基于LoRa 气雾立体栽培环境数据监测系统设计*

欧 洋，马春燕，郝彦钊

(太原理工大学电气与动力工程学院，山西 太原 030024)

精准农业是以信息技术为支撑，根据空间变异，定位、定时、定量的实施一整套现代化农业操作管理系统，是信息技术和农业生产全面结合的一种新型农业[1]，是近年来农业领域发展的新潮流。温室作为精准农业实施的一项载体，通过控制室内温湿度、光照、二氧化碳等植物生长所需的必要条件，可以为农作物提供良好的生长环境。目前，大型温室中采用土壤栽培、水培的方式较多。而一种新型气雾立体栽培优化了无土栽培模式，其生长周期短、品质高、病虫害少、方便人员管理等优点让无土栽培[2]得到快速发展。气雾立体栽培采用雾化装置，将植物生长所需的营养液雾化为小雾滴，直接作用在植物根部，为植物生长提供营养成分，是一种新型的无土栽培技术[3]。随着科学技术的发展，传感器技术、自动控制技术的不断完善，通过无线传感网络技术实现对温室环境的精准监测与控制，可以有效减少人员管理成本[4]。

目前，在大型温室监控系统中，多采用Bluetooth、ZigBee、Wi-Fi、GPRS 无线通讯方案。Bluetooth 组网简单，但通讯距离仅10 m 左右，只能应用于小型温室。ZigBee 具有低功耗、低复杂度的特点，但信号衰减快，通讯距离为几十米到二百米左右[5－6]，受环境影响较大。Wi-Fi 传输速度快，通讯距离适中，但是功耗大，难以采用电池为其供电。GPRS 基于无线分组技术，实现广域连接，但是按流量计费，成本高，存在偏远地区信号无覆盖等问题[7]。近年来，为了满足更多物联网设备的接入，出现了一种低功耗广域物联网技术(Long Range Radio，LoRa)，该技术采用星型连接方式，具有通信功耗低、传输距离远、运营成本低等特点[8]。LoRa技术通过扩频调制和前向纠错技术，在相同功耗的前提下，扩大了无线通讯的传输范围和提高了链路的鲁棒性。通过调整扩频因子、调制带宽和纠错编码率对LoRa 调制解调技术进行优化[9－10]。论文在温室中构建LoRa 监测系统，对影响气雾立体栽培装置中植物生长的温湿度、光照、二氧化碳浓度等关键因素进行监测，并进行网络生存周期和温室监测可靠性试验，为气雾立体栽培的推广应用奠定了基础。

1 系统设计方案

1.1 温室监测对象分析

温室作为一个小气候环境的载体，气雾立体栽培装置安装在温室内，是一个相对封闭的独立生长系统，对植物生长过程中的温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度、植物培养液pH 等因素都需要进行监测与控制[11]。温室环境结构和部分传感器设备布置如图1 所示。

图1 温室环境结构图

气雾立体栽培装置结构灵活，由各模块拼装而成，可自由拆卸、布放、移动等。布放在顶部的超声波雾化器可以使营养液均匀分布在栽培塔中。气雾立体栽培装置结构参数见表1。

表1 气雾栽培装置结构参数

1.2 监测系统结构设计

监测系统主要由数据采集终端、通讯网关、服务器、客户端界面四部分组成。数据监测系统结构如图2 所示。

图2 数据监测系统结构

LoRa 数据采集终端(下文简称终端)与传感器直接相连，通过单总线、I2C 通讯、串行通讯等方式采集传感器数据，将采集数据通过SX1278 LoRa 模块发送至通讯网关。终端和通讯网关采用星型连接网络拓扑结构，终端数量可以自由增减。

通讯网关是整个监测系统的协调器。一方面，负责与终端建立LoRa 通讯网络，可双向传输数据。另一方面，又负责与服务器通讯，将终端采集的数据集中处理并按协议打包发送给服务器。

服务器将通讯网关上传的数据按照时间标记存入数据库，并通过互联网发送至客户端界面。

客户端界面，可以便捷显示栽培环境的各项数据，实现远程的实时数据监测、历史数据查询、环境曲线绘制，方便用户管理。

2 系统硬件设计

监测系统硬件包括数据采集终端和通讯网关。数据采集终端是整个监测系统的物理感知层，通过传感器获取温室各项环境数据。通讯网关是数据采集终端与服务器的连接桥梁。设计低功耗的终端节点和可靠的通讯网关是监测系统性能稳定的重要保证。

2.1 数据采集终端设计

数据采集终端选取STM32F103C8T6 作为微控制器，具有32 位CortexTM-M3 CPU，处理速度快，外设接口处于待机状态只有7.4 μA 电流，为低功耗MCU[12]。终端通过单总线(1－Wire)、I2C、RS485 接口与传感器相连，采集栽培温室内的温湿度、光照强度、二氧化碳浓度、营养液pH 等数据。传感器参数见表2(1 ppm＝10－6)。

