姚茂漩，羅怡辰

（上海電機(jī)學(xué)院 電子信息學(xué)院，上海 201306）

0 引言

農(nóng)業(yè)環(huán)境實(shí)時(shí)檢測和發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)十分必要。大棚抑或是裸露在空氣中的田地，均需要監(jiān)測控制土壤的溫濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境信息，再根據(jù)這些信息，溫度較高土壤干燥時(shí)啟動(dòng)自動(dòng)灌溉，包括田網(wǎng)、水網(wǎng)和電網(wǎng)都要能做到聯(lián)動(dòng)。傳統(tǒng)方式的農(nóng)作物生長依托于人工經(jīng)驗(yàn)或者使用測量工具實(shí)地測量獲取信息。但這類方式時(shí)效低、工作量大且生產(chǎn)成本高，可擴(kuò)展性差。因此提升生產(chǎn)系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化水平，無論對(duì)提高生產(chǎn)效率、提高農(nóng)產(chǎn)品的競爭力、精簡人力成本，均有重要的促進(jìn)作用[1]。

本項(xiàng)目依托部署在大棚的各種傳感節(jié)點(diǎn)（環(huán)境溫濕度、土壤濕度、二氧化碳等）通過預(yù)先設(shè)置好的閾值，采取相應(yīng)的措施，實(shí)現(xiàn)智能化的控制。

1 系統(tǒng)功能

1.1 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)采用Tpy_board102作為終端控制系統(tǒng)，利用各種外圍傳感器來實(shí)時(shí)采集空氣溫濕度、土壤溫濕度這類大棚環(huán)境數(shù)據(jù)，然后通過串口將數(shù)據(jù)與LoRa本地連接。終端節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器間均采用LoRa方式進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙向通信，將數(shù)據(jù)傳給服務(wù)器，相關(guān)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員能夠在服務(wù)器實(shí)時(shí)檢測環(huán)境數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)為自動(dòng)控制模式，外圍傳感器將檢測到的數(shù)據(jù)傳送給控制板，如果環(huán)境數(shù)據(jù)超出提前設(shè)置的閾值，將通過繼電器自動(dòng)控制風(fēng)扇、電磁閥、卷簾、照明設(shè)備。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3 關(guān)鍵技術(shù)LoRa

由于農(nóng)業(yè)環(huán)境的特殊性，不能隨意選擇現(xiàn)有的無線通信方式，而要根據(jù)使用場景選擇合適的通信方式。目前，比較成熟的無線通信方式主要有：WiFi，Bluetooth，ZigBee，LoRa，NB-IOT等。因?yàn)閃iFi，Bluetooth，ZigBee存在傳輸距離不足[2]，不適用于農(nóng)業(yè)環(huán)境場景。故本文以ZigBee為例，與LoRa進(jìn)行比較（見表1）。

表1 LoRa與ZigBee技術(shù)對(duì)比

本課題研究場景為農(nóng)田，由于ZigBee傳輸距離不夠，所以選擇LoRa通信技術(shù)為農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測站以及澆灌控制節(jié)點(diǎn)的通信方式。

2 智慧大棚控制系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧大棚初步設(shè)計(jì)方案包括3個(gè)部分（見圖2）。

圖2 實(shí)施方案

（1）大棚內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集部分：此部分主要負(fù)責(zé)大棚內(nèi)部的環(huán)境信息的采集，包括空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度、光照、雨滴等。

（2）大棚內(nèi)自動(dòng)控制部分：此部分主要依據(jù)采集到的信息，實(shí)時(shí)對(duì)農(nóng)作物的生長環(huán)境做出相應(yīng)的調(diào)整，包括灌溉控制、遮陽控制、電機(jī)控制等。

（3）大棚內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸：此部分主要依靠LoRa通信傳輸信息至網(wǎng)關(guān)，使用戶能夠?qū)崟r(shí)觀測到大棚內(nèi)部的環(huán)境信息。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 主控板

根據(jù)硬件需求，選擇Tpyboard v102作為主控板。TPYBoard_V102 是以遵照MIT許可的MicroPython為基礎(chǔ)，由TurnipSmart公司制作的一款MicroPython開發(fā)板，它基于STM32F405單片機(jī)，通過USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，支持Python語言（見圖3）。

圖3 主控板

CPU：ARM CORTEX-M4

MCU運(yùn)行最高速度：168 MHz

Flash：1 024 KB

3.2 檢測系統(tǒng)模塊

3.2.1 供電系統(tǒng)

