基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì).pdf

46 第04期 2020年2 月 N o 0 4 F e b r u a r y 2020 隨 著 科 學(xué) 技 術(shù) 的 發(fā) 展 與 國(guó) 家 的 鄉(xiāng) 村 振 興 戰(zhàn) 略 農(nóng) 業(yè) 智 能 化 越 來(lái) 越 成 為 一種 必 要 1 我國(guó)農(nóng) 業(yè) 大 棚區(qū) 域 面 積 大 種 植環(huán) 境 相 對(duì) 復(fù) 雜 隨 著農(nóng) 業(yè) 智能 化 的 出現(xiàn) 將 有很 大 變 化 內(nèi) 蒙 古 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 干 旱 缺 水 條 件 相 對(duì) 差 因 此 運(yùn) 用 農(nóng) 業(yè) 智 能 化 是非常 有 必 要 的 2 農(nóng) 業(yè)數(shù) 據(jù) 采集 具有 數(shù) 據(jù) 點(diǎn) 分 布 廣 數(shù)據(jù) 量少 的 特 點(diǎn) 數(shù)據(jù)傳輸若 都使用 總線 傳輸 不 僅 價(jià) 格 昂 貴 而 且 布 線 復(fù) 雜 因 此 本 文 整 合 利 用 通 用 無(wú) 線 分 組 業(yè) 務(wù) General Packet Radio Service GPRS 與 長(zhǎng) 距 離 Long Range LoRa 各 自 的優(yōu)勢(shì) 3 構(gòu) 建 一 種 新 型 系統(tǒng) 在 很 大 程 度 上 解決 傳 統(tǒng) 通 信 方 式 的 弊 端 使 距 離 大棚較遠(yuǎn) 的 用 戶 也 可對(duì)大棚情 況 進(jìn) 行 實(shí)時(shí) 精 準(zhǔn) 監(jiān) 測(cè) 實(shí) 現(xiàn) 高 效 務(wù)農(nóng) 本 文的 系統(tǒng) 總 體 框 架 包 括感 知層 網(wǎng)絡(luò) 層 和 應(yīng) 用 層 旨 在 設(shè)計(jì)一套 基 于LoRa 和GPRS技 術(shù)的智 能 農(nóng) 業(yè) 大 棚 系統(tǒng) 能 夠?qū)?時(shí) 準(zhǔn) 確地 采 集 農(nóng) 作物生 長(zhǎng) 環(huán)境 中 的各 種參 數(shù) 并能 精準(zhǔn) 地 控制大 棚中的設(shè)備 讓大 棚中的 環(huán) 境保 持 在一 個(gè) 平衡 的 狀 態(tài) 1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 本 設(shè) 計(jì)主 要 由 終 端 采 集 控 制 節(jié)點(diǎn) 匯 聚 節(jié)點(diǎn)以 及 遠(yuǎn) 程 數(shù) 據(jù)中心3 部 分組 成 采集 節(jié) 點(diǎn)采集 溫 室 大 棚 的 環(huán) 境 參 數(shù) 匯 聚節(jié) 點(diǎn)將獲得的數(shù) 據(jù)打 包 利用 無(wú) 線網(wǎng)絡(luò) 發(fā) 送 至 上 位 機(jī)的服 務(wù)器中 心 實(shí)現(xiàn) 實(shí) 時(shí)獲取大 棚中 農(nóng) 作 物 生 長(zhǎng)的環(huán) 境 參 數(shù) 并 可 以發(fā) 送 控制指令 控制驅(qū)動(dòng)設(shè) 備改 變 大 棚 環(huán)境 農(nóng) 業(yè)大 棚 采 集 控 制 系 統(tǒng) 總體 設(shè) 計(jì)框 架如圖1 所 示 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 潘新元 劉志強(qiáng) 張禮麟 段海軍 韓 勇 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080 摘 要 文 章 針對(duì)農(nóng) 業(yè)數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù) 點(diǎn) 多 數(shù)據(jù)率 低的特 點(diǎn) 設(shè)計(jì) 了 一種 基 于LoRa 與GPRS技 術(shù) 的 農(nóng) 業(yè) 環(huán) 境 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 匯 聚 節(jié)點(diǎn) 利 用GPRS 無(wú) 線網(wǎng)絡(luò) 將 終端節(jié) 點(diǎn) 采 集的數(shù)據(jù) 打包 發(fā) 送 到 服務(wù)器端 用 戶 通 過(guò) 網(wǎng) 頁(yè) 或安卓 手 機(jī) 遠(yuǎn) 程 監(jiān) 測(cè)溫室環(huán) 境 控制 電 磁閥開(kāi)關(guān) 驅(qū)動(dòng)熱 風(fēng) 機(jī) 加熱以 及 其 他 控制設(shè) 備 該 