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基于LoRa技术的智慧农场物联网系统设计研究

2024-10-23 113 上传者：管理员

摘要：设计了一款基于LoRa技术的智慧农场物联网系统。该系统主要包括LoRa终端节点、LoRa网关。LoRa终端节点包括数据采集部分、输出控制部分以及通信显示部分等。采集部分运用三个传感器采集农场环境信息，当环境因子发生变化时控制部分水泵工作。LoRa网关节点接收来自LoRa终端节点的数据，将数据上报到云平台，同时网关也接收来自云平台的控制命令并下发到终端节点，控制终端节点的工作。应用结果表明，该系统性价比高，易实现，能切实减轻农场的护理负担，提高生产效率。

关键词：
农业生产
农村城镇化
农村现代化
智慧农场
物联网系统
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传统的农业生产有人力要求高、效率低等缺点，且随着经济社会的快速发展、农村人口结构的变化和农村城镇化的快速推进，当今留守在农村的大部分是儿童和老人，年轻劳动力几乎全部外出，农业的规模化、信息化和数字化已成为农村现代化和乡村振兴的重要抓手。

在物联网技术的快速发展和农业信息化、智慧化需求的助推下，智慧感知芯片以及嵌入式物联网技术与智慧农业的融合也得到了广大学者的大力研究。马凯[1]提出“基于ZigBee的智慧农业网络监测系统设计”，以CC2530芯片作为主控芯片，网关与采集节点和控制节点之间采用ZigBee协议进行通信；邓炳玥[2]提出“基于ZigBee和NB-IoT的智慧农业环境监测系统设计”，由ZigBee节点采集种植环境的温湿度、光照、二氧化碳浓度等各项数据，数据汇聚到ZigBee网关节点，ZigBee网关节点将数据发送给NB-IoT模块，NB-IoT模块再将数据发送到物联网云平台，PC端和手机端从物联网云平台获取数据；陈如广[3]提出了一种“基于NB-IoT的智慧农业生产监测系统”，用STM32F103系列主控芯片制作NB-IoT节点，采集到各项环境数据后发送给NB-IoT基站上传到云平台，应用层再从云平台获取数据。

集成CC2530芯片的ZigBee模块内存代码空间有限，运行内存只有8 KB，内核架构落后，且ZigBee技术是一种短距离无线通信技术，覆盖范围只有几百米，需要很多节点才能将大型化的、规模化的农场全部覆盖到[4]。NB-IoT和LoRa都是属于低功耗的广域网技术，通信距离远，但NB-IoT通信是基于电信网络技术，需要安装SIM卡并依赖移动基站的支持，如果卡失效或者欠费，NB-IoT将不能正常工作。STM32性能较好，外设丰富，LoRa工作在免授权频段，无需基站即可进行网络建设，网络架构简单，运营成本低[5]。本文采用LoRa无线通信技术设计智慧农场系统，用STM32L151系列主控芯片制作LoRa节点和LoRa网关。

1、系统设计及功能分析

农作物播种过后，大多要经历浇水、施肥、农药喷洒这几个过程才会到最终收获，如果这几步没有做好将大大影响农作物的最终产量。例如，如果种的西瓜肥料不足，结的果肉是偏白的；在炎热的夏天不给辣椒地浇水，辣椒苗会蔫甚至死亡；一季水稻全程大概需要喷洒五次农药，如果病虫防治不到位产量会非常低。本文的智慧农场系统由LoRa终端节点、LoRa网关、云平台、App和PC端等组成。LoRa终端节点用传感器采集农场土壤的氮磷钾数据、温湿度数据以及农作物的病虫害参数，并将检测到的数据经由LoRa网关通过MQTT协议传送到物联网云平台，手机App和PC端可以从云平台获取数据进行显示控制，当农场的环境因子发生变化时，系统通过云端下发指令控制相关设备的输出，如风扇、水泵的开启等，使农场农作物的生活环境达到一个平衡的状态。云平台、手机App和PC端提供手动控制输出设备的入口，方便用户根据自己的意愿控制输出设备，系统设计框图如图1所示。

