基于LoRa 氣霧立體栽培環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計*

歐 洋，馬春燕，郝彥釗

(太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院，山西 太原 030024)

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是以信息技術(shù)為支撐，根據(jù)空間變異，定位、定時、定量的實施一整套現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)操作管理系統(tǒng)，是信息技術(shù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全面結(jié)合的一種新型農(nóng)業(yè)[1]，是近年來農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的新潮流。溫室作為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實施的一項載體，通過控制室內(nèi)溫濕度、光照、二氧化碳等植物生長所需的必要條件，可以為農(nóng)作物提供良好的生長環(huán)境。目前，大型溫室中采用土壤栽培、水培的方式較多。而一種新型氣霧立體栽培優(yōu)化了無土栽培模式，其生長周期短、品質(zhì)高、病蟲害少、方便人員管理等優(yōu)點讓無土栽培[2]得到快速發(fā)展。氣霧立體栽培采用霧化裝置，將植物生長所需的營養(yǎng)液霧化為小霧滴，直接作用在植物根部，為植物生長提供營養(yǎng)成分，是一種新型的無土栽培技術(shù)[3]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)的不斷完善，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)對溫室環(huán)境的精準(zhǔn)監(jiān)測與控制，可以有效減少人員管理成本[4]。

目前，在大型溫室監(jiān)控系統(tǒng)中，多采用Bluetooth、ZigBee、Wi-Fi、GPRS 無線通訊方案。Bluetooth 組網(wǎng)簡單，但通訊距離僅10 m 左右，只能應(yīng)用于小型溫室。ZigBee 具有低功耗、低復(fù)雜度的特點，但信號衰減快，通訊距離為幾十米到二百米左右[5－6]，受環(huán)境影響較大。Wi-Fi 傳輸速度快，通訊距離適中，但是功耗大，難以采用電池為其供電。GPRS 基于無線分組技術(shù)，實現(xiàn)廣域連接，但是按流量計費(fèi)，成本高，存在偏遠(yuǎn)地區(qū)信號無覆蓋等問題[7]。近年來，為了滿足更多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的接入，出現(xiàn)了一種低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(Long Range Radio，LoRa)，該技術(shù)采用星型連接方式，具有通信功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)、運(yùn)營成本低等特點[8]。LoRa技術(shù)通過擴(kuò)頻調(diào)制和前向糾錯技術(shù)，在相同功耗的前提下，擴(kuò)大了無線通訊的傳輸范圍和提高了鏈路的魯棒性。通過調(diào)整擴(kuò)頻因子、調(diào)制帶寬和糾錯編碼率對LoRa 調(diào)制解調(diào)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化[9－10]。論文在溫室中構(gòu)建LoRa 監(jiān)測系統(tǒng)，對影響氣霧立體栽培裝置中植物生長的溫濕度、光照、二氧化碳濃度等關(guān)鍵因素進(jìn)行監(jiān)測，并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)生存周期和溫室監(jiān)測可靠性試驗，為氣霧立體栽培的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 溫室監(jiān)測對象分析

溫室作為一個小氣候環(huán)境的載體，氣霧立體栽培裝置安裝在溫室內(nèi)，是一個相對封閉的獨立生長系統(tǒng)，對植物生長過程中的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度、植物培養(yǎng)液pH 等因素都需要進(jìn)行監(jiān)測與控制[11]。溫室環(huán)境結(jié)構(gòu)和部分傳感器設(shè)備布置如圖1 所示。

圖1 溫室環(huán)境結(jié)構(gòu)圖

氣霧立體栽培裝置結(jié)構(gòu)靈活，由各模塊拼裝而成，可自由拆卸、布放、移動等。布放在頂部的超聲波霧化器可以使?fàn)I養(yǎng)液均勻分布在栽培塔中。氣霧立體栽培裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 氣霧栽培裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集終端、通訊網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器、客戶端界面四部分組成。數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

LoRa 數(shù)據(jù)采集終端(下文簡稱終端)與傳感器直接相連，通過單總線、I2C 通訊、串行通訊等方式采集傳感器數(shù)據(jù)，將采集數(shù)據(jù)通過SX1278 LoRa 模塊發(fā)送至通訊網(wǎng)關(guān)。終端和通訊網(wǎng)關(guān)采用星型連接網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，終端數(shù)量可以自由增減。