表2 传感器参数

终端将数据上传至网关后，在采集间隔期，将进入休眠模式。假定采集间隔为10 min，终端工作电流实测50 mA，每次工作时长350 ms，采用3 600 mAh的锂电池供电，由电能公式计算可得有效生存周期可达到两年。终端布放位置不固定，因此尽量减小终端体积，终端结构示意图如图3 所示。

图3 终端结构示意图

2.2 通讯网关设计

通讯网关是数据监测系统中的核心部分，起到协调器的作用，网关下行与终端建立LoRa 网络通讯，上行通过4G 模块与服务器通讯，实现数据实时采集和数据本地存储等功能。

网关控制器选择STM32F103ZET6 芯片，主频72 MHz，具有512 kbyte 的Flash 存储空间[13]。网关连接SX1278LoRa 模块与终端进行LoRa 通讯。4G模块采用USR－G781 型号的DTU，网关通过RS232通讯方式与4G 模块连接，上传数据至服务器。同时，网关通过SDIO 协议将数据备份在本地。网关电路图如图4 所示。

图4 网关电路图

3 系统通讯方案设计

基于LoRa 长距离、低功耗、无线技术的气雾立体栽培环境监测系统通讯方案，设计了基于时分多址复用技术(Time division multiple access，TDMA)的通讯网关和终端自组网通讯策略，使终端可以随机访问、竞争入网。温室环境中，需要上传周期性环境感知数据，同时当环境参数发生剧烈变化时或终端电池电压低于预警值时，也需要进行预警并将数据紧急上传至网关，采用TDMA 策略既可以减小终端数据上传的碰撞概率，又可以在空闲时隙采用CAD信道检测，将紧急数据上传，进行预警。

3.1 TDMA 自组网通讯策略

时分多址复用技术是利用时间上离散的脉冲组成相互不重叠的多路信号，广泛应用于数字通信，由于信道的位传输率超过每一路信号的数据传输率，因此可将信道按时间分成若干片段轮换地给多个信号使用[14]。每一时间片段由复用的一个信号单独占用，在规定的时间内，多个数字信号都可按要求传输到达，从而也实现了一条物理信道上传输多个数字信号。

基于TDMA 的LoRa 自组网设计，可以实现多个终端竞争入网。假设有n个终端节点，加入网关，第一个节点申请加入网关，会占用信道发送入网请求，网关接收到请求后，记录终端的地址信息，回复应答信号，包含上传数据的时隙分配信息。当其他的终端申请入网没有接收到应答信号，则进行CAD信道检测，检测到信道空闲时会发送请求，如果信道忙，则产生随机延时后继续发送入网请求。CAD 信道活动检测旨在以尽可能高的功耗效率检测无线信道上的前导码，在CAD 模式下，检测LoRa 数据包前导码[15]。

当终端入网完成后，获取上传数据的时间片段信息，等到达时隙所规定的时间后，上传数据。

3.2 LoRa 空中传输时间与同步时钟

因为TDMA 是将通信的时间分割成小的时隙供每个终端通信，因此需要计算LoRa 上传数据包的最大所需空中传输时间，一个数据包包括前导码和有效负载数据。由式(1)可得一个数据包的空中传输时间。

式中Tpreamble是前导码传输时间，Tpayload是有效负载传输时间。

前导码传输时间通过式(2)计算:

其中npreamble表示已经设定好的前导码长度；Tsym表示符号速率。式(2)中:Tsym根据设定的扩频因子(SF)和信号带宽(BW)可以计算:

式中SF 为扩频因子，BW 为信号带宽。

有效负载数据传输时间由式(4)计算:

式中的payloadSymbNb 表示有效负载符号数。

有效负载符号数payloadSymbNb 为:

式中PL 表示有效负载的字节数；SF 表示扩频因子；使用报头时H＝0，没有报头时H ＝1；当使用低速率优化时，DE ＝1，否则DE ＝0；CR 表示编码率。

由以上公式可知，当SF 值设置越大，空中传输时间越长，获取所需空中时间最大值，所以设置SF 最大为12，BW＝500 kHz，CR ＝1，PL 为12 byte，前导码为8 byte，由以上公式可计算出，前导码传输时间为100.35 ms，有效负载数据的传输时间为147.46 ms，一个数据包空中传输总时间为247.81 ms。TDMA 通讯时，网关分配的每个时隙时间应大于上传数据包的空中传输时间。相对于采集间隔期，网关信道有一多半的时间处于空闲状态，在信道空闲时进行紧急数据上传。

TDMA 能够高效率地完成终端数据上传，减小数据的碰撞概率，所依赖的是网关和终端高精度的时钟同步。文中采用MCU 自带的RTC 实时时钟模块，RTC 模块是由一组可编程计数器组成，可产生1 s 的时间基准，同时通过预分频余数寄存器可以获得10 ms 的精准系统时间。网关通过间隔2 h 给所有终端下发同步时钟，以保证与网关同步的精准时间。

