基于LoRa技术与云技术的智慧农业系统设计与实现

◆李颖

基于LoRa技术与云技术的智慧农业系统设计与实现

◆李颖

（烟台汽车工程职业学院信息与控制工程系 山东 265500）

本文针对目前目慧温室大棚存在无线通信距离短、数据采集节点功耗大、数据采集节点成本高等问题，通过对物联网技术和云技术的分析，以农业智慧大棚为依托，提出了将物联网技术中的LoRa技术、传感器技术，结合云技术，应用于智慧农业系统之中。设计了基于LoRa技术的环境监控系统、基于云技术的远程监控系统，使该系统具有智能感知、数据挖掘分析、数据可视化、远程智能控制等功能，实现远距离、低功耗、智能化、多维度、多尺度的农作物信息实时监测。

物联网；云技术；智慧农业；环境监控

1 智慧农业系统的背景和现状

智慧农业是云计算、物联网、3S等多种信息技术在农业中综合、全面的应用，通过对农业产业链的智能感知、监测、跟踪、数据分析，实现了对产业链的精准化管理和可视化诊断，提升了农业产业链的价值创造力，提高了经济效益，是一种新型的农业生产方式。

最初，智慧农业环境监测系统采用GSM技术，但是由于GSM系统的成本比较高，逐渐被基于ZigBee技术的系统所取代，但是，在实际运行过程中，发现ZigBee技术存在传输距离短、无线组网结构复杂、信号抗干扰性弱、数据传输安全性低等缺点，因此在农业生产的过程中也没有得到大规模的推广使用。而Lora技术的出现，解决了智慧农业环境监测系统所要求的长距离通信、强抗干扰能力、组网简单等需求问题。

2 智慧农业系统技术论述

本文提出了一种基于物联网技术和云技术的智慧农业环境监控系统，通过无线传感网技术对农业大棚的环境信息进行实时采集和传输，同时，通过云平台将环境信息存储，并将数据实时下发至大棚管理人员的移动终端。

基于物联网和云技术的智慧农业环境监控系统的核心是物联网技术和云技术。在物联网技术中，感知信息的基础是各种信息传感设备，信息传输的基础是各种网络通信设备，信息处理与应用的基础是广泛智能化应用的解决方案集。物联网技术的目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。云技术通过整合网络技术、信息技术、整合技术、管理平台技术、应用技术等，组成资源池，便于用户灵活地按需使用。侧重点在于信息的分析、整合、管理。

3 系统设计

本项目设计包括数据采集模块、LoRa网关设备、云服务器、移动监控终端。数据采集模块是获取温室环境数据的终端节点，主要负责采集温湿度、光照强度、CO2浓度等环境参数信息。节点与网关之间通过LoRa模块组网进行无线传输。LoRa网关设备负责将LoRa终端节点采集的数据进行汇聚，通过WiFi网络将节点数据打包上传至云平台。云服务器将LoRa网关所上传的消息进行处理、存储，并通过CGI+HTML技术与Web前端进行数据交互，将数据实时显示到Web界面上。用户可以通过浏览器对温室环境参数进行远程监控。采用Eclipse平台开发移动端监控系统，以实现实时远程监控的功能。

3.1 基于LoRa技术的智慧大棚环境监测系统

基于LoRa技术的智慧大棚环境监测系统由LoRa终端设备和LoRa网关设备构成。LoRa网关设备采用基于SEMTECH的射频集成芯片SX127X射频模块，设备之间基于LoRaWAN协议进行数据交互。网关设备实现的功能包括：控制LoRa模块完成在LoRa设备之间的数据接收与发送；通过串口与智能终端设备进行数据通信。LoRa终端设备硬件结构与LoRa网关设备一致，同样采用SX127X射频模块，并在此基础之上扩展外围传感器电路和控制电路，实现采集环境数据并发送至网关设备。

基于LoRa技术的智慧大棚环境监测系统程序均基于sapi框架开发。

其中sapi应用接口在AppCommon.c文件中实现，其主要的几个函数是：

（1）void NS_RadioInit（uint32_t freq，int8_t power，uint32_t txTimeout，uint32_t rxTimeout）

功能：对射频模块发送、接收参数进行初始化。

（2）void hal_temHumInit（void）

功能：初始化温湿度模块。

（3）void AdcInit（Adc_t *obj，PinNamesadcInput）

功能：初始化ADC转换。光照度和CO2浓度需要通过AD转换的方式进行采集。

（4）void Tim3McuInit（uint16_t PeriodValueMs）

功能：TIM3定时器初始化，设置中断周期PerioValueMS毫秒。

（5）void MyRadioRxDoneProcess（ void ）

功能：无线模块数据接收完成处理进程函数。

（6）void LoRa_DataParse（uint8_t *LoRaRxBuf，uint16_t len ）

功能：数据解析，发送响应数据

（7）void LoRa_GetSensorDataProcess（void）

功能：换算传感器数据，并上传传感器值。

3.2 云平台

本文采用新大陆时代教育集团提供的云平台，完成接收网关传送的数据、展示节点采集的实时数据、查询历史数据、实时传送数据到移动终端等任务要求。

首先，登录物联网云平台，然后注册应用项目，并对应用项目进行配置，包括添加网关、添加传感器、修改项目信息、设置设备的公开权限等操作。最后，发布项目，就可以在云平台的项目展示页中查看传感器数据。同时，在移动终端也能够实时查看传感器数据。

3.3 移动终端程序设计

移动终端程序设计是本项目所设计系统的顶层设计，用户最终需要通过移动终端实时查看传感器数据信息，因此移动终端程序设计必须兼顾稳定、简洁、易操作、灵敏、资源占用率低等特点。移动终端调用了实时数据服务、用户数据服务。

4 博物馆安防物联网云系统性能测试

本文所提出的系统方案，其应用背景为农业大棚，以物联网技术与云技术的融合为手段，该系统对农业大棚内的环境数据进行了测量。统计结果为7日内同一时段的平均值。

表1 温度数据统计结果

采样时间9：0010：0011：0012：0013：0014：0015：0016：00 温度（℃）25.225.526.627.428.227.727.226.8

表2 湿度数据统计结果

采样时间9：0010：0011：0012：0013：0014：0015：0016：00 湿度（RH（%））68.362.760.155.552.750.456.660.6

表3 光照度数据统计结果

采样时间9：0010：0011：0012：0013：0014：0015：0016：00 光照度（klux）22.823.224.525.126.527.326.825.9

表4 CO浓度数据统计结果

采样时间9：0010：0011：0012：0013：0014：0015：0016：00 CO2浓度（ppm）300330270210150230260320

5 结论

本项目研究的基于物联网技术的智慧农业系统以物联网技术为依托，以云平台提供的数据采集、存储、管理等基础服务和各种云服务API接口为核心，以数据传送格式标准化为基础，以智能物联网云网关为关键设备，以便携式智能终端为手段，以LoRa通信为组网方式，实现传感器数据采集，实现了实时监测、数据查询等功能，有效地解决了传统农业系统所存在的问题，有效地降低了建设成本、系统维护成本，实现了数据共享、数据传送与存储的格式标准化，降低了日常使用的难度。

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烟台汽车工程职业学院横向课题（YTQC2020H02）