基于LoRa的养猪场环境监测系统设计

张玲玉 ，卿晶晶

（长沙民政职业技术学院，湖南 长沙 410004）

随着经济社会的快速发展，集约化智能养殖已经成为当前生猪供应的普遍养殖方式，将生猪集中养殖在一起，利用先进的物联网技术对生猪进行统一管理，对生猪生长环境的各项参数进行精准监测。物联网由感知层、网络层及应用层构成，物联网网络层常用的通信技术有蓝牙、Wi-Fi、ZigBee、LoRa和NBIoT等[1-3]。在这些通信技术中，蓝牙通信距离只有10 m，ZigBee和Wi-Fi的覆盖范围在200 m左右，且工作在2.4 G频段，信号的穿透能力较弱，NB-IoT通信覆盖范围广，能满足养猪场环境监测系统的要求，但是NB-IoT工作在1 G以下的付费频段，且依赖运营商的基站网络，而LoRa工作在ISM免授权频段，不依赖运营商，可灵活自建网络[4]。为了更有效监测养猪场环境，本研究组建覆盖全养猪场的LoRa无线通信网络，以STM32单片机为基础开发用于CO2浓度、NH3浓度、温湿度等信号采集、发送和接收的模块。

1 系统总体设计

CO2浓度、NH3浓度、温湿度对生猪的健康生长至关重要，养猪场的环境需以这三个信号或者更多其他信号作为参考基准，即传感器节点采集到环境数据后，经过单片机处理，并传输出去。LoRa有低功耗、广覆盖、远距离、低成本等特点[5-6]，因此系统的数据传输选择LoRa无线通信技术，基于LoRa的生猪养殖监测系统框图如图1所示，由LoRa终端节点、LoRa网关、手机App等部分组成。

图1 基于LoRa的生猪养殖监测系统框图

针对养猪场需要监测的位置，将养猪场分成若干个区域，每个区域部署一个网关和若干个终端节点，终端节点负责将该节点采集到的CO2浓度、NH3浓度、温湿度借助LoRa无线通信网络发送到其对应的网关，LoRa网关将接收到的信号上传到物联网云平台，监控App从物联网云平台实时获取数据，App用户可以根据获取到的数据实时评估养猪场环境，做到集中高效管理、健康智能化养殖。

2 LoRa节点设计

图1的系统框图的LoRa节点分终端节点和网关汇聚节点，终端节点负责采集数据并将其发送出去，网关节点接收从终端节点发送过来的数据并转送到云平台，数据监控中心从云平台实时获取数据，进行养猪场环境的综合判断。

LoRa终端节点主要由单片机处理芯片STM32F103VET6、时钟、供电电源、复位、JTAG接口、LoRa组成，外接DHT11采集温湿度数据，接GS-Y系列CO2浓度传感器采集CO2浓度，接NH3浓度传感器MQ137采集NH3的浓度。LoRa终端节点基本结构如图2所示。

图2 LoRa终端节点基本结构

LoRa终端节点中STM32F103VET6是意法半导体公司出品的32位的基础型微控制器，外设资源多，功耗最低为1.9 μA。CO2浓度测量采用红外CO2气体传感器GS-Y5，工作平均电流约5.5 mA，分辨率1 ppm，测量范围400 ppm~10 000 ppm，精度±（50 ppm+5%读数），最大响应时间2 min。NH3浓度的测量采用传感器MQ137，使用寿命长，成本低，对NH3的灵敏度较高，检测范围5 ppm~500 ppm，加热功耗≤900 mW。温湿度传感器采用DHT11，温度测量范围0 ℃~50 ℃，测量误差±2 ℃，湿度测量范围20%~95%，测量误差±5%，工作电压3.3 V~5.5 V。LoRa无线模块选择SX1278，采用调频扩频技术，其工作在420 MHz~450 MHz频段，发射功率为100 mW，最大发射功率20 dBm，支持多种调制模式，FIFO容量大，支持256 Byte数据缓存，接收灵敏度-148 dBm，SPI通信接口，可与STM32F103VET6直接连接[7-8]。

LoRa网关节点接收来自终端节点发送过来的温湿度、CO2浓度、NH3浓度等环境数据，并通过GPRS或者以太网将数据上传到运营商云平台。LoRa网关节点和终端节点一样单片机处理芯片用的STM32F103VET6，LoRa模块用SX1278，STM32F103VET6与SX1278通过SPI通信[9-10]。

3 LoRa通信程序设计

LoRa终端节点每隔固定时间向LoRa网关节点发送养猪场的环境数据，与网关节点通信的请求帧设计如表1所示。

表1 请求命令结构

LoRa网关节点接收到终端节点发送过来的数据后将其转发到物联网云平台，网关节点接收到终端节点数据的响应帧设计如表2所示。

表2 响应命令结构

4 结语

综上所述，集约化健康养殖已经成为当今较为普遍的养殖方式，将物联网技术融入生猪养殖的日常管理工作，LoRa终端节点采集并发送数据到LoRa网关，LoRa网关收到数据后将其发送到物联网云平台，数据管理中心即手机App从云平台获取养猪场各位置的数据，养殖人员能精准地掌握生猪所处的各项环境参数。当温湿度、CO2浓度、NH3浓度等环境参数超过理想的阈值时，猪场管理人员能及时采取干预措施，保证生猪健康成长的同时实施高产量养殖。