◆李穎

基于LoRa技術(shù)與云技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

◆李穎

（煙臺(tái)汽車工程職業(yè)學(xué)院信息與控制工程系 山東 265500）

本文針對(duì)目前目慧溫室大棚存在無線通信距離短、數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)功耗大、數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)成本高等問題，通過對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云技術(shù)的分析，以農(nóng)業(yè)智慧大棚為依托，提出了將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的LoRa技術(shù)、傳感器技術(shù)，結(jié)合云技術(shù)，應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)之中。設(shè)計(jì)了基于LoRa技術(shù)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、基于云技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，使該系統(tǒng)具有智能感知、數(shù)據(jù)挖掘分析、數(shù)據(jù)可視化、遠(yuǎn)程智能控制等功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、低功耗、智能化、多維度、多尺度的農(nóng)作物信息實(shí)時(shí)監(jiān)測。

物聯(lián)網(wǎng)；云技術(shù)；智慧農(nóng)業(yè)；環(huán)境監(jiān)控

1 智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的背景和現(xiàn)狀

智慧農(nóng)業(yè)是云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、3S等多種信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)中綜合、全面的應(yīng)用，通過對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的智能感知、監(jiān)測、跟蹤、數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈的精準(zhǔn)化管理和可視化診斷，提升了農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的價(jià)值創(chuàng)造力，提高了經(jīng)濟(jì)效益，是一種新型的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。

最初，智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用GSM技術(shù)，但是由于GSM系統(tǒng)的成本比較高，逐漸被基于ZigBee技術(shù)的系統(tǒng)所取代，但是，在實(shí)際運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)ZigBee技術(shù)存在傳輸距離短、無線組網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、信號(hào)抗干擾性弱、數(shù)據(jù)傳輸安全性低等缺點(diǎn)，因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程中也沒有得到大規(guī)模的推廣使用。而Lora技術(shù)的出現(xiàn)，解決了智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)所要求的長距離通信、強(qiáng)抗干擾能力、組網(wǎng)簡單等需求問題。

2 智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)技術(shù)論述

本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，通過無線傳感網(wǎng)技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)大棚的環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和傳輸，同時(shí)，通過云平臺(tái)將環(huán)境信息存儲(chǔ)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)下發(fā)至大棚管理人員的移動(dòng)終端。

基于物聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的核心是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云技術(shù)。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中，感知信息的基礎(chǔ)是各種信息傳感設(shè)備，信息傳輸?shù)幕A(chǔ)是各種網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，信息處理與應(yīng)用的基礎(chǔ)是廣泛智能化應(yīng)用的解決方案集。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的目的是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識(shí)別、管理和控制。云技術(shù)通過整合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、整合技術(shù)、管理平臺(tái)技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)等，組成資源池，便于用戶靈活地按需使用。側(cè)重點(diǎn)在于信息的分析、整合、管理。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集模塊、LoRa網(wǎng)關(guān)設(shè)備、云服務(wù)器、移動(dòng)監(jiān)控終端。數(shù)據(jù)采集模塊是獲取溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的終端節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)采集溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等環(huán)境參數(shù)信息。節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間通過LoRa模塊組網(wǎng)進(jìn)行無線傳輸。LoRa網(wǎng)關(guān)設(shè)備負(fù)責(zé)將LoRa終端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚，通過WiFi網(wǎng)絡(luò)將節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)打包上傳至云平臺(tái)。云服務(wù)器將LoRa網(wǎng)關(guān)所上傳的消息進(jìn)行處理、存儲(chǔ)，并通過CGI+HTML技術(shù)與Web前端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示到Web界面上。用戶可以通過瀏覽器對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。采用Eclipse平臺(tái)開發(fā)移動(dòng)端監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。

3.1 基于LoRa技術(shù)的智慧大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

基于LoRa技術(shù)的智慧大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由LoRa終端設(shè)備和LoRa網(wǎng)關(guān)設(shè)備構(gòu)成。LoRa網(wǎng)關(guān)設(shè)備采用基于SEMTECH的射頻集成芯片SX127X射頻模塊，設(shè)備之間基于LoRaWAN協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。網(wǎng)關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)的功能包括：控制LoRa模塊完成在LoRa設(shè)備之間的數(shù)據(jù)接收與發(fā)送；通過串口與智能終端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。LoRa終端設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)與LoRa網(wǎng)關(guān)設(shè)備一致，同樣采用SX127X射頻模塊，并在此基礎(chǔ)之上擴(kuò)展外圍傳感器電路和控制電路，實(shí)現(xiàn)采集環(huán)境數(shù)據(jù)并發(fā)送至網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

