河北大學電子信息工程學院 趙曉軍 郝文娟 李 寒 莫益錠 張郁佳 季 桓

目前大多數(shù)農(nóng)業(yè)大棚采用有線傳輸和短距離無線通信的方式，對單一大棚進行環(huán)境監(jiān)測和設備控制，存在通信距離短，組網(wǎng)復雜，受網(wǎng)絡環(huán)境影響較大等問題。針對以上問題，設計并實現(xiàn)了一套基于LoRa和模糊控制的大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用LoRa進行遠程通信，利用Wi-Fi或GPRS將數(shù)據(jù)上傳至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，通過Web和微信小程序實現(xiàn)大棚內各種參數(shù)的遠程查看和控制。結果表明，該系統(tǒng)遠程數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，自動調節(jié)環(huán)境參數(shù)，能夠實現(xiàn)大棚的遠程監(jiān)測和控制。

我國南北地形和氣候差異明顯，對于農(nóng)作物的種植有著很大的限制。為了減少這些因素對農(nóng)作物生長產(chǎn)生的影響，使農(nóng)業(yè)種植不受地域和氣候等因素的限制，建立一種精準化、智能化、普遍應用的智慧農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)有著十分重要的意義。LoRa是一種將擴頻和GFSK調制融合在一起的長距離、低功耗的數(shù)據(jù)通信技術，其工作頻段為0.137GHz-1.02GHz，傳輸速率從幾百bps可達幾十Kbps，在保證信息傳輸?shù)倪^程中功耗較低的前提下，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸距離。

1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)以STM32F103系列單片機為核心，通過溫度、濕度和光照傳感器對空氣環(huán)境和土壤環(huán)境進行監(jiān)測，利用模糊PID調節(jié)風機、卷簾機等工作，調節(jié)環(huán)境參數(shù)，并將傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過LoRa模塊進行遠程數(shù)據(jù)傳輸。集中器通過GPRS或Wi-Fi模塊將數(shù)據(jù)上傳到阿里云平臺，并用MYSQL數(shù)據(jù)庫進行存儲，用戶通過網(wǎng)頁或者微信小程序對大棚進行環(huán)境的監(jiān)控。

1.1 環(huán)境采集節(jié)點設計

環(huán)境采集節(jié)點主要由傳感器、LoRa模塊、STM32F103和電源模塊等組成，用于實時獲取農(nóng)業(yè)大棚內環(huán)境參數(shù)，包括空氣溫度、空氣濕度、光照強度、土壤溫度、土壤濕度等參數(shù)，并完成數(shù)據(jù)上報。LoRa是一種將擴頻和GFSK調制融合在一起的長距離、低功耗的數(shù)據(jù)通信技術，具有星型組網(wǎng)方式，傳輸速率從幾百bps可達幾十Kbps，在保證信息傳輸?shù)倪^程中功耗較低的前提下，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸距離。圖1所示為采集節(jié)點框圖。

圖1 采集節(jié)點框圖

1.2 集中器設計

集中器是LoRa網(wǎng)絡中最重要的部分，它的作用是將LoRa網(wǎng)絡中采集到的數(shù)據(jù)上傳到服務器，是星型組網(wǎng)中的中心節(jié)點。集中器是由STM32F103C8T6單片機、LoRa模塊、WiFi模塊ESP8266和GPRS模塊等部分構成。數(shù)據(jù)傳輸通過LoRa模塊進行數(shù)據(jù)匯總，Wi-Fi或GPRS模塊與阿里云物理網(wǎng)平臺進行通信，在進行設計時選用2個2P撥碼開關，其中一個撥碼開關進行GPRS/Wi-Fi模式的選擇，另一個開關作為單片機程序的標志位，通過波動開關實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)方式的切換。圖2所示為集中器框圖。

圖2 集中器框圖

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 系統(tǒng)總體軟件設計

軟件設計的主要流程為信息采集節(jié)點將采集的環(huán)境信息通過LoRa無線通信技術將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點，然后將數(shù)據(jù)上傳至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，同時可以將數(shù)據(jù)流轉到MySQL數(shù)據(jù)庫中，通過上位機端的Web信息管理系統(tǒng)對大棚內環(huán)境參數(shù)進行查看和管理。當用戶對棚內設備進行控制時，數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點接收到上位機Web端發(fā)來的控制命令，然后將控制命令通過LoRa無線通信模塊傳輸至執(zhí)行設備控制箱，從而對大棚內相應的設備進行控制。本系統(tǒng)軟件總體流程圖如圖3所示。

