿度节点的上传数据周期为5 min，可以发现当扩频因子越大，节点能耗就越大。