周金鑫，崔健，劉穎（通訊作者），崔靜，韓樂(lè)霏，施玥

（防災(zāi)科技學(xué)院信息工程學(xué)院，河北三河，065201）

0 引言

隨著“物聯(lián)網(wǎng)+”的快速推廣，讓智能農(nóng)業(yè)成為了可能。同樣，對(duì)于畜牧業(yè)，也有著和“互聯(lián)網(wǎng)+”結(jié)合創(chuàng)造廣泛市場(chǎng)的美好前景。本系統(tǒng)在以低能耗低成本的LoRa 網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出一套合理的，高效的智慧牧場(chǎng)系統(tǒng)。從解決問(wèn)題根本出發(fā)，來(lái)嘗試滿足問(wèn)題所需，從而建立項(xiàng)目。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)分為傳感器節(jié)點(diǎn)，繼電器控制模塊，LoRa 節(jié)點(diǎn)，LoRa 網(wǎng)關(guān)以及控制中心五部分。實(shí)現(xiàn)了傳感器對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和通過(guò)LoRa 模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)，完成控制中心主機(jī)與環(huán)境控制的完整通信。

本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在本系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)采集環(huán)境的各種數(shù)據(jù)，再通過(guò)LoRa 節(jié)點(diǎn)及LoRa 網(wǎng)關(guān)之間的自組織網(wǎng)絡(luò)連接將數(shù)據(jù)以無(wú)線的方式傳送至控制中心，控制中心將接收的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)，將數(shù)據(jù)可視化并記錄，等待控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與分析。

同時(shí)當(dāng)人工需要調(diào)整牧場(chǎng)環(huán)境狀態(tài)時(shí)，可通過(guò)控制中心下達(dá)控制命令，進(jìn)而當(dāng)經(jīng)過(guò)LoRa 自組織網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞，最后到達(dá)繼電器模塊，模塊根據(jù)接收的控制命令更改其自身的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

2 LoRa 自組網(wǎng)設(shè)計(jì)

■2.1 LoRa 簡(jiǎn)介

LoRa(LongRange)是美國(guó)Semtech 公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸方案。LoRa 網(wǎng)絡(luò)主要由終端(可內(nèi)置LoRa 模塊)、網(wǎng)關(guān)(或稱基站)、Server組成，應(yīng)用數(shù)據(jù)可雙向傳輸[1]。其最大的特點(diǎn)是傳輸距離遠(yuǎn)，工作功耗低，組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)多。

■2.2 LoRa 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

LoRa 網(wǎng)絡(luò)是星型結(jié)構(gòu)，一般通信距離可達(dá)1-2km，在沒(méi)有大型建筑的空間下可達(dá)更遠(yuǎn)。星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易管理維護(hù)、重新配置靈活、網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間較小、傳輸誤差較低等優(yōu)點(diǎn)[2]。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

本系統(tǒng)采用LoRa 模塊的透明傳輸模式開(kāi)發(fā)，將LoRa模塊設(shè)置為透?jìng)髂Ｊ?，在透?jìng)髂Ｊ较聰?shù)據(jù)傳輸過(guò)程不影響數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容，所發(fā)即所收，透明傳輸模式的優(yōu)勢(shì)在于可實(shí)現(xiàn)兩模塊即插即用，無(wú)需任何數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議[3]。

3 控制中心軟件設(shè)計(jì)

■3.1 功能設(shè)計(jì)

控制中心主要是上位機(jī)服務(wù)器，上位機(jī)通過(guò)WIFI 模塊或以太網(wǎng)網(wǎng)口接入網(wǎng)關(guān)。

控制中心軟件基于.net 平臺(tái)，前端使用C#，Java 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，后端使用python 語(yǔ)言進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。控制中心提供實(shí)時(shí)牧場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)的顯示功能，并對(duì)圈養(yǎng)環(huán)境能加以控制調(diào)節(jié)功能。主要界面為系統(tǒng)主窗體，能主觀的展示和匯總關(guān)鍵的信息，為其子功能提供入口。主界面如圖3 所示。

圖3 主程序界面

系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 功能結(jié)構(gòu)圖

■3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)與管理是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的重要核心。數(shù)據(jù)庫(kù)的合理設(shè)計(jì)不僅能保證信心系統(tǒng)的穩(wěn)定，而且可以大大的提高信息系統(tǒng)的工作效率[4]。

