朱明 曹越

摘 要 隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度的不斷提高，設(shè)施農(nóng)業(yè)已成為當(dāng)前經(jīng)濟(jì)作物種植的主要手段。設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚中種植的作物雖然經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，但面臨著生產(chǎn)環(huán)境要求嚴(yán)格、農(nóng)村勞動(dòng)力日益下降以及設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚智能化程度不高等困難。因此，通過智能控制系統(tǒng)來(lái)解決當(dāng)前設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚生產(chǎn)中面臨的問題逐漸受到重視?；诖?，通過LoRa無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)闡述設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞 LoRa技術(shù);設(shè)施農(nóng)業(yè);溫室大棚;智能控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP312 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.27.088

1 設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 LoRa技術(shù)簡(jiǎn)介

LoRa全稱為L(zhǎng)ong Range Radio，即遠(yuǎn)距離無(wú)線電。LoRa聯(lián)盟于2015年3月宣布成立，是一個(gè)開放的、非盈利性組織，其目的在于將LoRa推向全球，實(shí)現(xiàn)LoRa技術(shù)的商用。該聯(lián)盟由Semtech牽頭，發(fā)起成員還有法國(guó)Actility，中國(guó)AUGTEK和荷蘭皇家電信KPN等企業(yè)。目前，聯(lián)盟成員數(shù)量達(dá)330多家，其中不乏IBM、思科、法國(guó)Orange等重量級(jí)廠商[1]。

作為L(zhǎng)PWAN（Low-Power Wide-Area Network，低功耗廣域網(wǎng)）的典型代表技術(shù)之一，LoRa憑借其網(wǎng)絡(luò)連接的高度可靠性、2 km以上（與環(huán)境有關(guān)）的連接距離以及獨(dú)特的信號(hào)傳輸時(shí)間測(cè)距機(jī)制等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域獲得了蓬勃發(fā)展，其特點(diǎn)尤其適合農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景。

在信號(hào)方面，LoRa使用線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，獲得了類似于FSK（Frequency-Shift Keying，頻移鍵控）調(diào)制相同的低功耗特性，而又明顯提高了通信距離并消除了干擾，同時(shí)LoRa網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器又擁有并行多信道數(shù)據(jù)處理能力。

1.2 JavaScript簡(jiǎn)介

JavaScript（Java腳本語(yǔ)言）是一種用來(lái)開發(fā)Internet上客戶與服務(wù)器程序的基于對(duì)象的弱類型腳本編程語(yǔ)言，是主要用來(lái)制作網(wǎng)頁(yè)前臺(tái)的技術(shù)，在層次上介于HTML與Java語(yǔ)言之間[1]。由于其大部分語(yǔ)法規(guī)范取自于Java語(yǔ)法規(guī)范，所以取名為JavaScript，是由Netscape公司的Brendan Eich在瀏覽器上首次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)而成。作為一種解釋性腳本語(yǔ)言，JavaScript不需要編譯，只需嵌入到HTML代碼中逐行加載解釋執(zhí)行[2]。

2 智能控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 智能控制系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)

設(shè)施農(nóng)業(yè)大棚的智能管理需要對(duì)大棚內(nèi)的空氣溫度、溫度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制。智能控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)主要采用3種類型的節(jié)點(diǎn)，分別為數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。采集節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間通過LoRa組網(wǎng)，網(wǎng)關(guān)通過4G或WiFi接入Internet。系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖如圖1所示。

2.2 智能控制系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

管理平臺(tái)以Web方式供不同用戶訪問。提供前后臺(tái)兩種模式：前臺(tái)類似信息網(wǎng)站，向所有用戶推廣智能化農(nóng)業(yè)的特點(diǎn)，以及公司產(chǎn)品的技術(shù)優(yōu)勢(shì)、應(yīng)用場(chǎng)景、合作案例等;后臺(tái)供登錄用戶使用，以便動(dòng)態(tài)地配置運(yùn)行參數(shù)，監(jiān)控硬件的運(yùn)行狀態(tài)、各種數(shù)據(jù)報(bào)表、與其他第三方平臺(tái)的集成等。Web后臺(tái)可進(jìn)行權(quán)限劃分，不同角色用戶可以看到不同的操作欄目。每個(gè)用戶只能看到本企業(yè)相關(guān)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，可以保護(hù)用戶數(shù)據(jù)隱私。各功能模塊如圖2所示。