系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈 活 功耗 低 傳輸距離遠(yuǎn) 具 有 廣 闊的 應(yīng)用前景 關(guān)鍵詞 農(nóng) 業(yè) 環(huán) 境 無(wú) 線網(wǎng)絡(luò) 數(shù)據(jù)采集 遠(yuǎn) 程 監(jiān)控 基金項(xiàng)目 項(xiàng)目名 稱 智 能 溫 室 植 物生長(zhǎng) 環(huán) 境 數(shù) 據(jù) 采 集 控 制系 統(tǒng) 的 研 究 與 設(shè) 計(jì) 項(xiàng)目編 號(hào) 2018025 內(nèi)蒙古自治區(qū)科 技創(chuàng) 新引導(dǎo)獎(jiǎng) 勵(lì) 資 金 項(xiàng) 目 項(xiàng) 目 名 稱 設(shè) 施 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 關(guān) 鍵 設(shè) 備 及 系 統(tǒng) 研 制 與 產(chǎn) 業(yè) 化 示 范 國(guó) 家 自 然 科 學(xué) 基 金 項(xiàng) 目 編 號(hào) 61962044 內(nèi) 蒙 古 自 治 區(qū) 高 等 學(xué) 校 科 學(xué) 技 術(shù) 研 究 項(xiàng)目 項(xiàng)目編 號(hào) NJZY19088 作者簡(jiǎn)介 潘 新 元 1997 男 安徽淮北 人 本 科 生 研究方 向 嵌入 式終 端 技術(shù) 無(wú) 線互聯(lián)科 技 Wireless Internet Technology 圖1 農(nóng)業(yè)大棚采集控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)農(nóng) 業(yè)將 計(jì)算 機(jī) 無(wú) 線傳感 器和農(nóng) 學(xué) 等 若 干學(xué) 科 緊 密 結(jié) 合 在 一起 通 過(guò) 信 息 采 集 傳 輸 處 理和 控制等 技 術(shù) 使 人 們更 加 方 便和直 觀 地獲得 農(nóng) 作物生 長(zhǎng)環(huán)境的參 數(shù) 從而實(shí)現(xiàn) 真正意 義 上的智慧 農(nóng) 業(yè) 本文設(shè) 計(jì)的系統(tǒng) 所實(shí)現(xiàn)的 47 第04期 2020年2 月 N o 0 4 F e b r u a r y 2020 功 能 如下 1 實(shí) 時(shí) 監(jiān) 測(cè)功能 通 過(guò) 底 層 采 集 節(jié) 點(diǎn) 實(shí) 時(shí) 采 集 溫 室 里 的 環(huán) 境參數(shù) 將數(shù) 據(jù) 通 過(guò) 無(wú)線 網(wǎng) 絡(luò) 傳 輸 給 服 務(wù) 器 以 直 觀 的圖 表方 式 顯 示并 提 供 報(bào)警 信息 2 多 種 控制方 式 系統(tǒng) 將采 集 到的 數(shù) 據(jù)進(jìn)行分析 當(dāng) 數(shù) 據(jù) 超 出預(yù) 先設(shè) 定的 值時(shí)便 進(jìn)行自動(dòng) 調(diào) 節(jié)和 控制 或 采取手 動(dòng)的方 式 對(duì) 電磁閥和 風(fēng) 扇進(jìn)行 控制 3 數(shù) 據(jù) 查 詢與警 告功能 系統(tǒng)可以實(shí) 時(shí)查 詢溫 室內(nèi)的 各 項(xiàng) 環(huán)境 參 數(shù) 歷 史 數(shù) 據(jù) 分 析 農(nóng) 作物 生 長(zhǎng) 環(huán)境 變 化 趨勢(shì) 作 出 正 確 的 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 決 策 警 告 功 能 可 預(yù) 先 設(shè) 定 適 合 農(nóng) 作 物 生 長(zhǎng)條 件 傳感 器 數(shù) 據(jù)的上限值和下限值 當(dāng)某 個(gè)數(shù) 據(jù)超出范 圍值時(shí) 系統(tǒng)會(huì)提 示 警 告信 息及 遠(yuǎn) 程 短信通知 4 遠(yuǎn) 程 查 詢 與 控 制 功 能 系 統(tǒng) 可以 通 過(guò)手 機(jī) 連 接 到 灌溉 控 制 器 用 手 機(jī)方 便 地 查 看 溫 室 的 各 項(xiàng) 環(huán) 境 數(shù) 據(jù) 以及 能 夠方便 地 遠(yuǎn) 程 控制各 個(gè)中斷控制 節(jié) 點(diǎn)的工作 2 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)與軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 主 要包 括 終端節(jié) 點(diǎn) 設(shè) 計(jì) 匯聚節(jié) 點(diǎn) 設(shè) 計(jì)和 服務(wù) 平臺(tái)軟件 設(shè) 計(jì) 采 集 節(jié) 點(diǎn)間 通 