基于LoRa的温室大棚监控系统云平台应用实现.pdf

基 于 Lo a 的温室大棚监控系统云平台应用实现 过琦芳 1 王永星 2 1 苏州农业职业技术学院 江苏 苏州 215008 2 江苏理工学院 江苏 常州 213001 摘 要 以温室大棚监控系统为研究对象 利用无线传感网络技术 Lo a 通信技术及 GP S 通信技术构建出一 种温室大棚环境参数监控系统 并进行系统的硬件及软件设计 试验验证表明 系统可有效的进行数据通信 监 控过程具有较高的可靠性 关键词 温室大棚 环境参数 Lo a 无线传感网络技术 中图分类号 S625 5 1 文献标识码 A 文章编号 1003 188X 2022 06 0219 04 0 引言 我国温室大棚种植面积不断增加 但由于温室大 棚种植过程中对于气温 湿度及光照强度难以进行自 动控制 导致温室大棚作物产量低 质量差 1 2 为改 变温室大棚作物种植过程中对环境因素自动控制的 不足 一种基于物联网与自动测控技术的温室大棚智 能监测与控制系统得到了广泛的应用 但由于该类型 的智能监控系统通用性较差 设备维修成本大 难以 实现大规模的生产应用 3 4 笔者根据温室大棚监测 控制系统的现有应用技术条件 基于 Lo a 技术构建 一种通用型的温室大棚自动监测与控制系统 以实现 对温室大棚内环境参数的自动采集 传输 存储与控 制 可有效节省人工种植成本 提高温室大棚作物的 产量和质量 增加作物经济价值 1 温室大棚监控系统 温室大棚监控系统是一种复杂的非线性时变系 统 具有一定的滞后性 5 温室大棚作物的生长过程 是光合作用 呼吸作用及蒸腾作用的综合过程 其生 长过程具有时变性 因此难以精确地建立生长过程及 环境控制数学模型 6 所设计的温室大棚自动监测控制系统主要包含 环境参数的采集 参数数据的网络传输 以及参数的 显示存储和设备的自动控制功能 其架构如图 1 所示 收稿日期 2020 06 22 基金项目 江苏省农业职业教育教学改革发展研究一般课题 JSNZJ201 638 苏州农业职业技术学院青年教师科研能力提升计划 项目 19QN1004 作者简介 过琦芳 1981 女 江苏苏州人 讲师 硕士 E mail lramqym6 163 com 图 1 温室大棚监控系统物理架构 Fig 1 Physical structure of greenhouse monitoring system 2 监控系统关键技术 基于 Lo a 构建的温室大棚自动监测控制系统包 含无线传感网络 Lo a 通信 以及 GP S 通信等关键 技术 2 1 无线传感网络技术 无线传感网络技术是一种由多点分布传感器节 点和无线网络通信组成的分布式传感网络 主要包含 传感器采集技术和传感器网络传输技术 如图 2 所示 图 2 无线传感网络技术结构框架图 Fig 2 Technical structure of wireless sensor network 传感器将监测区域内的环境参数转化为可进行 测量和传输的电信号 通过传感器网络进行传输 传 912 2022 年 6 月 农 机 化 研 究 第 6 期 DOI 10 13427 ki njyi 2022 06 038 感网络技术将温室大棚内分布的传感器节点连接 实 现监测区域内的环境参数数据传输 无线传感网络中 的传感器节点可按照设定好的计算规则进行监测区 域内的网络节点搜索 7 2 2 Lo a 通信技术 Lo a 通信技术是物联网当中常用的无线通信技 术 能够满足超长距离的网络通信 同时具有功率消 耗低的特点 Lo a 通信技术的覆盖距离达到 30km 传输速率可达到 100bps 可满足现代农业生产过程中 温室大棚的长距离信息传输与控制 Lo a 通信技术 选用 1278 和 1276 两种射频芯片 仅对传感数据进行 传输 无存储功能 因此可实现低功率传输功能 Lo a 通信技术可实现一种星形组网 能够实现多终端的 节点接入 避免节点故障引起的网络瘫痪 携带 6 组 不同的扩频因子 随着扩频因子的变化 传输数据在 对应频带范围内进行传输 避免传输带数据干扰 2 3 GP S 通信技术 GP S 通信技术可实现远程服务器对温室大棚监 控系统的远程控制 常用的 GP S 模块内部集成 TCP IP 通信协议 当进行数据传输时串口数据转化为 TCP IP 数据包 3 监控系统硬件设计 温室大棚自动监测控制系统硬件主要包含传感 器采集节点和汇聚节点 如图 3 所示 传感器采集节 点由温度传感器 湿度传感器 外围电路及 Lo a 模块 组成 可实现对温室大棚内环境参数的数据采集 并 进行数据包生成与传输 汇聚节点由单片机外围电路 和 GP S 通信模块组成 将采集节点上的数据包进行 分析存储 并接收控制系统的鞠策指令 实现温室大 棚环境的自动控制调节 图 3 温室大棚监控系统硬件框架图 Fig 3 Hardware framework of greenhouse monitoring system 汇聚节点是温室大棚监控系统的关键部分 主要 由单片机及外围电路 GP S 通信模块 Lo a 协调控 制节点以及显示报警系统组成 