图1 系统设计框图

2、硬件设计

2.1 LoRa终端节点

终端节点硬件部分由LoRa模块、MCU主控单元、数据采集部分、继电器控制部分、射频处理模块、存储模块、电源模块及蓝牙模块组成，硬件框架如图2所示。

图2 LoRa终端节点硬件框架

MCU选择超低功耗的STM32L151C8芯片，其有丰富的外设、多样的封装形式、高性能、大容量存储、高性能M3内核和丰富的通信接口等。LoRa模块采用基于SEMTECH射频集成芯片SX127X的射频组LSD4RF-2F717N30，这是一款物联网无线收发器，其特殊的LoRa调试方式可大大增加通信距离，具有体积小、传输距离远、功耗低、抗干扰能力强等优点。土壤温湿度和土壤氮磷钾的数据检测采用土壤监测传感器，该传感器直接插入土壤，使用方便，使用标准Modbus-RTU通信协议，通信方式支持RS485、模拟量、NB、4G、以太网和WIFI，支持二次开发[6]。采用DHT11检测环境的温湿度参数，与微控制器之间的通信和同步采用单总线数据格式，数据的读取只需要一根线，用一个GPIO口就可以。当农作物有害虫侵入时，害虫会吸收农作物的光线，导致农作物发出不同的光谱特征，采用可见光谱传感器AS7341可对农作物做虫情监测，AS7341与主控芯片以IIC的方式通信。继电器选择广泛应用于农田灌溉、城市给排水、民用供水等领域的JQX-12F普通电磁水泵继电器，安装方便、体积小且价格低廉，可以控制自来水、肥料以及农药的喷洒。电源模块采用WD5201这款芯片，无需功率电感和输入高压电容，体积小，系统稳定，生产成本低，能将AC 220 V电源高效地转化为DC 5 V、3.3 V和2.7 V三档固定输出。存储芯片采用AT24C02，虽然它有使用次数的限制，但是价格相对来说要便宜一些，如果不考虑成本，也可以使用FM24C02，FM24C02与AT24C02电路原理是一样的，没有使用次数限制，但FM系列比AT系列要贵一些。蓝牙模块选择KT6368A蓝牙主从一体芯片，支持BEL协议，可以透传和设置AT指令，价格便宜。射频处理模块选用工作在13.56 MHz的FM1701非接触射频芯片，存储容量大[7]。

2.2 LoRa网关

LoRa网关节点由MCU、LoRa模块、数据存储单元、蓝牙模块、电源模块、LED指示灯和4G通信模块构成，网关节点选择的模块型号与终端节点基本一致，4G通信模块承载着LoRa网关与云平台的通信任务，同时网关节点的电源选型还需考虑4G模块的供电，具体硬件框架如图3所示。

图3 LoRa网关节点硬件框架

2.3 LoRa通信协议

LoRa终端节点和LoRa网关之间的通信按照产品特点设计私有通信协议，LoRa网关给LoRa终端节点发送请求帧，LoRa终端节点给LoRa网关发送响应帧，具体的帧结构如表1和表2所示。

表1 请求命令结构

其中，HEAD为数据帧头，默认值0x55；CMD是命令字节，0x01=读传感器数据，0x02=控制继电器输出；NET＿ID为网络号，共2个字节；LoRa＿ADDR是LoRa模块的地址；DATA域的两个字节为两个继电器的控制命令；CHK是校验和，是从HEAD到DATA域的最后一个字节的和，保留低八位。

表2 响应命令结构

其中，HEAD为数据帧头，默认值0x55；CMD是命令字节，0x01=读传感器数据；NET＿ID为网络号，共2个字节；LoRa＿ADDR是LoRa模块的地址；ACK是响应项，0x00=响应OK，0x01=无数据，0x02=数据错误，其他预留；LEN是数据域的长度；DATA域土壤温湿度数据2个字节，土壤氮磷钾数据3个字节，空气的温湿度数据2个字节，光谱仪传感数据1个字节，共8个字节；CHK是校验和，是从HEAD到DATA域的最后一个字节的和，保留低八位。