過(guò)RS485總 線 相 連 采 集 點(diǎn) 和 匯 聚 節(jié)點(diǎn) 通 過(guò) LoRa 實(shí) 現(xiàn) 通 信 和 數(shù)據(jù) 的 傳輸 2 1 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 終 端 節(jié)點(diǎn) 的 主 要 任 務(wù) 是 接 收 匯 聚 節(jié)點(diǎn) 的 采 集 指 令 并 對(duì) 傳 感 器 下 發(fā) 采 集命令 本 系 統(tǒng)設(shè) 計(jì) 的 終 端 節(jié) 點(diǎn) 包 括 采 集 節(jié) 點(diǎn) 和 控 制 節(jié)點(diǎn) 兩 部 分 采 集 節(jié)點(diǎn)由STM32微 控 制 器 多 傳 感 器 LoRa 模塊組成 傳 感器與 傳 感器子 模塊通過(guò)RS485 方 式 進(jìn) 行 通 信 RS485 總線采用 差分信 號(hào) 傳輸 抑制共模 干 擾的能力 較 強(qiáng) 4 控制 節(jié) 點(diǎn) 由 控制設(shè) 備 STM32主 控 芯片 和 LoRa 無(wú) 線 通信 模 塊 等 組 成 其主 要 任務(wù) 是響應(yīng) 上 位 機(jī) 下 發(fā) 的 控 制 指 令 控 制大 棚 內(nèi) 的 設(shè) 備 通 過(guò) 終端節(jié) 點(diǎn) 設(shè) 計(jì) 實(shí) 現(xiàn) 采集 數(shù) 據(jù)的上 傳與 控制命令的 下 達(dá) 2 2 匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 匯聚 節(jié) 點(diǎn) 處 于 系統(tǒng)的中 間層 作為星 型網(wǎng)絡(luò)結(jié) 構(gòu)的網(wǎng)關(guān) 由STM32微 控制器 GPRS 模塊 以 及 電 源 模塊 組成 其 主 要 任務(wù) 為 接 收 終 端 節(jié) 點(diǎn) 發(fā) 送的 溫 室 環(huán) 境 參 數(shù) 數(shù) 據(jù) 然 后 按 照 物聯(lián) 網(wǎng)云服務(wù) 平臺(tái)要求的 數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ)格式 進(jìn)行打 包 通 過(guò)串 口 GRPS模塊發(fā)送到 物 聯(lián) 網(wǎng) 用 戶 服 務(wù)平 臺(tái) 通 過(guò)GPRS 模塊 接 收物聯(lián)網(wǎng) 服務(wù) 平 臺(tái) 發(fā) 送的對(duì) 溫 室執(zhí)行 結(jié) 構(gòu)的 控制指令 并轉(zhuǎn) 發(fā) 到終端節(jié) 點(diǎn)控制器 5 2 3 服務(wù)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì) 服務(wù) 平臺(tái)軟件設(shè) 計(jì) 包 括上位 機(jī) 服務(wù)器端和手機(jī) 客 戶端 上 位機(jī) 服務(wù)器端的主要 任務(wù) 是接收 匯聚節(jié) 點(diǎn)發(fā) 送的數(shù) 據(jù) 保 存 到當(dāng) 地 數(shù) 據(jù)庫(kù)中 形成可 視化 的圖 表 用戶依 據(jù) 數(shù) 據(jù) 分析 判斷是否對(duì) 終端節(jié) 點(diǎn) 下 達(dá) 控制指令 手機(jī) 客 戶 端實(shí)現(xiàn) 遠(yuǎn) 程 觀 測(cè)的作用 可 跨 平臺(tái) 運(yùn)行 應(yīng) 用于多種終端 設(shè)備 安裝和維 護(hù) 成 本 較低 Android 智能手機(jī)APP的 開(kāi) 發(fā) 為 用 戶 實(shí) 現(xiàn) 遠(yuǎn) 程 控 制 提 供 簡(jiǎn) 便 以 達(dá) 到 提 高 效 率 方 便 智 能 調(diào) 控 的目的 進(jìn) 一 步提高系統(tǒng)的智能化 水 平 2 4 通信節(jié)點(diǎn) LoRa通 信 節(jié)點(diǎn) 的 作 用 是 將 終 端 點(diǎn) 與 匯 聚 節(jié)點(diǎn) 連 接 起 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) 數(shù) 據(jù) 的 上 傳 與接收 溫 室 大棚農(nóng) 業(yè) 覆 蓋 面 積廣 泛 ZigBee 節(jié) 點(diǎn) 組成 的 短距 離 傳 感 網(wǎng) 絡(luò) 不 能 滿 足 對(duì)溫室 的 可 靠 控 制 而 LoRa具有超 長(zhǎng) 距離 通信 超低功耗和坑 干擾強(qiáng)的特 點(diǎn) 選 擇 LoRa技 術(shù)可以 彌 補(bǔ)這一方 面的 不足 6 網(wǎng)關(guān) 作 為 數(shù) 據(jù)的交 換中 心 需要和終端節(jié) 點(diǎn)和數(shù) 據(jù)服務(wù) 中心通信 考慮 農(nóng) 業(yè) 大 