基于LoRa的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)云平臺(tái)應(yīng)用實(shí)現(xiàn).pdf

基 于 Lo a 的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)云平臺(tái)應(yīng)用實(shí)現(xiàn) 過琦芳 1 王永星 2 1 蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 蘇州 215008 2 江蘇理工學(xué)院 江蘇 常州 213001 摘 要 以溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)為研究對(duì)象 利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù) Lo a 通信技術(shù)及 GP S 通信技術(shù)構(gòu)建出一 種溫室大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng) 并進(jìn)行系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì) 試驗(yàn)驗(yàn)證表明 系統(tǒng)可有效的進(jìn)行數(shù)據(jù)通信 監(jiān) 控過程具有較高的可靠性 關(guān)鍵詞 溫室大棚 環(huán)境參數(shù) Lo a 無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 中圖分類號(hào) S625 5 1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1003 188X 2022 06 0219 04 0 引言 我國溫室大棚種植面積不斷增加 但由于溫室大 棚種植過程中對(duì)于氣溫 濕度及光照強(qiáng)度難以進(jìn)行自 動(dòng)控制 導(dǎo)致溫室大棚作物產(chǎn)量低 質(zhì)量差 1 2 為改 變溫室大棚作物種植過程中對(duì)環(huán)境因素自動(dòng)控制的 不足 一種基于物聯(lián)網(wǎng)與自動(dòng)測(cè)控技術(shù)的溫室大棚智 能監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用 但由于該類型 的智能監(jiān)控系統(tǒng)通用性較差 設(shè)備維修成本大 難以 實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用 3 4 筆者根據(jù)溫室大棚監(jiān)測(cè) 控制系統(tǒng)的現(xiàn)有應(yīng)用技術(shù)條件 基于 Lo a 技術(shù)構(gòu)建 一種通用型的溫室大棚自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng) 以實(shí)現(xiàn) 對(duì)溫室大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)采集 傳輸 存儲(chǔ)與控 制 可有效節(jié)省人工種植成本 提高溫室大棚作物的 產(chǎn)量和質(zhì)量 增加作物經(jīng)濟(jì)價(jià)值 1 溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng) 溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)是一種復(fù)雜的非線性時(shí)變系 統(tǒng) 具有一定的滯后性 5 溫室大棚作物的生長(zhǎng)過程 是光合作用 呼吸作用及蒸騰作用的綜合過程 其生 長(zhǎng)過程具有時(shí)變性 因此難以精確地建立生長(zhǎng)過程及 環(huán)境控制數(shù)學(xué)模型 6 所設(shè)計(jì)的溫室大棚自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)主要包含 環(huán)境參數(shù)的采集 參數(shù)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸 以及參數(shù)的 顯示存儲(chǔ)和設(shè)備的自動(dòng)控制功能 其架構(gòu)如圖 1 所示 收稿日期 2020 06 22 基金項(xiàng)目 江蘇省農(nóng)業(yè)職業(yè)教育教學(xué)改革發(fā)展研究一般課題 JSNZJ201 638 蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院青年教師科研能力提升計(jì)劃 項(xiàng)目 19QN1004 作者簡(jiǎn)介 過琦芳 1981 女 江蘇蘇州人 講師 碩士 E mail lramqym6 163 com 圖 1 溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)物理架構(gòu) Fig 1 Physical structure of greenhouse monitoring system 2 監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 基于 Lo a 構(gòu)建的溫室大棚自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)包 含無線傳感網(wǎng)絡(luò) Lo a 通信 以及 GP S 通信等關(guān)鍵 技術(shù) 2 1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種由多點(diǎn)分布傳感器節(jié) 點(diǎn)和無線網(wǎng)絡(luò)通信組成的分布式傳感網(wǎng)絡(luò) 主要包含 傳感器采集技術(shù)和傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù) 如圖 2 所示 圖 2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)構(gòu)框架圖 Fig 2 Technical structure of wireless sensor network 傳感器將監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的環(huán)境參數(shù)轉(zhuǎn)化為可進(jìn)行 測(cè)量和傳輸?shù)碾娦盘?hào) 通過傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸 傳 912 2022 年 6 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 6 期 DOI 10 13427 ki njyi 2022 06 038 感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將溫室大棚內(nèi)分布的傳感器節(jié)點(diǎn)連接 實(shí) 現(xiàn)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸 無線傳感網(wǎng)絡(luò)中 的傳感器節(jié)點(diǎn)可按照設(shè)定好的計(jì)算規(guī)則進(jìn)行監(jiān)測(cè)區(qū) 域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)搜索 7 2 2 Lo a 通信技術(shù) Lo a 通信技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中常用的無線通信技 術(shù) 能夠滿足超長(zhǎng)距離的網(wǎng)絡(luò)通信 同時(shí)具有功率消 耗低的特點(diǎn) Lo a 通信技術(shù)的覆蓋距離達(dá)到 30km 傳輸速率可達(dá)到 