朱霏雨，劉木華，袁海超，趙進(jìn)輝，俞豪駿

(1. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，南昌市，330045； 2. 江西省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌市，330045)

0 引言

中國早在20世紀(jì)90年代就開始了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的初步探索[1]，在農(nóng)業(yè)規(guī)?；?、集約化的過程中，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)成為當(dāng)今農(nóng)業(yè)發(fā)展的新潮流。當(dāng)前我國的蔬菜種植規(guī)模有限，絕大多數(shù)地區(qū)仍依賴于傳統(tǒng)的人工耕作和人為經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行管理[2]，浪費(fèi)了大量的人力物力，且普遍存在成本高、效率低等問題[3]，已不適用于當(dāng)前蔬菜種植發(fā)展的迫切需求。與此同時(shí)，傳感器及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展[4-5]，給蔬菜種植行業(yè)帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)到蔬菜生產(chǎn)實(shí)踐中，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息的及時(shí)獲取，對改變蔬菜種植模式，保證作物高產(chǎn)、綠色健康具有重要意義[6-8]。

目前許多研究人員開發(fā)了多種農(nóng)業(yè)信息化系統(tǒng)[9-10]以滿足不同領(lǐng)域的發(fā)展需要。孫彥景等[11]闡述了農(nóng)業(yè)信息化系統(tǒng)實(shí)施的整體框架。楊旭輝等[12]開發(fā)的節(jié)能型水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測水中溫度、pH值、溶解氧濃度、濁度等參數(shù)。楊衛(wèi)中等[13]開發(fā)的基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對土壤墑情信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測?；戮甑萚14]研制了基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的養(yǎng)殖塘水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，利用云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測。徐識(shí)溥等[15]開發(fā)的農(nóng)田土壤環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了土壤環(huán)境信息的自動(dòng)化采集與存儲(chǔ)。

上述系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)了信息的采集處理[16-22]，但是未利用物聯(lián)網(wǎng)接口技術(shù)獲取更多有效信息；缺少統(tǒng)一管理和自主研發(fā)的配套可視化平臺(tái)，普遍存在后期系統(tǒng)設(shè)備維護(hù)困難等問題。在無線通訊方面本系統(tǒng)選用的LoRa通訊方式更加符合中短距離、小數(shù)據(jù)包、低功耗、時(shí)延不敏感等特性[23]。

基于上述問題，本文采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，自行開發(fā)了一套可用于菜田的土壤溫濕度在線監(jiān)測系統(tǒng)，將通信模塊與嵌入式單片機(jī)相結(jié)合，采用LoRa組網(wǎng)+4G轉(zhuǎn)發(fā)的方式，可實(shí)現(xiàn)對傳感器的遠(yuǎn)程溫濕度數(shù)據(jù)監(jiān)測與參數(shù)配置。此外，系統(tǒng)后臺(tái)服務(wù)器通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)、定量、定位的計(jì)算處理，可向農(nóng)業(yè)用戶提供監(jiān)測信息查詢、遠(yuǎn)程控制等功能服務(wù)。

1 系統(tǒng)總體框架

按照經(jīng)典的物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)模型[24]搭建基于物聯(lián)網(wǎng)的菜田土壤溫濕度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)整體框架(圖1)，其分為設(shè)備感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和處理應(yīng)用層。

1.1 設(shè)備感知層框架

設(shè)備感知層作為本系統(tǒng)的核心，包括各個(gè)工作于菜田間的土壤溫濕度無線傳感器，其可自動(dòng)完成數(shù)據(jù)采集、協(xié)作通信和信息處理，運(yùn)用LoRa技術(shù)[25]自動(dòng)建立傳輸網(wǎng)絡(luò)并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至LoRa協(xié)調(diào)器主匯聚節(jié)點(diǎn)。此外，感知層傳感器設(shè)備均配有唯一的設(shè)備二維碼，用戶可掃描登陸后對該設(shè)備的運(yùn)行狀況、監(jiān)測數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行實(shí)地查看。

