基于物联网的温室智能监控系统设计

2022-11-11焦玉全顾诚甦朱燕祥

电子测试 2022年20期

焦玉全，顾诚甦，朱燕祥

（南通科技职业学院机电与交通工程学院，江苏南通，226007）

0 引言

作物的生长过程本质是将环境、营养、水分等外部因子的作用进行转化的动力学过程。温室能有效改善温室作物的生产条件，实现作物的高效优质生产[1]。温室环境参数时空跨度大，变量多，影响因子相互强耦合[2-5]，农业物联网为温室环境调控提供了新思路。本文根据现有国内外温室环境调控方法和技术，基于LoRa和MQTT构建一种通用型的温室信息检测系统，通过采集温室内温湿度、光照度和CO2浓度等信息，根据农作物不同生长周期实现对温室群作物的动态监测、智能控制、在线决策，提高温室管理的效率，达到节能、高效、高产的效果[6,7]。

1 系统架构设计

农业物联网是通过对设施内的作物环境、生理参数进行监测、传输、存储和分析，并做出决策与执行实现自动化、精细化、智能化的技术。根据物联网架构层次定义，温室系统自底向上由感知控制层、网络传输层和应用层构成。其中感知控制层由采集节点承担；汇聚节点完成网络传输，网络传输层主要采用个人区域网络（PAN）的LoRa无线通信和无线局域网（WLAN）的4G通信；应用层则依托MQTT构建分布式应用。系统架构如图1所示。

图1 系统架构框图

2 感知控制层设计与实现

感知控制层主要借助物理、化学传感器对温室内作物生长环境，包括空气温度、空气湿度、光照强度和二氧化碳浓度等参数进行检测。

2.1 采集节点单片机选型与电路设计

采集节点要完成温室多种环境参数的检测和数据的无线透传任务，在工作功耗上有较高要求，综合上述特点选用了超低功耗STM8L101处理器。最小系统如图2所示，STM8L通过SWIM接口完成程序烧录，通过I2C总线读取和设置传感器，通过四线制SPI总线和LoRa无线模块传递数据，通过GPIO控制LoRa无线模块和传感模块的工作模式，通过PA2口按键让节点进入入网注册申请模式，指示灯指示节点通讯故障。

图2 主控芯片最小系统原理图

2.2 LoRa 通信单元电路设计

LoRa通信单元采用亿佰特公司的E32-400M20S无线模块，模块内部采用SX1278无线芯片，支持410～493MHz频段，通信距离可达5km。LoRa无线通信模块电路如图3所示。其中RST为芯片复位触发输入脚，低电平有效；模块采用四线制的SPI方式与处理器进行通信；其工作在半双工通信方式，同一时刻只能进行发送或者接收，当RXEN高电平，TXEN低电平时，模块处于接收模式；当TXEN高电平，RXEN低电平时，模块处于发射模式；ANT为天线接口。

图3 LoRa 无线通信模块

采集节点数据处理流程如图4所示，其中系统初始化是通过SPI接口对SX1278的寄存器进行配置：通过 RegOpMode寄存器来设置射频芯片工作在LoRa调制方式；通过RegFrMsb、RegFrLsb和RegFrMib寄存器来设置通信波频率433.125MHz；通过RegModemConfig1寄存器将信号带宽设置为500KHz、纠错编码率为CR(4/5)；通过RegModemConfig2寄存器来设置扩频因子SF11等。采集节点通过PA2的按键中断，进入组网模式，完成采集节点的入网申请。当SX1278检测到前导码、发送完成或者接收完成后通过DIO0触发STM8L101处理器中断，处理器会根据状态机让SX1278切换到接收模式、发送模式或CAD模式。

图4 采集节点数据处理流程图

2.3 温湿度和CO2浓度传感单元设计

温湿度和CO2浓度传感单元选用Sensirion的SCD30模块，CO2浓度测量精度：±30ppm，测量范围：400～10000 ppm；相对湿度测量精度：3%RH，测量范围0～95%RH；典型温度精度：0.4℃温度测量范围-40～70℃。温湿度和CO2浓度传感单元电路如图5所示。其中SEL低电平时采用I2C总线，RDY高电平时数据转换完成。

图5 温湿度和CO2浓度传感单元电路

2.4 光照强度单元设计

光照强度单元选用ROHM公司的BH1730FVC-TR数字输出型的环境光亮度传感器，由光电二极管、电流电压转换电路、A/D转换器、控制逻辑电路以及接口电路等构成，采用I²C接口，可以检测0.001lx～100000lx，测量偏差小于±15%。光照强度单元设计电路如图6所示。其中DVI为I2C总线电压。

图6 光照强度单元设计电路

BH1730FVC有两个输出，x（14h，15h寄存器内容）可见光测量数据，y（16h，17h寄存器内容）红外线测量数据，光照强度计算式为：

其中G为ADC分辨率，T为测量积分时间。

3 网络传输层设计与实现

汇聚节点是采集节点和MQTT服务器通信的桥梁，它负责将采集节点的数据汇总，再通过CAT1模块将数据传输到云服务器存储和处理。汇聚节点总体结构设计如图7所示，其主要由三部分构成：树莓派、LoRa数传电台和4G Cat1数传电台。

图7 汇聚节点总体结构设计

(1) 树莓派

汇聚节点采用树莓派4B，该型号是基于ARM Cortex-A72为核心架构的微型电脑主板，支持Linux操作系统，运行频率1.5GHz，其体积小巧，功耗较低，功能和接口和普通PC机类似。相较之前版本的树莓派，Raspberry Pi 4B新增了4个PL011 串口，其功能足以满足汇聚节点系统所需的各类配置。

(2) LoRa数传电台

LoRa数传电台选用亿佰特公司的E90-DTU，内置功率放大器（PA）与低噪声放大器（LNA），提供透明RS232/RS485 接口，采用LoRa扩频技术实现一点（汇聚节点）对各采集节点无线数据传输，工作在433MHz频段，通讯距离可达10km。

E90-DTU工作在透传模式，支持定点发射和广播发射，定点发射的报文格式如表1所示。

表1 定点发射报文结构

定点发射时，接收端只有自身地址和目标节点地址相同，且信道也为0x4的节点才能接收到报文。报文格式如表2所示。定点发射主要用于采集节点和汇聚节点间的温室环境数据的上传，采集节点注册入网。

表2 定点发射命令域和数据域结构

广播发射时，接收端信道为0x4的节点都可以接收到报文。报文格式如表3所示。广播发射主要用于通知节点开放/禁止注册入网申请。

表3 广播发射开放/禁止入网申请报文结构

(3)4G数传电台

4G数传电台选用亿佰特公司的E840-DTU，带4G+GPS分集接收功能，支持三大运营商Cat1网络接入，可通过简单的AT 指令实现串口设备到云服务器的双向数据透明传输，可以接入标准MQTT协议物联网平台。通过RS232/RS485与串口设备互联。

3.1 LoRa无线组网方案

LoRa通信主要包括采集节点的注册入网和汇聚节点的轮询采集。

3.1.1 采集节点注册入网

温室设备初次安装时，通过修改汇聚节点的设备列表完成采集节点批量入网，当单个采集节点发生更换时，首先采集节点PA2口按键中断，让采集节点立即进入到组网模式，开始侦听广播发文，然后汇聚节点再通过按键中断，汇聚节点会在轮询间歇期间进入组网模式，根据自身设备列表情况发送开放或禁止组网报文，具体流程如图8所示。