3、软件设计

为实现智慧农场的组网通信以及各通信设备间信息的互联互通，本文的软件程序包括LoRa终端节点的程序、LoRa网关的程序、云平台的搭建、PC端和手机App的程序。

3.1 LoRa终端节点程序设计

LoRa终端节点与网关之间采用多对一的方式通信，终端节点需要周期性地监听网关发送过来的消息，并采集本节点的各项数据。终端收到了消息帧之后，按照LoRa通信协议进行解析，判断帧头是否一致，校验和是否通过，如果某一项不通过，直接返回不应答。如果校验无误，则判断请求帧的命令字节是读取传感器的数据还是控制继电器的输出。如果CMD的值是0x01，则按照响应帧格式组帧并通过LoRa无线通信将数据发送到LoRa网关[8]。如果CMD的值是0x02，则LoRa终端节点根据解析出来的数据域的值进行继电器控制。

3.2 LoRa网关节点程序设计

LoRa网关是建立在LoRa终端节点和云平台之间的信息桥梁，LoRa网关将从终端节点接收到的信息按照MQTT的协议组装上报到物联网云平台。当网关收到控制指令时，LoRa网关在心跳周期内按照请求帧的格式，将控制命令以广播的方式下发给自己管辖的所有节点。如果网关在一定时间内没有收到响应信息，则重新发送请求帧。如果三次没下发命令成功，则网关通过MQTT协议发送故障指令给云服务器，使该故障节点在云平台显示为离线状态[9]。

3.3 MQTT协议与云平台

MQTT是一个基于C/S的消息发布/订阅传输协议，是一种基于二进制的协议，用于LoRa网关与云平台之间的通信，固定头、可变头、消息体构成了MQTT的数据包，是目前广泛使用的物联网协议。

中移物联网云平台OneNet 4.14后不再维护多协议，本文云平台选择阿里云，具体操作流程如下：登录阿里云物联网开发IoT Studio，注册账号后创建项目，创建产品，再给创建的产品设备添加属性，添加设备。使用MQTT客户调试工具从阿里云获得连接方法后，选择需要的调试设备，获取MQTT的连接参数，建立MQTT和阿里云的连接。

3.4 移动端App

阿里云平台提供App的创建功能，通过简单的配置就可实现App和云平台之间的数据通信，实现云平台和App之间数据的实时互通。进入阿里云的人机交互页面，选择公版App控制设备，选择分享方式和设备面板完成App的制作[10]。

4、结语

本文的智慧农场物联网系统以低功耗广域网技术LoRa进行无线通信，感知层主控芯片选择低功耗的STM32L151C8为主控芯片，三个传感器采集农场环境数据，两个水泵继电器控制输出，LoRa网关与云平台通过MQTT协议进行通信，整个系统涵盖了物联网感知层、传输层和应用层，是一个功能完备、性价比高、易实现的物联网系统。

参考文献:

[1]马凯.基于ZigBee的智慧农业网络监测系统设计[J].江苏通信,2021,37(5):85-88.

[2]邓炳玥.基于ZigBee和NB-IOT的智慧农业环境监测系统设计[J].农业工程技术,2023,43(5):20-21.

[3]陈如广.基于NB-IoT的智慧农业生产监测系统[J].智慧农业导刊,2023,3(8):14-16+23.

[4]储玉芬.基于LoRa的智慧农业大棚监控系统设计[J].科技传播,2024,16(7):22-24.

[5]李楠,苏航,张安莉,等.基于OneNET云平台的智慧消防远程监控系统的设计[J].电子设计工程,2024,32(9):56-60+65.

[6]周鹏梅.基于LoRa+5G的低成本智慧农业物联网系统设计[J].电脑编程技巧与维护,2024(1):122-125.

[7]褚洋,李丹丹.面向智慧城市的LoRa和物联网云平台的智能充电监控系统[J].机电工程技术,2024,53(4):30-35+70.

[8]曹帅,钱谦,张娅玲,等.基于LoRa的智慧农田土壤环境监测系统研究[J].农业装备与车辆工程,2024,62(1):18-22.

[9]王与,王煜.基于lora的智慧牧场溯源查询系统设计[J].电子技术,2024,53(3):44-45.

[10]刘艳昌,郭宇戈,张志霞,等.基于LoRa的生猪体征监测系统设计与实现[J].中国农机化学报,2024,45(4):66-71+140.

文章来源:张玲玉,卿晶晶.基于LoRa技术的智慧农场物联网系统设计研究[J].南方农机,2024,55(20):76-78+84.