圖3 軟件總體流程圖

2.2 模糊PID控制

模糊PID控制利用一定的模糊規(guī)則，進行大棚溫濕度調控，實現(xiàn)大棚環(huán)境自動化調節(jié)。模糊PID通過設定溫濕度參數(shù)，采集當前的環(huán)境溫濕度，進行比較，產(chǎn)生的偏差和偏差變化率通過模糊化處理得出KP、KI、KD，建立模糊控制表，通過PID控制器對執(zhí)行設備進行自動化控制去調節(jié)大棚內環(huán)境參數(shù)。圖4所示為PID調節(jié)流程圖。

圖4 模糊PID控制框圖

對于溫濕度環(huán)境的自動調節(jié)，主要是根據(jù)用戶設定的上限和下限值，當采集到當前的溫濕度大于上限值或者小于下限值時，通過模糊控制，執(zhí)行設備自動進行溫濕度調節(jié)，使溫濕度控制在用戶設定的范圍內。圖5所示是溫度自動調控流程圖。

圖5 溫度自動調控流程圖

2.3 微信小程序

用微信開發(fā)者工具對微信小程序進行開發(fā)，它具有模擬器、調試工具和小程序操作區(qū)三大功能，能夠看到真實的頁面結構和對應的wxss屬性，并快速找到組件對應的wxml代碼。微信小程序具有跨平臺的優(yōu)勢，只用在微信中打開微信小程序就可以自動連接服務器，進行數(shù)據(jù)流轉，對大棚環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測和控制。圖6所示是微信小程序界面。

圖6 微信小程序界面

2.4 Web開發(fā)

本文設計的基于B/S架構的Web信息管理系統(tǒng)前端開發(fā)使用vue.js、ElementUI以及Echarts技術，后端開發(fā)使用SpringBoot和Mybatis-Plus框架，主要功能是獲取大棚內環(huán)境參數(shù)等信息，及時的在界面中展示出來，可以通過控制指令對大棚內設備進行控制。用戶在完成登錄后便可以對系統(tǒng)進行查看、管理以及控制。本系統(tǒng)設置數(shù)據(jù)每隔2min上傳一次。實時數(shù)據(jù)監(jiān)測如圖7所示。

圖7 實時數(shù)據(jù)查看界面

3 LoRa模塊RSSI測試

RSSI可以表示LoRa無線通信模塊在信號接收時信號的強弱。在對RSSI進行測試時，可以使LoRa模塊進入信號強度模式下進行測試，RSSI的值越大，說明信號越穩(wěn)定。信號強度主要受環(huán)境遮擋和通信距離影響，本次測試選取兩種場景進行測試，一種是遮擋較少的寬闊馬路，另一種是部分遮擋的地點，如圖8所示。

圖8 LoRa模塊功能測試地點

測試采用定向點對點傳輸?shù)姆绞竭M行測試，將數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點固定，按預定距離移動采集節(jié)點，LoRa模塊信道設置為0x17（信道23，433MHz），發(fā)射功率設置為20dBm，程序設定每10s采集節(jié)點向數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點發(fā)送一次數(shù)據(jù)包進行測試。測試結果如表1所示。

表1 RSSI測試結果

從表1測試結果可以看出，在兩種場景下，信號強度會受距離和環(huán)境的影響，遮擋較少的場景信號強度優(yōu)于有遮擋場景，測試結果與預期較為符合。

本文針對我國溫室大棚的發(fā)展現(xiàn)狀和智能化生產(chǎn)的需求，設計并實現(xiàn)了一套基于LoRa和模糊控制的大棚監(jiān)控系統(tǒng)，主要包括信息采集節(jié)點、數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點、執(zhí)行設備控制節(jié)點以及遠程監(jiān)控終端，用戶可以通過Web、微信小程序實現(xiàn)對棚內環(huán)境信息的查看與執(zhí)行設備的控制。該系統(tǒng)集傳感采集、數(shù)據(jù)存儲、設備聯(lián)動于一體，可實現(xiàn)遠程監(jiān)測和控制，同時具有遠距離智能化的控制方式和報警等功能，從而為農(nóng)作物健康生長提供有利的條件。