（河南科技學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通和日常生活等方面的應(yīng)用加速，作為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的果園物聯(lián)網(wǎng)也迅速發(fā)展。果園物聯(lián)網(wǎng)利用傳感器采集果園溫濕度、CO2濃度、pH值、光照度等參數(shù)，為果園作物提供一個(gè)良好的生長(zhǎng)環(huán)境，也為科學(xué)管理果園提供完備的數(shù)據(jù)支持，進(jìn)一步達(dá)到降低成本、提高產(chǎn)量和品質(zhì)、增加經(jīng)濟(jì)效益的目的[1-4]。

目前，常用的ZigBee、GPRS、WiFi等無(wú)線通信技術(shù)除了傳輸距離短，還存在著功耗大、抗干擾性弱、繞射性差、成本高等缺陷[5-9]。根據(jù)實(shí)際需求，本文采用LoRa技術(shù)構(gòu)建一個(gè)果園物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，以STM32F401高性能芯片為核心，監(jiān)測(cè)溫濕度等參數(shù)。經(jīng)測(cè)試可以滿足高精度、低功耗、高穿透性的要求，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

因?yàn)楣麍@距離遠(yuǎn)、面積大、地形復(fù)雜，所以本文使用STM32F401芯片和LoRa芯片SX1276，用以傳送傳感器采集到的采集溫濕度、CO2濃度等數(shù)據(jù)信息到管理中心，管理中心對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行管理分析，作為調(diào)控參數(shù)的基礎(chǔ)。

本文設(shè)計(jì)的基于LoRa技術(shù)的果園物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

圖1 使用LoRa技術(shù)的果園物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)方框圖

LoRa技術(shù)以及模塊的選用如下：

（1）LoRa介紹

LoRa是一種新型的無(wú)線通信技術(shù)，英文全稱是Long Range。它基于線性擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，具有通信距離遠(yuǎn)（15 km以上）、功耗低（電池可使用10年以上）、高鏈路預(yù)算（高達(dá)157 dB）等優(yōu)點(diǎn)。LoRa解決了傳統(tǒng)無(wú)線通信技術(shù)無(wú)法同時(shí)兼顧通信距離和功耗的難題，具有廣泛的應(yīng)用前景。LoRa技術(shù)關(guān)鍵特性和優(yōu)勢(shì)[10-11]見(jiàn)表1所列。

表1 LoRa關(guān)鍵特性和優(yōu)點(diǎn)

（2）LoRa模塊

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(guò)SPI方式數(shù)據(jù)傳送[12]，使模塊的靈敏度超過(guò)-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(zhǎng)距離傳輸和可靠性高的使用要求[13-14]。

（3）微處理器

該系統(tǒng)選用STM32F401微處理器為系統(tǒng)控制核心，它是基于STM32F401系列ARM?Cortex-M4，是ST32位最小系統(tǒng)，其功耗低，工作電流僅為137 μA，工作頻率性能達(dá)到84 MHz，105 DMIPS。同時(shí)該微處理器該還帶有FPU浮點(diǎn)單元（USB OTG、I2S、I2C、SPI）和DSP數(shù)字信號(hào)處理功能，多通道ADC和16/32位計(jì)時(shí)器，芯片工作電壓1.7～3.6 V，集成功能豐富，使其在同級(jí)產(chǎn)品中較為優(yōu)秀，有較為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域[15-16]。

（4）溫濕度傳感器

本系統(tǒng)中溫濕度傳感器選用DHT11。DHT11利用特有的采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)模塊，供電電壓最大為5.5 V，供電電流極低，溫測(cè)量最高50 ℃，最低0 ℃，誤差2 ℃，濕度測(cè)量最大90%RH，最小20%RH，誤差5%RH，采樣周期較短，具有較好的可靠性和穩(wěn)定性[17]。

（5）CO2傳感器

CO2傳感器主要用于果園CO2濃度采集，本文采用MQ-2傳感器。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)是一個(gè)典型的多傳感器果園物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，須采用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)才可以更有效地進(jìn)行分類識(shí)別決策，并且采用模糊算法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。系統(tǒng)的主程序流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主程序流程

3 系統(tǒng)測(cè)試和結(jié)果

系統(tǒng)軟硬件配置完成后，在果園物聯(lián)網(wǎng)模型中進(jìn)行測(cè)試。本文選取早晨、中午、夜晚3個(gè)時(shí)間點(diǎn)，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)選取3組溫濕度數(shù)據(jù)。3個(gè)時(shí)間點(diǎn)9組測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2所列。

表2 果園物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，傳感器采集和人工測(cè)量的溫濕度數(shù)據(jù)基本一致，系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文系統(tǒng)應(yīng)用LoRa技術(shù)，以STM32F401為主控芯片，采集傳輸果園監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低[18]等優(yōu)點(diǎn)，滿足了果園面積達(dá)、距離遠(yuǎn)、低功耗、高穿透性的要求，同時(shí)具有成本低廉、便于維護(hù)等特點(diǎn)[19]，可以有效提升果園種植水平和經(jīng)濟(jì)效益。