無錫南洋職業(yè)技術(shù)學院 李曉麗

結(jié)合當前溫室環(huán)境監(jiān)測需求和溫室監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)存問題,提出以LoRa為基礎的溫室多點無線監(jiān)測系統(tǒng)。文章首先介紹了研究背景和系統(tǒng)架構(gòu),然后研究了LoRa為基礎的溫室無線監(jiān)測系統(tǒng)設計以及上位機軟件設計,其中監(jiān)測系統(tǒng)設計包括整體設計、溫濕度采集、光照度采集、LoRa通信設計,上位機軟件設計包含整體設計、數(shù)據(jù)庫設計以及溫室環(huán)境現(xiàn)實功能設計,最后總結(jié)了相關(guān)系統(tǒng)測試實際應用效果。

0 引言

在信息技術(shù)和計算機設備持續(xù)發(fā)展背景下,勞動生產(chǎn)中的多種環(huán)節(jié)對于設備智能化提出更高要求。而人們對于節(jié)能環(huán)保理念的認同感也逐漸提升。在大棚蔬菜種植中,需要針對大棚內(nèi)的二氧化碳、濕度、溫度等參數(shù)進行準確實時測量,并聯(lián)系植物生長需求進行靈活調(diào)節(jié)。但當前對于蔬菜大棚以及各種溫室環(huán)境的網(wǎng)絡控制以及信息采集依然處于初期發(fā)展階段,為此需要合理設計多點網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng),提升環(huán)境監(jiān)控質(zhì)量。

1 研究背景

在農(nóng)產(chǎn)品的現(xiàn)代化種植生產(chǎn)中,當前比較流行的種植方法是溫室種植。溫室種植需要對農(nóng)作物生產(chǎn)種植中容易受到影響的因素,進行合理控制,實現(xiàn)提升農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的目標。整個溫室空間內(nèi)的光照度、濕度條件以及溫度狀態(tài)都會對農(nóng)作物正常生長產(chǎn)生直接影響。通過采取有效措施對各種影響種植的環(huán)境參數(shù)實施全面監(jiān)測管理,能夠幫助靈活調(diào)整農(nóng)作物綜合產(chǎn)量與品質(zhì)。傳統(tǒng)模式下的溫室作業(yè)中,設置有線監(jiān)測系統(tǒng)通常會遇到各種布線難題,但以ZigBee以及WiFi等技術(shù)為基礎的溫室無線監(jiān)測系統(tǒng)在實際應用中普遍存在一定通信難度,比如通信距離過短等。

以LoRa為基礎的無線通信技術(shù)在實際應用中擁有能耗低以及通信距離長等優(yōu)勢,此次研究中提出了以LoRa為基礎的溫室多點無線監(jiān)測系統(tǒng),針對各種環(huán)境信息進行有效采集,從而為創(chuàng)造良好的種植環(huán)境提供有效參考[1]。此系統(tǒng)主要包括上位機軟件以及溫室無線監(jiān)測裝置兩部分構(gòu)成,能夠針對溫室內(nèi)部環(huán)境狀態(tài)進行多點無線遠程監(jiān)測,全面覆蓋各種參數(shù)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

農(nóng)業(yè)信息相關(guān)感知技術(shù)應用于智慧農(nóng)業(yè)建設發(fā)展中,最為常用的便是無線網(wǎng)絡系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)主要分為傳感器模塊、報警模塊、無線通信模塊以及控制模塊等。溫室監(jiān)測系統(tǒng)以LoRa為基礎創(chuàng)建物聯(lián)網(wǎng)無線傳輸平臺,能夠進一步優(yōu)化系統(tǒng)綜合效益,可以促進實現(xiàn)溫室內(nèi)的精準檢測和智能控制。此監(jiān)測系統(tǒng)主要包括以LoRa為基礎的溫室內(nèi)部無線監(jiān)測裝置以及相應的上位機軟件所構(gòu)成,具體如圖1所示。整個監(jiān)測系統(tǒng)中,以LoRa為基礎的溫室無線監(jiān)控設備主要包括LoRa通信模塊、光照度傳感器、溫濕度傳感器、LCD12864液晶顯示屏、AT89C51單片機等部件構(gòu)成。而其中的光照度傳感器以及溫濕度傳感器能夠?qū)厥抑械墓庹斩?、溫濕度等環(huán)境信息實施全面檢測,LoRa相關(guān)通信模塊能夠幫助系統(tǒng)監(jiān)控實現(xiàn)無線通信目標,LCD12864液晶顯示屏能夠準確顯示出不同環(huán)境參數(shù)。上位機軟件則主要能夠針對溫室環(huán)境運行參數(shù)實施遠程無線監(jiān)控。整個系統(tǒng)可以分為一個終端以及多種節(jié)點構(gòu)成,具體涵蓋最小單片機系統(tǒng)、上位機、不同終端以及各個節(jié)點顯示模塊,同時還有系統(tǒng)功能模塊以及相應的信號采集模塊。各個功能模塊之間的通信方式主要是無線通信方式為主,能夠幫助系統(tǒng)終端和各個節(jié)點之間進行順暢通信[2]。