基于LoRa技術(shù)的智慧大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)程序均基于sapi框架開發(fā)。

其中sapi應(yīng)用接口在AppCommon.c文件中實(shí)現(xiàn)，其主要的幾個(gè)函數(shù)是：

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

功能：對(duì)射頻模塊發(fā)送、接收參數(shù)進(jìn)行初始化。

（2）void hal_temHumInit（void）

功能：初始化溫濕度模塊。

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

功能：初始化ADC轉(zhuǎn)換。光照度和CO2濃度需要通過AD轉(zhuǎn)換的方式進(jìn)行采集。

（4）void Tim3McuInit（uint16_t PeriodValueMs）

功能：TIM3定時(shí)器初始化，設(shè)置中斷周期PerioValueMS毫秒。

（5）void MyRadioRxDoneProcess（ void ）

功能：無線模塊數(shù)據(jù)接收完成處理進(jìn)程函數(shù)。

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

功能：數(shù)據(jù)解析，發(fā)送響應(yīng)數(shù)據(jù)

（7）void LoRa_GetSensorDataProcess（void）

功能：換算傳感器數(shù)據(jù)，并上傳傳感器值。

3.2 云平臺(tái)

本文采用新大陸時(shí)代教育集團(tuán)提供的云平臺(tái)，完成接收網(wǎng)關(guān)傳送的數(shù)據(jù)、展示節(jié)點(diǎn)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、查詢歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)到移動(dòng)終端等任務(wù)要求。

首先，登錄物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，然后注冊(cè)應(yīng)用項(xiàng)目，并對(duì)應(yīng)用項(xiàng)目進(jìn)行配置，包括添加網(wǎng)關(guān)、添加傳感器、修改項(xiàng)目信息、設(shè)置設(shè)備的公開權(quán)限等操作。最后，發(fā)布項(xiàng)目，就可以在云平臺(tái)的項(xiàng)目展示頁中查看傳感器數(shù)據(jù)。同時(shí)，在移動(dòng)終端也能夠?qū)崟r(shí)查看傳感器數(shù)據(jù)。

3.3 移動(dòng)終端程序設(shè)計(jì)

移動(dòng)終端程序設(shè)計(jì)是本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)，用戶最終需要通過移動(dòng)終端實(shí)時(shí)查看傳感器數(shù)據(jù)信息，因此移動(dòng)終端程序設(shè)計(jì)必須兼顧穩(wěn)定、簡潔、易操作、靈敏、資源占用率低等特點(diǎn)。移動(dòng)終端調(diào)用了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)、用戶數(shù)據(jù)服務(wù)。

4 博物館安防物聯(lián)網(wǎng)云系統(tǒng)性能測試

本文所提出的系統(tǒng)方案，其應(yīng)用背景為農(nóng)業(yè)大棚，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與云技術(shù)的融合為手段，該系統(tǒng)對(duì)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行了測量。統(tǒng)計(jì)結(jié)果為7日內(nèi)同一時(shí)段的平均值。

表1 溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

采樣時(shí)間9：0010：0011：0012：0013：0014：0015：0016：00 溫度（℃）25.225.526.627.428.227.727.226.8

表2 濕度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

采樣時(shí)間9：0010：0011：0012：0013：0014：0015：0016：00 濕度（RH（%））68.362.760.155.552.750.456.660.6

表3 光照度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

采樣時(shí)間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濃度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

采樣時(shí)間9：0010：0011：0012：0013：0014：0015：0016：00 CO2濃度（ppm）300330270210150230260320

5 結(jié)論

本項(xiàng)目研究的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為依托，以云平臺(tái)提供的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、管理等基礎(chǔ)服務(wù)和各種云服務(wù)API接口為核心，以數(shù)據(jù)傳送格式標(biāo)準(zhǔn)化為基礎(chǔ)，以智能物聯(lián)網(wǎng)云網(wǎng)關(guān)為關(guān)鍵設(shè)備，以便攜式智能終端為手段，以LoRa通信為組網(wǎng)方式，實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測、數(shù)據(jù)查詢等功能，有效地解決了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)所存在的問題，有效地降低了建設(shè)成本、系統(tǒng)維護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)傳送與存儲(chǔ)的格式標(biāo)準(zhǔn)化，降低了日常使用的難度。

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煙臺(tái)汽車工程職業(yè)學(xué)院橫向課題（YTQC2020H02）