通訊網(wǎng)關(guān)是整個監(jiān)測系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器。一方面，負(fù)責(zé)與終端建立LoRa 通訊網(wǎng)絡(luò)，可雙向傳輸數(shù)據(jù)。另一方面，又負(fù)責(zé)與服務(wù)器通訊，將終端采集的數(shù)據(jù)集中處理并按協(xié)議打包發(fā)送給服務(wù)器。

服務(wù)器將通訊網(wǎng)關(guān)上傳的數(shù)據(jù)按照時間標(biāo)記存入數(shù)據(jù)庫，并通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至客戶端界面。

客戶端界面，可以便捷顯示栽培環(huán)境的各項數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程的實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)查詢、環(huán)境曲線繪制，方便用戶管理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)硬件包括數(shù)據(jù)采集終端和通訊網(wǎng)關(guān)。數(shù)據(jù)采集終端是整個監(jiān)測系統(tǒng)的物理感知層，通過傳感器獲取溫室各項環(huán)境數(shù)據(jù)。通訊網(wǎng)關(guān)是數(shù)據(jù)采集終端與服務(wù)器的連接橋梁。設(shè)計低功耗的終端節(jié)點和可靠的通訊網(wǎng)關(guān)是監(jiān)測系統(tǒng)性能穩(wěn)定的重要保證。

2.1 數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計

數(shù)據(jù)采集終端選取STM32F103C8T6 作為微控制器，具有32 位CortexTM-M3 CPU，處理速度快，外設(shè)接口處于待機(jī)狀態(tài)只有7.4 μA 電流，為低功耗MCU[12]。終端通過單總線(1－Wire)、I2C、RS485 接口與傳感器相連，采集栽培溫室內(nèi)的溫濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度、營養(yǎng)液pH 等數(shù)據(jù)。傳感器參數(shù)見表2(1 ppm＝10－6)。

表2 傳感器參數(shù)

終端將數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)關(guān)后，在采集間隔期，將進(jìn)入休眠模式。假定采集間隔為10 min，終端工作電流實測50 mA，每次工作時長350 ms，采用3 600 mAh的鋰電池供電，由電能公式計算可得有效生存周期可達(dá)到兩年。終端布放位置不固定，因此盡量減小終端體積，終端結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

圖3 終端結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 通訊網(wǎng)關(guān)設(shè)計

通訊網(wǎng)關(guān)是數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)中的核心部分，起到協(xié)調(diào)器的作用，網(wǎng)關(guān)下行與終端建立LoRa 網(wǎng)絡(luò)通訊，上行通過4G 模塊與服務(wù)器通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時采集和數(shù)據(jù)本地存儲等功能。

網(wǎng)關(guān)控制器選擇STM32F103ZET6 芯片，主頻72 MHz，具有512 kbyte 的Flash 存儲空間[13]。網(wǎng)關(guān)連接SX1278LoRa 模塊與終端進(jìn)行LoRa 通訊。4G模塊采用USR－G781 型號的DTU，網(wǎng)關(guān)通過RS232通訊方式與4G 模塊連接，上傳數(shù)據(jù)至服務(wù)器。同時，網(wǎng)關(guān)通過SDIO 協(xié)議將數(shù)據(jù)備份在本地。網(wǎng)關(guān)電路圖如圖4 所示。

圖4 網(wǎng)關(guān)電路圖

3 系統(tǒng)通訊方案設(shè)計

基于LoRa 長距離、低功耗、無線技術(shù)的氣霧立體栽培環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)通訊方案，設(shè)計了基于時分多址復(fù)用技術(shù)(Time division multiple access，TDMA)的通訊網(wǎng)關(guān)和終端自組網(wǎng)通訊策略，使終端可以隨機(jī)訪問、競爭入網(wǎng)。溫室環(huán)境中，需要上傳周期性環(huán)境感知數(shù)據(jù)，同時當(dāng)環(huán)境參數(shù)發(fā)生劇烈變化時或終端電池電壓低于預(yù)警值時，也需要進(jìn)行預(yù)警并將數(shù)據(jù)緊急上傳至網(wǎng)關(guān)，采用TDMA 策略既可以減小終端數(shù)據(jù)上傳的碰撞概率，又可以在空閑時隙采用CAD信道檢測，將緊急數(shù)據(jù)上傳，進(jìn)行預(yù)警。