圖1 監(jiān)測裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure of monitoring device

系統(tǒng)內(nèi)各個部分功能如下,其中終端負責接收不同節(jié)點傳輸信息數(shù)據(jù),隨后將其發(fā)送到上位機內(nèi),上位機之間實施有效通信。PC上位機可以全面整合統(tǒng)一終端發(fā)送各種數(shù)據(jù)信息,同時針對特定時間范圍中的信息數(shù)據(jù)實施有效統(tǒng)計和分析。此外,無線終端裝置同時具備移動性和便攜性,能夠有效轉(zhuǎn)移設置點。傳感器以及各個節(jié)點監(jiān)測裝置分別設置于不同環(huán)境內(nèi),對于各個節(jié)點需要按照相應的時間間隔將所監(jiān)測到的信息發(fā)送到終端系統(tǒng)當中,而等到終端系統(tǒng)接收相應的信息后可以為節(jié)點發(fā)送反饋信息。終端正式上電啟動后,便會依次朝各個節(jié)點傳輸啟動信號,隨后各個節(jié)點開始進行信號采集。終端匯總所有信號,利用串口傳輸至上位機內(nèi),把近一段時間內(nèi)所采集到的數(shù)據(jù)信號全面匯總整合到一起,進行系統(tǒng)分析。節(jié)點處于信息傳輸以及信號采集過程中直接轉(zhuǎn)化為低功耗模式。如此能夠有效控制運行功耗,維持長時間穩(wěn)定運行。電源模塊作為系統(tǒng)運行關(guān)鍵,可以為系統(tǒng)運行提供充足能量,為此在電源設計中除了需要聯(lián)系電源功耗進行考慮之外,還需要分析電壓干擾信號,保證電源供應的穩(wěn)定性。

3 以LoRa為基礎的溫室無線監(jiān)測系統(tǒng)設計

3.1 整體設計

聯(lián)系所需實現(xiàn)功能,以LoRa為基礎合理設計溫室中的無線監(jiān)測系統(tǒng)。對應設備裝置硬件結(jié)構(gòu),具體如圖2所示。監(jiān)測裝置中的主控芯片主要選擇AT89C51單片機,裝置的外圍電路主要包含LoRa電路通信模塊、液晶顯示電路LCD12864、光照度采集電路BH1750、溫濕度采集通信電路DHT11、復位電路以及時鐘電路等部分組成。初始化配置主要可以分成兩個部分:第一是各個節(jié)點部分初始化,涵蓋液晶顯示初始化以及多種傳感器的初始化處理,隨后直接向終端發(fā)送具體標志位,明確是否開始正常工作。第二是針對終端各個部分實施初始化操作,比如將串口通信、液晶顯示等實施初始化處理,設置單次傳輸數(shù)據(jù)以及本機內(nèi)部地址。單片機可以把所需傳輸節(jié)點數(shù)據(jù)信息以及有效地址利用通信模塊傳輸系統(tǒng)內(nèi),單片機設置進入發(fā)送射頻模式,開始正式啟動傳輸功能[3]。

圖2 監(jiān)測裝置硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of monitoring device

環(huán)境監(jiān)測裝置在實際應用中主要能夠?qū)崿F(xiàn)下列功能:(1)采集溫室內(nèi)的溫濕度狀態(tài),聯(lián)系其中所設置的溫濕度傳感器裝置DHT11內(nèi)相關(guān)控制邏輯全面采集溫濕度信息。(2)采集溫室中的光照度信息,聯(lián)系BH1750光照度傳感器內(nèi)部控制邏輯合理采集溫室中的光照度信息。(3)液晶屏現(xiàn)實,按照LCD12864液晶器對應控制邏輯準確顯示出溫室中所示采集的光強度、濕度和溫度信息。(4)LoRa通信,單片機控制串口,借助串口轉(zhuǎn)LoRa模塊促進實現(xiàn)和上位機之間的無線通信,具體流程程序如圖3所示:

圖3 監(jiān)測裝置運行流程圖Fig.3 Monitoring device operation flow chart

3.2 溫濕度采集

DHT11溫濕度傳感裝置屬于一種內(nèi)涵校準數(shù)字信號傳輸?shù)臏貪穸葟秃蟼鞲醒b置,同時涵蓋一種NTC測溫元件以及電阻式測濕元件。對應信息輸出模式屬于數(shù)字模式,一次所輸出數(shù)據(jù)能夠達到40位,主要包括八位校驗、八位溫度小數(shù)數(shù)據(jù)、八位溫度正數(shù)數(shù)據(jù)、八位濕度小數(shù)數(shù)據(jù)以及八位濕度正數(shù)數(shù)據(jù)。溫濕度監(jiān)測傳感裝置主要應用單獨總線協(xié)議,對于時序要求相對嚴格,單片機率先將總線電平拉低至少18ms,可以幫助溫濕度傳感器實現(xiàn)內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換操作。隨后單片機將總線電平拉高,大概到20到40μs之間,能夠幫助單片機對信息的輸入和輸出實施有效切換處理。單片機在初步釋放總線控制權(quán)后,溫濕度傳感器開始嘗試拉低總線電平。順利拉低后,準備開始數(shù)據(jù)信息的傳輸工作,并將總線電平對應數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)進一步拉高[4]。

3.3 光照度采集

BH1750關(guān)照度采集裝置主要選擇I2C標準模式的總線傳輸模式,同時在內(nèi)部設置十六位的AD轉(zhuǎn)換器,能夠直接輸出數(shù)字,直接省去過程中較為復雜的標定和計算。光照度采集器在采集讀取相關(guān)信息數(shù)據(jù)中主要按照以下方式實施,單片機經(jīng)過I2C總線為傳感器傳輸發(fā)送相應的起始信號以及設備分布位置,同時還有讀取信號,繼續(xù)等待傳感器進行反饋應答。得到反饋應答后,直接讀取相應的數(shù)據(jù)信息,為傳感器裝置發(fā)送停止運行信號。

3.4 LoRa通信設計

LoRa通信裝置中的重要器件便是LoRa通信模塊AS32-TTL-1W。LoRa對應傳輸模式是一種廣播模式。LoRa通信廣播模塊通過和上位機裝置進行合理連接,及時采集各種監(jiān)測信息數(shù)據(jù),同時嚴格按照具體要求把所采集的信息數(shù)據(jù)順利傳輸至上位機內(nèi)。LoRa通信電路如圖4所示。

圖4 LoRa通信電路Fig.4 LoRa communication circuit

LoRa通信技術(shù)核心內(nèi)容是和控制單片機之間的串口信息發(fā)送以及數(shù)據(jù)接收。狀態(tài)監(jiān)測裝置和上位機兩者之間的通信協(xié)議如下:在監(jiān)測裝置順利接收上位機傳輸命令T、S、F時,上述命令分別代表三號機、二號機和一號機,借助串口連接通道將DDDDDDDDDDDD這種數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)包傳送至上位機。而第一位和第二位固定是SE,能夠針對數(shù)據(jù)包實施準確標識,第三字節(jié)和第四字節(jié)屬于濕度因素。第五字節(jié)和四六字節(jié)屬于溫度標識,第七字節(jié)到第十一字節(jié)數(shù)屬于光照度信息,第十二位屬于相應機器設備識別碼,比如一號機便是1,二號機便是2,通過上位機實施準確識別和顯示[5]。

4 上位機軟件整體設計

4.1 整體設計

在針對上位機軟件實施整體綜合設計中,可以選擇VISUAL BASIC進行編寫,能夠順利實現(xiàn)幾點功能:(1)用戶直接登錄,用戶需要利用自己的用戶名以及密碼進行登錄,并數(shù)據(jù)庫內(nèi)全面存儲相應的用戶信息。(2)可以將溫室內(nèi)部環(huán)境狀態(tài)實時顯示出來,對下位機發(fā)送數(shù)據(jù)包實施準確解析,將溫室中不同監(jiān)測點光照度、溫濕度準確實時顯示出來。(3)對歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)信息,將近期內(nèi)所得監(jiān)測數(shù)據(jù)全面顯示出來,能夠指定時間段對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行查詢,或查詢指定儀器設備編號。(4)管理用戶信息,能夠?qū)τ脩魝€人信息進行及時查看和修改。數(shù)據(jù)庫設計