3.3 LoRa 数据传输

LoRa 数据传输包括两种数据类型，一种是周期性间隔的环境感知数据，另一种是电源电压预警、环境骤变的紧急数据。

周期性环境数据因变化并不剧烈，采用等长的间隔定时上传数据，例如3 min～5 min 等，文中采用3 min 间隔来上传数据，当终端全部入网成功之后，根据网关返回的应答信息，解析得到所分配的TDMA 时隙，当3 min 时间到达时，按照时隙分配依次向网关上传数据。

终端每隔30 s 会由闹钟进行唤醒，进行电压检测和环境数据采集，并由公式(6)进行判断，是否达到环境骤变的条件，不符合，再次进入休眠状态。当满足条件时，终端进行CAD 信道检测，信道空闲则将数据发送至网关，完成紧急数据上传。

式中:i指的是传感器节点向量，yi(ti，k)指的是节点i当前的数据采集量，yi(ti，k－1)指的是节点i前一时刻的数据采集量，α1可以是一个固定的值，也可是一个动态的值，当φ(ti，k)为1 时，表明环境发生骤变，上传紧急数据，反之不上传。

网关流程图如图5(a)所示，初始化之后等待空闲中断，判定所接收的数据类型，进行相应的分配时隙、处理上传数据、同步终端时钟等任务。终端流程图如图5(b)所示，进行入网请求，上传周期性数据、同步时钟、上传紧急数据等。

图5 网关与终端流程图

4 温室现场试验

4.1 现场试验系统部署

搭建了供环境监测系统测试的温室，长3.1 m，宽1.8 m，顶高2.1 m，肩高1.9 m，设计有两个顶部通风窗、两个侧面通风窗，具有保温隔热，透光性好等特点。在温室内放置了两个气雾立体栽培装置，并安装了5 个温湿度传感器、3 个光照传感器、1 个二氧化碳传感器，1 个营养液pH 传感器等十个传感器终端设备，进行温室环境数据监测试验。

试验采用芽苗菜作为试验对象，每日保持芽苗菜种子湿润，待发芽之后将其移植到气雾栽培装置中进行种植，栽培装置每隔1 h，超声雾化器启动1 h，保持栽培塔内的环境湿润，以保证芽苗菜具有足够的水分生长。在夜晚光照不足时，启动红蓝光补光灯，为其提供光照。监测系统采集了一轮芽苗菜10 天生长期的环境数据。芽苗菜生长图如图6 所示。

图6 芽苗菜生长图

监测系统使用PyQt5 制作了客户端监测界面，采用TCP/IP 通讯协议与服务器通讯。界面包括实时数据显示、网络连接、曲线显示、历史数据等功能。

由于采集间隔短，数据量众多，选择在芽苗菜生长期中某一天12:00～15:00 的温湿度节点、光照节点、二氧化碳节点等数据曲线显示如图7 所示。由图可知，当温度上升时，湿度在下降，温湿度存在耦合关系。光照强度在该时间段逐步上升，由于光合作用，二氧化碳浓度逐步下降。

图7 数据监测界面与监测数据曲线

4.2 监测系统测试与性能评估

监测系统采集一个完整的芽苗菜生长周期(10天)，采用TDMA 通讯策略，每个终端节点上传了4 800 包数据，以3 min 作为上传间隔，丢包率为零，证明距离较短、间隔较长时，系统工作稳定。在校园露天环境下，由于学校高楼与树木较多，测试系统长距离的稳定性与TDMA 策略的优劣性，分别在距离网关0～600 m 的半径范围内，采用1 s 的间隔周期进行数据快速上传测试，数据长度为20 byte，数据量为1 000 帧，分别在扩频因子为9、10、11、12 基础上，采用数据透传和TDMA 两种通讯策略，对比快速上传数据的投递率性能示意图如图8 所示。

由图8 可知，当扩频因子相同时，随着距离的增加，投递成功率下降，相同条件下，TDMA 策略成功率较高，相比于透明传输成功率提高12%。SF ＝11时，由于布置的终端节点与网关之间存在高楼遮挡物，导致成功率下降，因此布置温室环境时，需考虑终端遮挡问题。当SF 越大，传递的距离越远，成功率越高。

图8 投递率性能示意图

5 结论

本文针对精准农业的发展需求，监测温室生长环境，提出了基于LoRa 低功耗远距离的无线监测传感网络。设计了LoRa 终端电路板，使LoRa 终端体积减小，布放方便，在此基础上，研究了终端和网关通讯的TDMA 同步通讯策略。温室试验结果表明，监测系统性能良好，稳定可靠，在整个生长周期中，3 min 的上传间隔，数据丢包率为0。为了满足大型温室的监测要求，系统覆盖了半径为600 m 的监测区域，终端数量可扩充至100 终端节点的网络规模，提高投递成功率，减少了信道碰撞概率，增加了稳定性。采用锂电池供电，在温室中根据实际情况可延长上传周期，以此能获得更长的生命周期。