棚 和 數(shù) 據(jù)中心的 遠(yuǎn) 距 離 傳 輸 時(shí) 通信 方 式 選 用 了可 高速 傳 輸 傳 輸 距 離遠(yuǎn) 穩(wěn)定性 強(qiáng)的GPRS 無(wú) 線通信網(wǎng)絡(luò) 3 結(jié)語(yǔ) 農(nóng)業(yè) 溫室數(shù) 據(jù)采 集技術(shù) 是 發(fā)展 現(xiàn) 代 化農(nóng)業(yè) 信 息 技術(shù) 的 重要 一 環(huán) 本 文 利 用 無(wú) 線通 信技 術(shù)LoRa優(yōu) 勢(shì) 構(gòu) 建 了一 種 基 于LoRa 與GPRS技 術(shù)的農(nóng) 業(yè)環(huán)境 監(jiān) 控 系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn) 了 農(nóng) 業(yè) 溫 室 環(huán) 境參數(shù) 的 實(shí) 時(shí) 采 集 及 監(jiān) 測(cè) 本 系 統(tǒng) 設(shè)計(jì) 靈 活 結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn) 單 通 信 距 離 遠(yuǎn) 功 耗 低 系 統(tǒng) 可 移 植性 高 除 了在 農(nóng) 業(yè) 溫 室 大 棚 中 的 應(yīng) 用 還 可 稍作 修 改 用 于 其他 農(nóng) 業(yè) 用 途 具 有 良好 的應(yīng) 用與 推 廣空間 Design on agricultural environment monitoring system based on Internet of Things technology Pan Xinyuan Liu Zhiqiang Zhang Lilin Duan Haijun Han Yong School of Information Engineering Inner Mongolia University of Technology Huhhot 010080 China Abstract This paper aims at the characteristics of agricultural data collection with many data points and low data rate an agricultural environment monitoring system based on LoRa and GPRS technology was designed The convergence node uses the GPRS wireless network to send the data collected by the terminal node to the server The user remotely monitors the greenhouse environment through the webpage or Android phone controls the solenoid valve switch drives the heating fan to heat and other control equipment The system has a simple and flexible structure low power consumption long transmission distance and has broad application prospects Key words agricultural environment wireless network data acquisition remote monitoring 參考文獻(xiàn) 1 范秉衡 加 快 數(shù)字鄉(xiāng)村 建 設(shè) 助力鄉(xiāng)村 振 興 J 中國(guó) 合 作 經(jīng) 濟(jì) 2018 9 45 2 何滿喜 內(nèi) 蒙古農(nóng) 業(yè)投 入與 效 益的數(shù)量 經(jīng)濟(jì) 分析 J 華北 農(nóng) 報(bào) 2002 1 141 145 3 莫章 潔 基于ZigBee 與GPRS的農(nóng) 業(yè) 數(shù)據(jù) 采 集系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 貴州師范學(xué)院學(xué) 報(bào) 2016 9 26 4 鄭 貴 林 汪 體 成 基于LoRa 的溫室 環(huán) 境智 能 監(jiān)控 系統(tǒng)的設(shè) 計(jì) J 江 蘇 農(nóng) 業(yè) 科 學(xué) 2019 10 216 219 5 熊永 紅 基于LoRa無(wú) 線傳 感網(wǎng)絡(luò) 的溫室 控制 系統(tǒng) 構(gòu)建 D 南 昌 東 華 理 工 大 學(xué) 2019 6 王 陽(yáng) 溫 向 明 路 兆 銘 等 新興 物聯(lián) 網(wǎng)技 術(shù) LoRa J 信息 通信 技 術(shù) 2017 1 58 59 無(wú)線互聯(lián)科技 軟件 透 視