4.2 數(shù)據(jù)庫設計

系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫主要利用MICROSOFT ACCESS 2010實施設計,以數(shù)據(jù)庫為基礎設計兩種表,一個表用來對用戶信息進行存儲,可以直接將其命名為用戶,另外一個可以對測量數(shù)據(jù)進行儲存,可以將其命名成測量記錄。對應測量記錄表具體結(jié)構(gòu)可如表1所示:

表1 測量記錄表結(jié)構(gòu)Tab.1 Measurement record table structure

4.3 溫室環(huán)境實時顯示功能設計

監(jiān)測系統(tǒng)中的環(huán)境狀態(tài)實時監(jiān)測顯示功能可以將溫室內(nèi)部不同環(huán)境監(jiān)測點具體信息狀況實時顯示出來,主要操作步驟如:(1)開啟系統(tǒng)主界面窗口后,與數(shù)據(jù)庫進行有效連接,同時按照串口合理進行信息配置,根據(jù)設置的時間間隔針對下位機實施有效輪詢。(2)對于下位機重新返回數(shù)據(jù)包實施全面解析,并嚴格按照解析結(jié)果,準確顯示出相關(guān)儀器設備采集的光照度、濕度、溫度以及采集時間等信息,并在數(shù)據(jù)庫內(nèi)及時錄入測量結(jié)果。

5 結(jié)語

綜上所述,以LoRa為基礎在溫室空間環(huán)境內(nèi)合理設計多點無線監(jiān)控系統(tǒng),能夠進一步優(yōu)化整個溫室環(huán)境監(jiān)控質(zhì)量,能夠聯(lián)系植物生長需求,對整個溫室內(nèi)的氣溫、濕度、二氧化碳濃度等進行靈活調(diào)整,更好迎合植物生長,促進植物的健康成長,提升整體產(chǎn)量。在此次的研究活動中,提出了一種以LoRa為基礎的溫室多點無線監(jiān)控系統(tǒng)裝置,整體系統(tǒng)能夠針對目標溫室環(huán)境實施遠程無線監(jiān)測。同時系統(tǒng)中的環(huán)境監(jiān)測、狀態(tài)信息采集以及環(huán)境狀態(tài)顯示等都呈現(xiàn)出良好效果,可以實現(xiàn)溫室監(jiān)測目標。相關(guān)設計活動中的突出特征如下:

(1)將LoRa無線通信技術(shù)融入溫室環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測過程中,從而進一步擴展無線通信傳輸距離。(2)合理設計以LoRa為基礎的溫室內(nèi)部無線監(jiān)測系統(tǒng)裝置,該監(jiān)測裝置擁有LoRa通信功能、液晶顯示功能、光照度采集功能以及溫濕度狀態(tài)信息采集功能。(3)對溫室內(nèi)部上位機運行狀態(tài)實施監(jiān)測,合理設計相應的監(jiān)測軟件,同時該種軟件在實際應用中還具備用戶登錄系統(tǒng)、執(zhí)行操作、顯示溫室環(huán)境狀態(tài)、管理用戶信息和查詢歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)等功能。在未來發(fā)展中需要繼續(xù)研究多點數(shù)據(jù)采集技術(shù),促進相關(guān)監(jiān)測系統(tǒng)的進一步完善和發(fā)展。

引用

[1] 劉勃妮,王麗,王威,等.基于物聯(lián)網(wǎng)和云平臺的智慧溫室監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建[J].微型電腦應用,2021,37(4):1-3.

[2] 侯加林,蒲文洋,李天華,等.基于UWB與物聯(lián)網(wǎng)的移動式溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2020,36(23):229-240.

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[4] 郭威,吳華瑞,朱華吉.設施溫室影像采集與環(huán)境監(jiān)測機器人系統(tǒng)設計及應用[J].智慧農(nóng)業(yè)(中英文),2020,2(3):48-60.

[5] 鄔亮,吳卓葵,曾楊達,等.基于LoRa的溫室多點無線監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].仲愷農(nóng)業(yè)工程學院學報,2020,33(1):50-53+65.