圖1 菜田中土壤溫濕度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)整體框架圖

1.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸層框架

網(wǎng)絡(luò)傳輸層包括通訊定位衛(wèi)星、LoRa協(xié)調(diào)器、4G LTE Cat.1模塊和通信基站。LoRa協(xié)調(diào)器搭載有嵌入式Linux系統(tǒng)?；赒t開發(fā)的嵌入式應(yīng)用程序上還能顯示及控制當(dāng)前感知層的設(shè)備節(jié)點(diǎn)。所有感知層傳感器的數(shù)據(jù)匯集于所在片區(qū)內(nèi)的LoRa協(xié)調(diào)器，繼而以4G方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至基站，完成與服務(wù)器的交互。

1.3 處理應(yīng)用層框架

處理應(yīng)用層主要包括Socket網(wǎng)絡(luò)端口監(jiān)聽工具、Web物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫。Socket網(wǎng)絡(luò)端口監(jiān)聽工具負(fù)責(zé)接收及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，Web物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)查詢數(shù)據(jù)庫獲取監(jiān)測信息，繪制動(dòng)態(tài)圖表展示給用戶。

2 感知層設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

感知層作為系統(tǒng)的最底層，主要由各片區(qū)內(nèi)的土壤溫濕度傳感器設(shè)備組成，是獲取菜田溫濕度信息的關(guān)鍵部分。目前市面上的溫濕度傳感器普遍存在功耗大、成本高、自動(dòng)化程度低等問題，在農(nóng)田監(jiān)測領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用效果還有待提高?；诖耍狙芯吭O(shè)計(jì)的土壤溫濕度無線傳感器(wireless soil temperature and moisture sensor，WSTMS)[26]，具有功耗低、使用壽命長、運(yùn)行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)較長時(shí)間土壤溫濕度的在線監(jiān)測。傳感器基本特性參數(shù)如表1所示。

表1 WSTMS基本特性Tab. 1 Basic characteristics of WSTMS

2.1 WSTMS硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的土壤溫濕度無線傳感器電路部分由3個(gè)基本單元組成：信號采集模塊、LoRa通信模塊和供電模塊，其基本結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 WSTMS結(jié)構(gòu)原理圖

2.1.1 信號采集模塊

該模塊由濕度采集與溫度采集兩部分組成。濕度采集部分由濕度探針、分壓偏置電路和運(yùn)算放大器自下而上依次連接。濕度探針使用特殊的金屬合金制成，耐酸堿，以模擬電阻的形式得出不同土壤濕度下的電阻率。該探針兩極串聯(lián)210 kΩ電阻后，將分壓信號，經(jīng)運(yùn)放放大后輸出至ADC通道。

溫度采集部分電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。CN1為Pt100鉑熱電阻插腳，支持三線和四線連接方式，本研究中的鉑熱電阻Pt100采用恒流源四線制接法。Q1、Q2和Q3組成雙路鏡像恒流源。R5為精度1‰的低溫漂溫度補(bǔ)償電阻。當(dāng)R5=91 Ω時(shí)支持測量-23 ℃～+50 ℃，能完全覆蓋菜田溫度變化范圍。鉑熱電阻與R5兩路恒流源降壓信號經(jīng)OPA2379組成的電壓跟隨器差分輸入至AD620。根據(jù)增益公式計(jì)算AD620差分輸入信號的放大倍數(shù)

(1)

當(dāng)R1=510 Ω時(shí)，增益G≈97.86。此時(shí)將放大后的信號OUT1傳入主控ADC通道。圖3中R6為電位器，用于溫度的初值校準(zhǔn)。

圖3 溫度采集部分原理圖

2.1.2 主控與通信模塊

主控MCU選用型號為STM8L051F3P6，Halt模式下功耗低至350 nA，特別適合電池應(yīng)用場合。

通信模塊采用低功耗、遠(yuǎn)距離的E22-400T22S，基于SX1268設(shè)計(jì)。將該模塊運(yùn)行于透傳模式下，與當(dāng)前片區(qū)內(nèi)的LoRa協(xié)調(diào)器進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)及指令傳輸，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后立即進(jìn)入休眠，等待主控喚醒。