3.1 TDMA 自組網(wǎng)通訊策略

時分多址復(fù)用技術(shù)是利用時間上離散的脈沖組成相互不重疊的多路信號，廣泛應(yīng)用于數(shù)字通信，由于信道的位傳輸率超過每一路信號的數(shù)據(jù)傳輸率，因此可將信道按時間分成若干片段輪換地給多個信號使用[14]。每一時間片段由復(fù)用的一個信號單獨占用，在規(guī)定的時間內(nèi)，多個數(shù)字信號都可按要求傳輸?shù)竭_(dá)，從而也實現(xiàn)了一條物理信道上傳輸多個數(shù)字信號。

基于TDMA 的LoRa 自組網(wǎng)設(shè)計，可以實現(xiàn)多個終端競爭入網(wǎng)。假設(shè)有n個終端節(jié)點，加入網(wǎng)關(guān)，第一個節(jié)點申請加入網(wǎng)關(guān)，會占用信道發(fā)送入網(wǎng)請求，網(wǎng)關(guān)接收到請求后，記錄終端的地址信息，回復(fù)應(yīng)答信號，包含上傳數(shù)據(jù)的時隙分配信息。當(dāng)其他的終端申請入網(wǎng)沒有接收到應(yīng)答信號，則進(jìn)行CAD信道檢測，檢測到信道空閑時會發(fā)送請求，如果信道忙，則產(chǎn)生隨機(jī)延時后繼續(xù)發(fā)送入網(wǎng)請求。CAD 信道活動檢測旨在以盡可能高的功耗效率檢測無線信道上的前導(dǎo)碼，在CAD 模式下，檢測LoRa 數(shù)據(jù)包前導(dǎo)碼[15]。

當(dāng)終端入網(wǎng)完成后，獲取上傳數(shù)據(jù)的時間片段信息，等到達(dá)時隙所規(guī)定的時間后，上傳數(shù)據(jù)。

3.2 LoRa 空中傳輸時間與同步時鐘

因為TDMA 是將通信的時間分割成小的時隙供每個終端通信，因此需要計算LoRa 上傳數(shù)據(jù)包的最大所需空中傳輸時間，一個數(shù)據(jù)包包括前導(dǎo)碼和有效負(fù)載數(shù)據(jù)。由式(1)可得一個數(shù)據(jù)包的空中傳輸時間。

式中Tpreamble是前導(dǎo)碼傳輸時間，Tpayload是有效負(fù)載傳輸時間。

前導(dǎo)碼傳輸時間通過式(2)計算:

其中npreamble表示已經(jīng)設(shè)定好的前導(dǎo)碼長度；Tsym表示符號速率。式(2)中:Tsym根據(jù)設(shè)定的擴(kuò)頻因子(SF)和信號帶寬(BW)可以計算:

式中SF 為擴(kuò)頻因子，BW 為信號帶寬。

有效負(fù)載數(shù)據(jù)傳輸時間由式(4)計算:

式中的payloadSymbNb 表示有效負(fù)載符號數(shù)。

有效負(fù)載符號數(shù)payloadSymbNb 為:

式中PL 表示有效負(fù)載的字節(jié)數(shù)；SF 表示擴(kuò)頻因子；使用報頭時H＝0，沒有報頭時H ＝1；當(dāng)使用低速率優(yōu)化時，DE ＝1，否則DE ＝0；CR 表示編碼率。

由以上公式可知，當(dāng)SF 值設(shè)置越大，空中傳輸時間越長，獲取所需空中時間最大值，所以設(shè)置SF 最大為12，BW＝500 kHz，CR ＝1，PL 為12 byte，前導(dǎo)碼為8 byte，由以上公式可計算出，前導(dǎo)碼傳輸時間為100.35 ms，有效負(fù)載數(shù)據(jù)的傳輸時間為147.46 ms，一個數(shù)據(jù)包空中傳輸總時間為247.81 ms。TDMA 通訊時，網(wǎng)關(guān)分配的每個時隙時間應(yīng)大于上傳數(shù)據(jù)包的空中傳輸時間。相對于采集間隔期，網(wǎng)關(guān)信道有一多半的時間處于空閑狀態(tài)，在信道空閑時進(jìn)行緊急數(shù)據(jù)上傳。