其中本系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)記錄大量的來(lái)自于室內(nèi)室外環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)以及牲畜身體素質(zhì)的數(shù)據(jù)，通過(guò)實(shí)時(shí)保存與更新這些數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)智慧牧場(chǎng)的數(shù)字化監(jiān)控與管理。

■3.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)的分析包括牧場(chǎng)環(huán)境參數(shù)的分析以及動(dòng)物身體數(shù)據(jù)參數(shù)的分析 。牧場(chǎng)環(huán)境分為室外牧場(chǎng)環(huán)境因素與圈養(yǎng)環(huán)境，其中室外牧場(chǎng)環(huán)境包括空氣溫濕度，土壤溫濕度，CO2濃度，大氣壓強(qiáng)，PM25 濃度等參數(shù)。圈舍環(huán)境包括空氣溫濕度，光照強(qiáng)度，CO2濃度等參數(shù)。這些環(huán)境參數(shù)通過(guò)處理以圖像的方式展現(xiàn)出來(lái)，能更直觀的讀出有用的信息。同時(shí)能過(guò)通過(guò)數(shù)據(jù)及圖像能對(duì)環(huán)境進(jìn)行調(diào)整，從而能夠獲得最好的飼養(yǎng)狀態(tài)與環(huán)境。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件主要由Lora 網(wǎng)關(guān)與RFID 耳卡組成。LoRa節(jié)點(diǎn)模塊的硬件由核心控制模塊，存儲(chǔ)模塊，loRa 通信模塊，藍(lán)牙或wifi 模塊、電源模塊構(gòu)成。LoRa 模塊單元用于自組織網(wǎng)絡(luò)并收發(fā)請(qǐng)求和響應(yīng)數(shù)據(jù)；核心控制器控制所有外圍模塊協(xié)調(diào)工作；SDRAM 作為微控制器的內(nèi)存用于臨時(shí)存儲(chǔ)運(yùn)行的程序。核心控制模塊為STM32F0 嵌入式微控制器，LoRa 模塊采用SX1276，藍(lán)牙或wifi 模塊采用ESP32 芯片。LoRa 節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)圖如圖5 所示。

圖5 LoRa 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)圖

RFID 耳卡本次采用的是一種2.4G 有源電子耳標(biāo)，包括電源，電源與單片機(jī)相連，單片機(jī)與溫度傳感器模塊、無(wú)線射頻模塊、定位模塊相連。通過(guò)單片機(jī)給溫度傳感器模塊發(fā)出信號(hào)，定期自動(dòng)檢測(cè)的溫度，之后將溫度信號(hào)通過(guò)無(wú)線射頻模塊發(fā)射出去。能夠定期檢測(cè)牲畜溫度，有利于飼養(yǎng)員及時(shí)知曉牲畜健康狀態(tài)。定位模塊可以用來(lái)防止牲畜丟失和監(jiān)測(cè)牲畜的運(yùn)動(dòng)狀況。RFID 耳卡的硬件圖如圖6 所示。

圖6 RFID 耳卡設(shè)計(jì)圖

5 總結(jié)

智慧牧場(chǎng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在LoRa 自組網(wǎng)連接的情況下，完成了連接傳感器的LoRa 節(jié)點(diǎn)模塊與上位機(jī)連接的LoRa 網(wǎng)關(guān)模塊的實(shí)時(shí)通信。完成了牧場(chǎng)室外及圈養(yǎng)的環(huán)境的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與記錄，并提供了可視化的數(shù)據(jù)信息。實(shí)現(xiàn)了牧場(chǎng)飼養(yǎng)環(huán)境的物聯(lián)網(wǎng)化，提高了養(yǎng)殖的效率，方便了管理員的可視化管理。

智慧牧場(chǎng)控制平臺(tái)是牧場(chǎng)數(shù)字化管理的重要組成部分，可廣泛應(yīng)用于圈養(yǎng)企業(yè)與畜牧業(yè)企業(yè)在各種環(huán)境下發(fā)養(yǎng)殖管理與檢測(cè)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，本系統(tǒng)有著非常大的改良的可能，隨著系統(tǒng)將來(lái)的不斷完善，相信在未來(lái)會(huì)有更好發(fā)展。