100bps 可滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中 溫室大棚的長(zhǎng)距離信息傳輸與控制 Lo a 通信技術(shù) 選用 1278 和 1276 兩種射頻芯片 僅對(duì)傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行 傳輸 無存儲(chǔ)功能 因此可實(shí)現(xiàn)低功率傳輸功能 Lo a 通信技術(shù)可實(shí)現(xiàn)一種星形組網(wǎng) 能夠?qū)崿F(xiàn)多終端的 節(jié)點(diǎn)接入 避免節(jié)點(diǎn)故障引起的網(wǎng)絡(luò)癱瘓 攜帶 6 組 不同的擴(kuò)頻因子 隨著擴(kuò)頻因子的變化 傳輸數(shù)據(jù)在 對(duì)應(yīng)頻帶范圍內(nèi)進(jìn)行傳輸 避免傳輸帶數(shù)據(jù)干擾 2 3 GP S 通信技術(shù) GP S 通信技術(shù)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程服務(wù)器對(duì)溫室大棚監(jiān) 控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制 常用的 GP S 模塊內(nèi)部集成 TCP IP 通信協(xié)議 當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為 TCP IP 數(shù)據(jù)包 3 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 溫室大棚自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)硬件主要包含傳感 器采集節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn) 如圖 3 所示 傳感器采集節(jié) 點(diǎn)由溫度傳感器 濕度傳感器 外圍電路及 Lo a 模塊 組成 可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)采集 并 進(jìn)行數(shù)據(jù)包生成與傳輸 匯聚節(jié)點(diǎn)由單片機(jī)外圍電路 和 GP S 通信模塊組成 將采集節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)包進(jìn)行 分析存儲(chǔ) 并接收控制系統(tǒng)的鞠策指令 實(shí)現(xiàn)溫室大 棚環(huán)境的自動(dòng)控制調(diào)節(jié) 圖 3 溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)硬件框架圖 Fig 3 Hardware framework of greenhouse monitoring system 匯聚節(jié)點(diǎn)是溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵部分 主要 由單片機(jī)及外圍電路 GP S 通信模塊 Lo a 協(xié)調(diào)控 制節(jié)點(diǎn)以及顯示報(bào)警系統(tǒng)組成 如圖 4 所示 圖 4 匯聚節(jié)點(diǎn)硬件框圖 Fig 4 Hardware block diagram of convergence node 基于 Lo a 通信技術(shù)構(gòu)建的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)采 集節(jié)點(diǎn)需要完成溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的采集及數(shù)據(jù)傳輸 同時(shí)接收匯聚節(jié)點(diǎn)的控制指令 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 進(jìn)行動(dòng)作 采集節(jié)點(diǎn)主要包含傳感器電路 控制電 路 單片機(jī)系統(tǒng)及 Lo a 通信模塊 如圖 5 所示 圖 5 采集節(jié)點(diǎn)硬件框圖 Fig 5 Hardware block diagram of acquisition node 022 2022 年 6 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 6 期 4 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 在溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中 軟件部分主要包括采 集節(jié)點(diǎn)軟件功能和匯聚節(jié)點(diǎn)軟件功能 任務(wù)示意圖如 圖 6 所示 圖 6 軟件系統(tǒng)任務(wù)示意圖 Fig 6 Software system task diagram 采集節(jié)點(diǎn)程序流程主要包括采集發(fā)送傳感器采 集到的相關(guān)參數(shù) 同時(shí)執(zhí)行匯聚節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的溫室大棚 控制指令 如圖 7 所示 圖 7 采集節(jié)點(diǎn)主程序流程圖 Fig 7 Main program flow chart of acquisition node 匯聚節(jié)點(diǎn)程序的主要功能是接收采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送 的溫室大棚相關(guān)環(huán)境參數(shù) 并進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化打包傳 輸 同時(shí)將控制指令轉(zhuǎn)發(fā)至采集節(jié)點(diǎn) 匯聚節(jié)點(diǎn)主程 序流程圖如圖 8 所示 5 試驗(yàn)驗(yàn)證 利用 Lo a 原理建立溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)后 進(jìn)行 通信組網(wǎng) 設(shè)計(jì)單匯聚節(jié)點(diǎn)與 3 個(gè)采集節(jié)點(diǎn)組成的試 驗(yàn)方法驗(yàn)證單點(diǎn)通信測(cè)試結(jié)果 試驗(yàn)過程中 分別對(duì) 3 個(gè)采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào) 采集節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)的初始 距離均為 50m 采集節(jié)點(diǎn)按照每隔 10m 距離進(jìn)行移 動(dòng) 在每一采集節(jié)點(diǎn)位置分別發(fā)送 1000 個(gè)兩種不同 字節(jié)長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)包 移動(dòng)過程中檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸效果 單點(diǎn)通信測(cè)試結(jié)果如表 1 所示 圖 8 匯聚節(jié)點(diǎn)主程序流程圖 Fig 8 Main program flow chart of convergence node 表 1 節(jié)點(diǎn)通信測(cè)試數(shù)據(jù) Table 1 Node communication test data 節(jié)點(diǎn)編號(hào) 通信距離 m 接收數(shù)據(jù)包 15 字節(jié) 30 字節(jié) 1 50 993 987 60 978 964 70 964 958 80 951 949 90 937 926 100 928 912 