電源方面，考慮到大棚內(nèi)部布線較為煩瑣，所以選擇使用15 V的鋰電池給各個(gè)用電器供電。TPYboardv102板的供電需要穩(wěn)定在DC5 V，所以采用了LM2596s穩(wěn)壓模塊將15 V轉(zhuǎn)至 5 V進(jìn)行單獨(dú)供電，該模塊帶電壓表且能自行校準(zhǔn)。該系統(tǒng)采用了電壓微處理器，電壓表誤差在±0.05 V，自帶過熱保護(hù)和短路保護(hù)功能，其余的風(fēng)扇、電磁閥、燈帶等用電器則直接用15 V供電，連接至繼電器，通過單片機(jī)控制。

3.2.2 溫濕度模塊

溫濕度模塊采用了WHTM-02型溫濕度傳感器，其利用集成IC采樣溫度濕度敏感器件的原始數(shù)據(jù)，再通過特定算法對(duì)濕敏器件隨溫度濕度的變化進(jìn)行溫度補(bǔ)償線性修正等操作，并將其變換成線性模擬量輸出，得到的精度較高（見表2）。

表2 WHTM-02 對(duì)應(yīng)不同電壓所輸出的溫濕度線性特性

由于大棚內(nèi)部可能會(huì)出現(xiàn)各個(gè)區(qū)塊溫濕度不平衡的情況，采用了多個(gè)傳感器測量，求取平均值以防誤判，后續(xù)還將進(jìn)一步研究。當(dāng)獲取的溫濕度值超過閾值時(shí)，單片機(jī)會(huì)啟動(dòng)繼電器操控電磁閥進(jìn)行供水、風(fēng)扇散熱等操作。

3.2.3 土壤濕度模塊

土壤濕度部分使用市面上較為普遍的濕度探頭，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器連接至單片機(jī)，用以獲得更精準(zhǔn)的信息。其中，比較器采用LM393芯片，工作穩(wěn)定。當(dāng)土壤濕度探測到的濕度低于所設(shè)的閾值時(shí)，啟動(dòng)繼電器控制電磁閥進(jìn)行灌溉，達(dá)到濕度閾值時(shí)則停止供水。

3.2.4 電磁閥

電磁閥采用MFPD-180脈沖型，跟市面上一般的電磁閥不同。當(dāng)給電磁閥正向電壓大于0.3 s時(shí)，則打開電磁閥；當(dāng)給電磁閥反向電壓大于0.3 s時(shí)，電磁閥關(guān)閉，不需要一直給電磁閥供電，從而做到節(jié)約能源。

3.2.5 H橋

為了解決給電磁閥提供反向電壓，采用了BTN7971大功率的H橋，能夠更加穩(wěn)定地控制電磁閥（見圖4）。

圖4 H橋工作原理

3.2.6 LoRa通信

LoRa模塊選取Semtech公司的基于SSC技術(shù)、采用 SX1276 芯片的低功耗遠(yuǎn)距離收發(fā)器。它通過SPI方式傳送數(shù)據(jù)[3]，使模塊的靈敏度超過-148 dBm，射頻功率放大器達(dá)到20 dBm。高靈敏度、高射頻功率和低至9.9 mA的接收電流的完美結(jié)合，使鏈路預(yù)算也達(dá)到了行業(yè)領(lǐng)先水平，滿足了超長距離傳輸和可靠性高的使用要求[4]。同時(shí)，其優(yōu)點(diǎn)還包括低功耗，一般電池可以使用10年之久[5]。

3.2.7 元器件連線

由于各個(gè)元器件只能通過杜邦線連接，考慮到這種連線方式極其不穩(wěn)定，筆者選擇自行設(shè)計(jì)pcb版圖，使用更加安全穩(wěn)定的接線柱連線，并且預(yù)留了多個(gè)焊盤，方便之后單獨(dú)飛線（見圖5）。

圖5 pcb版布線

4 實(shí)物成果

現(xiàn)場實(shí)物部署如圖6所示。

圖6 實(shí)物部署

5 結(jié)語

我國農(nóng)業(yè)正從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型。本項(xiàng)目通過嵌入式開發(fā)制造出的大棚管理系統(tǒng)已經(jīng)引入實(shí)際使用。目前，已應(yīng)用于探測空氣溫濕度、土壤溫濕度，運(yùn)用紅外模塊，解決了自動(dòng)噴水滴管、控制卷簾、風(fēng)扇、照明等基礎(chǔ)設(shè)備上，后續(xù)還會(huì)通過更加多元化的方式探測大棚的內(nèi)部環(huán)境，進(jìn)而提高產(chǎn)出。