TDMA 能夠高效率地完成終端數(shù)據(jù)上傳，減小數(shù)據(jù)的碰撞概率，所依賴的是網(wǎng)關(guān)和終端高精度的時鐘同步。文中采用MCU 自帶的RTC 實時時鐘模塊，RTC 模塊是由一組可編程計數(shù)器組成，可產(chǎn)生1 s 的時間基準(zhǔn)，同時通過預(yù)分頻余數(shù)寄存器可以獲得10 ms 的精準(zhǔn)系統(tǒng)時間。網(wǎng)關(guān)通過間隔2 h 給所有終端下發(fā)同步時鐘，以保證與網(wǎng)關(guān)同步的精準(zhǔn)時間。

3.3 LoRa 數(shù)據(jù)傳輸

LoRa 數(shù)據(jù)傳輸包括兩種數(shù)據(jù)類型，一種是周期性間隔的環(huán)境感知數(shù)據(jù)，另一種是電源電壓預(yù)警、環(huán)境驟變的緊急數(shù)據(jù)。

周期性環(huán)境數(shù)據(jù)因變化并不劇烈，采用等長的間隔定時上傳數(shù)據(jù)，例如3 min～5 min 等，文中采用3 min 間隔來上傳數(shù)據(jù)，當(dāng)終端全部入網(wǎng)成功之后，根據(jù)網(wǎng)關(guān)返回的應(yīng)答信息，解析得到所分配的TDMA 時隙，當(dāng)3 min 時間到達(dá)時，按照時隙分配依次向網(wǎng)關(guān)上傳數(shù)據(jù)。

終端每隔30 s 會由鬧鐘進(jìn)行喚醒，進(jìn)行電壓檢測和環(huán)境數(shù)據(jù)采集，并由公式(6)進(jìn)行判斷，是否達(dá)到環(huán)境驟變的條件，不符合，再次進(jìn)入休眠狀態(tài)。當(dāng)滿足條件時，終端進(jìn)行CAD 信道檢測，信道空閑則將數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，完成緊急數(shù)據(jù)上傳。

式中:i指的是傳感器節(jié)點向量，yi(ti，k)指的是節(jié)點i當(dāng)前的數(shù)據(jù)采集量，yi(ti，k－1)指的是節(jié)點i前一時刻的數(shù)據(jù)采集量，α1可以是一個固定的值，也可是一個動態(tài)的值，當(dāng)φ(ti，k)為1 時，表明環(huán)境發(fā)生驟變，上傳緊急數(shù)據(jù)，反之不上傳。

網(wǎng)關(guān)流程圖如圖5(a)所示，初始化之后等待空閑中斷，判定所接收的數(shù)據(jù)類型，進(jìn)行相應(yīng)的分配時隙、處理上傳數(shù)據(jù)、同步終端時鐘等任務(wù)。終端流程圖如圖5(b)所示，進(jìn)行入網(wǎng)請求，上傳周期性數(shù)據(jù)、同步時鐘、上傳緊急數(shù)據(jù)等。

圖5 網(wǎng)關(guān)與終端流程圖

4 溫室現(xiàn)場試驗

4.1 現(xiàn)場試驗系統(tǒng)部署

搭建了供環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)測試的溫室，長3.1 m，寬1.8 m，頂高2.1 m，肩高1.9 m，設(shè)計有兩個頂部通風(fēng)窗、兩個側(cè)面通風(fēng)窗，具有保溫隔熱，透光性好等特點。在溫室內(nèi)放置了兩個氣霧立體栽培裝置，并安裝了5 個溫濕度傳感器、3 個光照傳感器、1 個二氧化碳傳感器，1 個營養(yǎng)液pH 傳感器等十個傳感器終端設(shè)備，進(jìn)行溫室環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測試驗。