2.1.3 供電模塊

供電電源采用3.7 V雙節(jié)鋰電池。電源管理芯片為LTC2941，用于指示電池充放電量。充電管理芯片采用TP4056。穩(wěn)壓電路均使用低功耗LDO。

2.2 WSTMS軟件設(shè)計(jì)

該傳感器軟件設(shè)計(jì)采用前后臺(tái)系統(tǒng)：前臺(tái)程序有RTC定時(shí)器中斷來處理數(shù)據(jù)采集與發(fā)送事件，外部中斷喚醒用于在低功耗運(yùn)行模式下接收參數(shù)配置指令；后臺(tái)程序則主要用于判斷喚醒條件，進(jìn)行嚴(yán)格的功耗控制。整體軟件流程圖見圖4。

圖4 WSTMS軟件流程圖

2.2.1 主程序流程

主程序流程圖如圖4(b)所示，接通電池后STM8L051首先進(jìn)行內(nèi)核和外設(shè)初始化，包括系統(tǒng)時(shí)鐘、溫濕度測量電路、LoRa、指示燈、電量計(jì)等。繼而從EEPROM中恢復(fù)上一次保存的傳感器配置信息，包括：電量值、采樣時(shí)間以及工作模式。

初始化步驟完成后，傳感器進(jìn)入后臺(tái)模式，判斷喚醒標(biāo)志條件、控制是否進(jìn)入Halt模式以及響應(yīng)外界指令。

2.2.2 外部中斷服務(wù)子程序

當(dāng)進(jìn)入Halt模式后MCU停止工作，無法接收外部發(fā)來的串口數(shù)據(jù)指令，且僅允許外部中斷與RTC中斷兩種方式將其喚醒。因此在進(jìn)入Halt模式前配置與LoRa無線模塊相連的串口PA3引腳為外部中斷下降沿觸發(fā)模式，當(dāng)LoRa無線模塊接收到數(shù)據(jù)時(shí)則會(huì)觸發(fā)該引腳的外部中斷便于喚醒MCU，喚醒成功后立即在外部中斷服務(wù)程序中恢復(fù)該引腳的串口接收功能。通過以上方法可有效解決進(jìn)入Halt模式下無法響應(yīng)串口數(shù)據(jù)的問題。外部中斷服務(wù)子程序如圖4(a)所示。

2.2.3 RTC定時(shí)器中斷服務(wù)子程序

RTC定時(shí)器中斷子程序如圖4(c)所示。板載32.768 kHz晶振提供精確的RTC時(shí)鐘源，每隔既定周期(該參數(shù)可通過指令配置)以RTC定時(shí)器中斷喚醒的方式采集溫濕度及電量數(shù)據(jù)并無線發(fā)送，發(fā)送完成后將喚醒標(biāo)志位清零，回到主程序。在一個(gè)喚醒周期內(nèi)完成對溫濕度信號連續(xù)采樣23次，冒泡排序后采用中值平均濾波算法來克服采樣波動(dòng)與脈沖干擾。當(dāng)采樣周期小于30 s時(shí)，采用中值平均濾波并結(jié)合一階卡爾曼算法濾波。

3 傳輸層設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

LoRa協(xié)調(diào)器主匯聚節(jié)點(diǎn)接收到由各個(gè)方向發(fā)來的傳感器LoRa數(shù)據(jù)包后，經(jīng)4G模組、移動(dòng)基站轉(zhuǎn)發(fā)至服務(wù)器。

3.1 LoRa透傳協(xié)議設(shè)計(jì)

各傳感器終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器間的數(shù)據(jù)上報(bào)以透傳方式進(jìn)行。命令下發(fā)則以協(xié)調(diào)器廣播的方式完成，兩者均采用自定義數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

