基于Lora的多场景农作物视频监控系统

田波 王平

摘要：为实现农作物远程认养共享和精细化的管理，对其进行视频监控是必要的手段，但在传统的图像传输需要较大的带宽，在网络配置的成本较高。而通过zigbee和蓝牙等方式无法实现远离的数据传输。本系统利用Lora进行图像传输，可以实现宽范围和低成本的图像采集，通过STM32F407对图像进行减帧，可以极大压缩图像的数据大小，再通过后台可将图像进行插帧还原，可在窄带的情况下实现图像的连续传输。

1、系统总体方案

本系统的主框图如下图1所示，本系统主要由电源模块、主控模块、Lora传输模块、摄像头图像采集模块和光电开关模块组成。电源模块为其他各模块提供稳定的供电，光电开关模块发出脉冲信号触发STM32F407微控制器，然后微控制器对摄像头模块进行控制并接收摄像头模块采集的图像信息，最后通过Lora模块将图像信息传输到以太网Lora数传电台并最终上传至服务器。

2、电源模块

本系统电源模块采用12V的外部电源和12V锂电池两种供电方式，两种方式可以进行灵活的切换。当12V外部电源接入时可为整个系统供电并对12V锂电池充电;当12V外部电源突然断开时会立即切换至12V锂电池供电，并通过缓启动电路保证了系统供电的稳定性。然后通过DC-DC模块将12V转换为5V，再将5V转换为3.3V，为系统各模块提供不同电压等级的电源。本系统电源模块的结构图和电路图如下图2、图3所示：

缓启动电路主要是为了防止电源电压抖动延时上电和控制输入电流的上升斜率和幅值。上图3中Q1为增强型NMOS用来控制电源地的导通，电阻R4和C30控制上电电流的上升斜率，R5是防止MOS管自激振荡，钳位二极管D4的作用是保护MOS管的柵源极不被高压击穿。当电源接通时，通过R4对C30进行充电，当C30两端的电压即NMOS栅源电压Vgs小于NMOS的导通阈值电压Vth时DS两极不导通;当Vgs≥Vth时，NMOS导通，漏源电流Ids开始增大，等NMOS管的栅源电压Vgs升高到平台电压Vplt时，Ids也将达到最大，此时漏源电压Vds进入饱和，开始逐渐降低，平台电压Vplt结束时，MOS管完全导通，漏源电压Ids降到最低，MOS管的导通电阻Rds最小。

3、摄像头图像采集模块

本系统摄像头模块采用两个ov2640摄像头分别对相邻的两棵果树进行图像采集。由于STM32F407微控制器只有一个数字摄像头接口（DCMI），故通过两片16bit锁存器切换接收两个摄像头的图像数据。本系统摄像头模块的结构图和电路图如下图4所示：

4、Lora传输模块

本系统Lora传输部分采用了220.125-236.125MHz、410.125-493.125MHz和850.125-930.125MHz三种不同工作频段的Lora模块，可进行合理的选择分配传输，提高了图像数据传输的速率和稳定性。当农作物传输数据量较大时，提高节点分布密度，并采用900MMHz频段提高输出传输速率;当农作物传输数据量较少时，为降低成本，实现更广范围的数据传输，系统可采用200MHz频段的Lora模块，在兼顾传输速率和距离上可以选择00MHz频段的Lora模块。在本系设计上通过选择封装兼容的三种模块，通过配置不同的天线即可实现不同场景的应用。如下图所示为Lora模块电路接口，M0/M1/AUX信号为模块的模式选择信号，TX/RX为模块透传的通信信号。

5、 结论

本系统通过配置不同频段的Lora的模块，实现不同场景的数据图像传输要求，满足农作物视频监控的不同需求。同时系统利用低成本处理器可以对图像数据进行减帧，再通过后台进行插帧，可以在视觉上实现连续的视频监控，在农作物认养共享应用上具有较强应用前景。