試驗采用芽苗菜作為試驗對象，每日保持芽苗菜種子濕潤，待發(fā)芽之后將其移植到氣霧栽培裝置中進(jìn)行種植，栽培裝置每隔1 h，超聲霧化器啟動1 h，保持栽培塔內(nèi)的環(huán)境濕潤，以保證芽苗菜具有足夠的水分生長。在夜晚光照不足時，啟動紅藍(lán)光補(bǔ)光燈，為其提供光照。監(jiān)測系統(tǒng)采集了一輪芽苗菜10 天生長期的環(huán)境數(shù)據(jù)。芽苗菜生長圖如圖6 所示。

圖6 芽苗菜生長圖

監(jiān)測系統(tǒng)使用PyQt5 制作了客戶端監(jiān)測界面，采用TCP/IP 通訊協(xié)議與服務(wù)器通訊。界面包括實時數(shù)據(jù)顯示、網(wǎng)絡(luò)連接、曲線顯示、歷史數(shù)據(jù)等功能。

由于采集間隔短，數(shù)據(jù)量眾多，選擇在芽苗菜生長期中某一天12:00～15:00 的溫濕度節(jié)點、光照節(jié)點、二氧化碳節(jié)點等數(shù)據(jù)曲線顯示如圖7 所示。由圖可知，當(dāng)溫度上升時，濕度在下降，溫濕度存在耦合關(guān)系。光照強(qiáng)度在該時間段逐步上升，由于光合作用，二氧化碳濃度逐步下降。

圖7 數(shù)據(jù)監(jiān)測界面與監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線

4.2 監(jiān)測系統(tǒng)測試與性能評估

監(jiān)測系統(tǒng)采集一個完整的芽苗菜生長周期(10天)，采用TDMA 通訊策略，每個終端節(jié)點上傳了4 800 包數(shù)據(jù)，以3 min 作為上傳間隔，丟包率為零，證明距離較短、間隔較長時，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。在校園露天環(huán)境下，由于學(xué)校高樓與樹木較多，測試系統(tǒng)長距離的穩(wěn)定性與TDMA 策略的優(yōu)劣性，分別在距離網(wǎng)關(guān)0～600 m 的半徑范圍內(nèi)，采用1 s 的間隔周期進(jìn)行數(shù)據(jù)快速上傳測試，數(shù)據(jù)長度為20 byte，數(shù)據(jù)量為1 000 幀，分別在擴(kuò)頻因子為9、10、11、12 基礎(chǔ)上，采用數(shù)據(jù)透傳和TDMA 兩種通訊策略，對比快速上傳數(shù)據(jù)的投遞率性能示意圖如圖8 所示。

由圖8 可知，當(dāng)擴(kuò)頻因子相同時，隨著距離的增加，投遞成功率下降，相同條件下，TDMA 策略成功率較高，相比于透明傳輸成功率提高12%。SF ＝11時，由于布置的終端節(jié)點與網(wǎng)關(guān)之間存在高樓遮擋物，導(dǎo)致成功率下降，因此布置溫室環(huán)境時，需考慮終端遮擋問題。當(dāng)SF 越大，傳遞的距離越遠(yuǎn)，成功率越高。

圖8 投遞率性能示意圖

5 結(jié)論

本文針對精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求，監(jiān)測溫室生長環(huán)境，提出了基于LoRa 低功耗遠(yuǎn)距離的無線監(jiān)測傳感網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計了LoRa 終端電路板，使LoRa 終端體積減小，布放方便，在此基礎(chǔ)上，研究了終端和網(wǎng)關(guān)通訊的TDMA 同步通訊策略。溫室試驗結(jié)果表明，監(jiān)測系統(tǒng)性能良好，穩(wěn)定可靠，在整個生長周期中，3 min 的上傳間隔，數(shù)據(jù)丟包率為0。為了滿足大型溫室的監(jiān)測要求，系統(tǒng)覆蓋了半徑為600 m 的監(jiān)測區(qū)域，終端數(shù)量可擴(kuò)充至100 終端節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，提高投遞成功率，減少了信道碰撞概率，增加了穩(wěn)定性。采用鋰電池供電，在溫室中根據(jù)實際情況可延長上傳周期，以此能獲得更長的生命周期。