如图 4 所示 图 4 汇聚节点硬件框图 Fig 4 Hardware block diagram of convergence node 基于 Lo a 通信技术构建的温室大棚监控系统采 集节点需要完成温室内环境参数的采集及数据传输 同时接收汇聚节点的控制指令 驱动系统内执行机构 进行动作 采集节点主要包含传感器电路 控制电 路 单片机系统及 Lo a 通信模块 如图 5 所示 图 5 采集节点硬件框图 Fig 5 Hardware block diagram of acquisition node 022 2022 年 6 月 农 机 化 研 究 第 6 期 4 监控系统软件设计 在温室大棚监控系统当中 软件部分主要包括采 集节点软件功能和汇聚节点软件功能 任务示意图如 图 6 所示 图 6 软件系统任务示意图 Fig 6 Software system task diagram 采集节点程序流程主要包括采集发送传感器采 集到的相关参数 同时执行汇聚节点转发的温室大棚 控制指令 如图 7 所示 图 7 采集节点主程序流程图 Fig 7 Main program flow chart of acquisition node 汇聚节点程序的主要功能是接收采集节点发送 的温室大棚相关环境参数 并进行数据转化打包传 输 同时将控制指令转发至采集节点 汇聚节点主程 序流程图如图 8 所示 5 试验验证 利用 Lo a 原理建立温室大棚监控系统后 进行 通信组网 设计单汇聚节点与 3 个采集节点组成的试 验方法验证单点通信测试结果 试验过程中 分别对 3 个采集节点进行编号 采集节点与汇聚节点的初始 距离均为 50m 采集节点按照每隔 10m 距离进行移 动 在每一采集节点位置分别发送 1000 个两种不同 字节长度的数据包 移动过程中检测数据传输效果 单点通信测试结果如表 1 所示 图 8 汇聚节点主程序流程图 Fig 8 Main program flow chart of convergence node 表 1 节点通信测试数据 Table 1 Node communication test data 节点编号 通信距离 m 接收数据包 15 字节 30 字节 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 农 机 化 研 究 第 6 期 为验证温室大棚监控系统的可靠性 在长度 100m 宽度 60m 的温室大棚内进行试验验证 共设 置 8 组传感采集节点 其中 2 组进行环境温度测量 6 组进行土壤湿度测量 并采用人工检测的方式进行节 点处相关环境参数测量 试验检测数据如表 2 所示 表 2 试验检测数据 Table 2 Test data 环境参数 节点编号 检测值 人工检测值 温度 1 28 4 27 8 2 26 7 26 5 湿度 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 数据结果表明 在距离 50m 时 3 个采集节点的 平均数据传输成功率分别达到 99 2 和 98 6 随着 节点距离的增加 平均数据传输成功率逐渐降低 在 距离达到 100m 时成功率分别为 93 7 和 91 3 对 不同字节长度的数据传输成功率进行对比可以看出 随着字节长度的增加 数据传输成功率也出现了降低 的趋势 由表 2 可以看出 基于 Lo a 建立的温室大棚监 控系统在进行环境参数监测试验时 系统采集数据与 人工检测数据相符 其中温度偏差量不大于 2 1 湿 度偏差量不大于 3 4 6 结论 利用 Lo a 技术建立了温室大棚监控系统 以各 类传感采集系统为节点 利用无线传感网络技术和 Lo a 技术建立系统汇聚节点 并通过 GP S 技术进行 节点数据传输 通过对建立的系统进行数据传输成 功率及系统使用可靠性进行验证 结果表明 在有效 的传输距离内 数据传输成功率不小于 90 系统可 靠性不低于 96 参考文献 1 王东 基于 Lo a 的温室大棚数据采集系统设计 J 重庆 工贸职业技术学院学报 2020 16 1 18 22 2 邬亮 吴卓葵 曾杨达 等 基于 Lo a 的温室多点无线监 测系统设计 J 仲恺农业工程学院学报 2020 33 1 50 53 65 3 李照 基于 Lo a 无线传感网络的温室测控平台的开发 J 江苏农机化 2019 5 7 10 4 朱敏 基于 LO A 技术的智慧温室监测系统的设计与实 现 J 电子测试 2019 12 67 68 48 5 仲宇璐 李娜 基于 Lo a 技术的农业大棚温室监测系统 设计 J 淮北职业技术学院学报 2019 18 2 111 113 6 朱军 郭恋恋 王乾辰 等 基于 Lo a 的农业温室监测系 统设计与实现 J 通信技术 2018 51 10 2430 2435 7 张攀 杨扬 基于 Lo a 的物联网温室监控系统的设计与 实现 J 现代信息科技 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 农 机 化 研 究 第 6 期