3.1.1 數(shù)據(jù)上報(bào)傳輸協(xié)議

數(shù)據(jù)上報(bào)協(xié)議按字節(jié)先后分為：起始標(biāo)志符、片區(qū)地址、設(shè)備號、數(shù)據(jù)幀、分隔符、結(jié)束標(biāo)志符，均采用ASCII編碼方式。例如：上述土壤溫濕度無線傳感器上報(bào)的數(shù)據(jù)格式為：“########A02TH&ST=26.1&SH=15.6&BL=93@”，則各數(shù)據(jù)字段的含義如下：8位“#”作為起始標(biāo)志符可有效降低誤碼率；字母“A”代表片區(qū)地址，即協(xié)調(diào)器所在區(qū)域地址，采用1位大寫英文字母A～Z表示，占用1 Byte；“02TH”代表設(shè)備號，即02號溫濕度傳感器，采用2位數(shù)字00～99加2位大寫字母A～Z表示，占用4 Byte；數(shù)據(jù)幀格式靈活且占用字節(jié)大小不定，以“&”開頭，不同數(shù)據(jù)間使用分隔符“&”(ASCII碼0x26)分隔，“ST=26.1”代表當(dāng)前土壤溫度為26.1 ℃，“SH=15.6”代表當(dāng)前土壤相對濕度為15.6%RH，“BL=93”表示電池電量剩余93%；單條協(xié)議以“@”符結(jié)束。

3.1.2 命令下發(fā)傳輸協(xié)議

命令下發(fā)由LoRa協(xié)調(diào)器對所在片區(qū)內(nèi)的LoRa終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行空中配置。傳感器串口接收到LoRa數(shù)據(jù)后喚醒MCU解析命令。指令格式包括起始標(biāo)志符、片區(qū)地址、設(shè)備號、@指令前綴和參數(shù)。如下達(dá)更改采樣周期命令：“########A01WL@S0012”即可完成對協(xié)調(diào)器所在片區(qū)地址“A”內(nèi)的“01WL”號設(shè)備的采樣周期設(shè)置為12 s。當(dāng)采樣周期參數(shù)設(shè)置為“0000”時(shí)立即停止采樣。表2為現(xiàn)所支持的參數(shù)配置指令集。

表2 參數(shù)配置指令集Tab. 2 Instruction set of parameter configuration

3.2 LoRa協(xié)調(diào)器主匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

LoRa以其低功耗、遠(yuǎn)距離等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于傳感器監(jiān)測領(lǐng)域，對于要求成本低、續(xù)航久和通信不頻繁的場景來說LoRa的優(yōu)勢則更為明顯。該協(xié)調(diào)器作為一個(gè)片區(qū)內(nèi)的頂級父節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)其下LoRa網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建、維護(hù)和管理，由LoRa模塊出廠固件自動(dòng)完成。此外協(xié)調(diào)器還具有數(shù)據(jù)接收、命令廣播、數(shù)據(jù)上報(bào)等功能。

本文在ubuntu平臺(tái)使用Qt Creator 3.5.1 (opensource)構(gòu)建應(yīng)用項(xiàng)目。圖5是LoRa協(xié)調(diào)器和Qt應(yīng)用程序的軟件運(yùn)行界面。當(dāng)軟件接收到符合透傳協(xié)議的數(shù)據(jù)時(shí)，將自動(dòng)提交數(shù)據(jù)至服務(wù)器上的端口監(jiān)聽軟件[27]。該應(yīng)用程序還用于應(yīng)用層命令轉(zhuǎn)發(fā)，如Web端發(fā)來“########@SB03TH200”指令，經(jīng)該應(yīng)用程序解析后由該LoRa協(xié)調(diào)器主匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行廣播。由于每個(gè)傳感器設(shè)備在出廠前都會(huì)在固件程序中記錄其唯一設(shè)備號，所以當(dāng)LoRa協(xié)調(diào)器廣播時(shí)只有對應(yīng)片區(qū)號和設(shè)備號的LoRa終端傳感器才會(huì)做出響應(yīng)動(dòng)作，其他節(jié)點(diǎn)均不受影響。

圖5 LoRa協(xié)調(diào)器及軟件界面圖

4 應(yīng)用層設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 Socket網(wǎng)絡(luò)端口監(jiān)聽工具

傳輸層中LoRa協(xié)調(diào)器接收的數(shù)據(jù)最終經(jīng)4G上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器控制中心。本文基于多線程技術(shù)和WPF自行開發(fā)了一款Socket網(wǎng)絡(luò)端口監(jiān)聽工具。此軟件作為系統(tǒng)服務(wù)跟隨服務(wù)器啟動(dòng)，保持24 h運(yùn)行狀態(tài)，其界面如圖6所示。