2.3 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)與傳感器之間使用modbus協(xié)議，modbus基本命令格式為：[設(shè)備地址][功能碼][起始地址：2字節(jié)][數(shù)據(jù)長(zhǎng)度：2字節(jié)][CRC16校驗(yàn)]，其意義分別如下。1）設(shè)備地址：設(shè)備地址范圍為1～35;2）功能碼：不同的應(yīng)用需求功能碼不同;3）起始地址：查詢或操作寄存器起始地址;4）數(shù)據(jù)長(zhǎng)度：讀取的長(zhǎng)度;5）CRC校驗(yàn)：CRC16校驗(yàn)。

節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間使用私有的通信協(xié)議，協(xié)議設(shè)計(jì)中基本命令格式為包頭+數(shù)據(jù)域+校驗(yàn)。簡(jiǎn)要功能碼如表1所示。

3 系統(tǒng)軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

3.1.1 傳感器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)采用STM8芯片，通過LoRa模塊接入網(wǎng)關(guān)，主要功能有定時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)、主動(dòng)上傳至網(wǎng)關(guān)。具體設(shè)計(jì)如圖3所示。

3.1.2 控制節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

控制節(jié)點(diǎn)采用STM8芯片，通過LoRa模塊接入網(wǎng)關(guān)，主要功能有接收服務(wù)器的控制指令、控制電磁閥和電動(dòng)閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)、定時(shí)檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開關(guān)狀態(tài)并上傳至網(wǎng)關(guān)。具體設(shè)計(jì)如圖4所示。

3.1.3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)采用STM8芯片，通過LoRa模塊與節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，并通過4G或WiFi接入工控機(jī)。主要功能有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、將節(jié)點(diǎn)主動(dòng)上傳的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)、將上位機(jī)下發(fā)的指令發(fā)送至節(jié)點(diǎn)。具體設(shè)計(jì)如圖5所示。

3.2 關(guān)鍵模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.2.1 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊主要負(fù)責(zé)展示傳感器的事實(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、設(shè)備操作日志、生成數(shù)據(jù)曲線圖等功能。具體實(shí)現(xiàn)代碼如圖6所示（以傳感器數(shù)據(jù)列表為例）。

3.2.2 控制規(guī)則設(shè)定模塊

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚的智能化管理，系統(tǒng)提供3種控制方式，分別是手動(dòng)控制、時(shí)間控制、閥值控制。其中閥值控制規(guī)則為復(fù)雜控制規(guī)則，允許用戶自定義設(shè)備與傳感器進(jìn)行多對(duì)多綁定，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉、自動(dòng)加濕、自動(dòng)抽風(fēng)等效果。具體實(shí)現(xiàn)代碼如7所示（以時(shí)間控制代碼為例）。

4 系統(tǒng)運(yùn)行效果

基于LoRa的設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚智能化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)后的運(yùn)行效果如圖8所示。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于LoRa技術(shù)的設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚智能化控制系統(tǒng)，通過傳感器實(shí)時(shí)反饋溫室大棚內(nèi)生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)并按用戶需求進(jìn)行多種生產(chǎn)設(shè)備的智能化控制，可以在農(nóng)業(yè)溫室大棚推廣應(yīng)用，以取得較好的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張惠芬.JavaScript的理論分析及其應(yīng)用[J].衡水學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，8（1）：45-46.

[2] 余起怡.基于JavaScript的三維智慧校園電子地圖系統(tǒng)開發(fā)[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，32（4）：32-35.

（責(zé)任編輯：趙中正）