2 50 996 985 60 985 971 70 971 958 80 960 946 90 944 933 100 932 911 3 50 989 987 60 976 968 70 968 962 80 962 939 90 955 926 100 951 917 122 2022 年 6 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 6 期 為驗(yàn)證溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性 在長(zhǎng)度 100m 寬度 60m 的溫室大棚內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證 共設(shè) 置 8 組傳感采集節(jié)點(diǎn) 其中 2 組進(jìn)行環(huán)境溫度測(cè)量 6 組進(jìn)行土壤濕度測(cè)量 并采用人工檢測(cè)的方式進(jìn)行節(jié) 點(diǎn)處相關(guān)環(huán)境參數(shù)測(cè)量 試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)如表 2 所示 表 2 試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù) Table 2 Test data 環(huán)境參數(shù) 節(jié)點(diǎn)編號(hào) 檢測(cè)值 人工檢測(cè)值 溫度 1 28 4 27 8 2 26 7 26 5 濕度 3 62 0 62 0 4 63 0 64 0 5 59 0 61 0 6 67 0 66 0 7 66 0 68 0 8 71 0 71 0 數(shù)據(jù)結(jié)果表明 在距離 50m 時(shí) 3 個(gè)采集節(jié)點(diǎn)的 平均數(shù)據(jù)傳輸成功率分別達(dá)到 99 2 和 98 6 隨著 節(jié)點(diǎn)距離的增加 平均數(shù)據(jù)傳輸成功率逐漸降低 在 距離達(dá)到 100m 時(shí)成功率分別為 93 7 和 91 3 對(duì) 不同字節(jié)長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)傳輸成功率進(jìn)行對(duì)比可以看出 隨著字節(jié)長(zhǎng)度的增加 數(shù)據(jù)傳輸成功率也出現(xiàn)了降低 的趨勢(shì) 由表 2 可以看出 基于 Lo a 建立的溫室大棚監(jiān) 控系統(tǒng)在進(jìn)行環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)時(shí) 系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)與 人工檢測(cè)數(shù)據(jù)相符 其中溫度偏差量不大于 2 1 濕 度偏差量不大于 3 4 6 結(jié)論 利用 Lo a 技術(shù)建立了溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng) 以各 類傳感采集系統(tǒng)為節(jié)點(diǎn) 利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和 Lo a 技術(shù)建立系統(tǒng)匯聚節(jié)點(diǎn) 并通過 GP S 技術(shù)進(jìn)行 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸 通過對(duì)建立的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸成 功率及系統(tǒng)使用可靠性進(jìn)行驗(yàn)證 結(jié)果表明 在有效 的傳輸距離內(nèi) 數(shù)據(jù)傳輸成功率不小于 90 系統(tǒng)可 靠性不低于 96 參考文獻(xiàn) 1 王東 基于 Lo a 的溫室大棚數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 重慶 工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào) 2020 16 1 18 22 2 鄔亮 吳卓葵 曾楊達(dá) 等 基于 Lo a 的溫室多點(diǎn)無線監(jiān) 測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院學(xué)報(bào) 2020 33 1 50 53 65 3 李照 基于 Lo a 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的溫室測(cè)控平臺(tái)的開發(fā) J 江蘇農(nóng)機(jī)化 2019 5 7 10 4 朱敏 基于 LO A 技術(shù)的智慧溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí) 現(xiàn) J 電子測(cè)試 2019 12 67 68 48 5 仲宇璐 李娜 基于 Lo a 技術(shù)的農(nóng)業(yè)大棚溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 設(shè)計(jì) J 淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào) 2019 18 2 111 113 6 朱軍 郭戀戀 王乾辰 等 基于 Lo a 的農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)測(cè)系 統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) J 通信技術(shù) 2018 51 10 2430 2435 7 張攀 楊揚(yáng) 基于 Lo a 的物聯(lián)網(wǎng)溫室監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn) J 現(xiàn)代信息科技 2018 9 187 189 Cloud Platform Application of Greenhouse Monitoring System Based on Lo a Guo Qifang 1 Wang Yongxing 2 1 Suzhou Polytechnic Institute of Agriculture Suzhou 215008 China 2 Jiangsu Institute of Technology Changzhou 213001 China Abstract This paper takes the greenhouse monitoring system as the research object uses wireless sensor network tech nology Lora communication technology and GP S communication technology to build a greenhouse environmental parameter monitoring system and designs the hardware and software of the system Through the test the system can ef fectively carry out data communication and has high reliability for the monitoring process of environmental parameters Key words greenhouse environmental parameters Lo a wireless sensor network technology 222 2022 年 6 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 6 期