圖6 Socket網(wǎng)絡(luò)端口監(jiān)聽工具界面

該網(wǎng)絡(luò)端口監(jiān)聽工具主要用于LoRa協(xié)調(diào)器完成數(shù)據(jù)上傳和指令交互，一方面將接收的傳感器數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫，另一方面依靠TCP Socket網(wǎng)絡(luò)間接與傳感器設(shè)備建立連接，實(shí)現(xiàn)傳感器的遠(yuǎn)程控制。

4.2 基于LoRa的OTA固件升級工具

OTA(Over-the-air Technology)固件升級工具可遠(yuǎn)程升級部署在田間的LoRa無線傳感器及協(xié)調(diào)器設(shè)備。該工具基于C#WPF框架開發(fā)，采用高效的YModem協(xié)議傳輸傳感器固件升級包。使用此工具可極大地降低系統(tǒng)后期維護(hù)成本，使得傳感器設(shè)備無須返廠即可在線完成升級[28-29]。

4.3 服務(wù)器與數(shù)據(jù)持久化

服務(wù)器為整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)提供計(jì)算與應(yīng)用服務(wù)，主要完成傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)聽、消息轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)庫及Web網(wǎng)站部署等工作。數(shù)據(jù)庫內(nèi)建表格包含：文件索引表、用戶信息表、監(jiān)測數(shù)據(jù)表、設(shè)備狀態(tài)表等。

4.4 Web物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)

Web物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)，采用B/S(Browser/Server)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式，基于maven的SSM框架[30]，響應(yīng)式的布局可同時(shí)兼容手機(jī)、PC等不同設(shè)備。Web物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)如圖7所示。該平臺(tái)按照人員組織結(jié)構(gòu)將用戶分為管理員和普通用戶。

圖7 物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)圖

4.4.1 設(shè)備管理

設(shè)備管理頁以LoRa協(xié)調(diào)器所在片區(qū)進(jìn)行劃分，每個(gè)協(xié)調(diào)器下掛載有多個(gè)傳感設(shè)備，用戶可自由創(chuàng)建和刪除設(shè)備。

4.4.2 統(tǒng)計(jì)報(bào)表

統(tǒng)計(jì)報(bào)表頁可查看傳感器的實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)走勢圖(圖8)，并提供圖表圖片下載打印功能。

圖8 傳感器歷史溫度走勢圖

5 系統(tǒng)測試與分析

5.1 WSTMS傳感器性能試驗(yàn)

5.1.1 溫度標(biāo)定與測試

將傳感器與校準(zhǔn)后的水銀溫度計(jì)同時(shí)置于恒溫水浴箱中進(jìn)行傳感器溫度標(biāo)定試驗(yàn)，設(shè)置采樣間隔為5 s，取5 ℃～50 ℃范圍內(nèi)共21組不同溫度取值作為測量點(diǎn)。通過Web物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)監(jiān)測數(shù)據(jù)，待傳感器到達(dá)穩(wěn)態(tài)后記錄讀數(shù)，每組重復(fù)測量5次取均值，測量結(jié)果見表3。

表3 傳感器溫度標(biāo)定值Tab. 3 Temperature calibration value of WSTMS

評估該傳感器的溫度特性曲線，對溫度與輸出電壓值進(jìn)行線性擬合，得到如圖9(a)所示的溫度標(biāo)定曲線，其擬合線性方程為

Temp=28.974·Voltage-33.312

(2)

式中：Voltage——輸出電壓，V。

決定系數(shù)RT2為99.54%，說明該傳感器有較好的線性度。該傳感器的溫度測量分辨率較好，可達(dá)0.1 ℃。

(a) 標(biāo)定曲線

(b) 響應(yīng)曲線

將傳感器在(20±0.5) ℃環(huán)境下靜置5 min后再分別置于溫度為(26±0.5) ℃和(30±0.5) ℃的恒溫水浴箱中，得到的溫度階躍響應(yīng)曲線如圖9(b)所示。計(jì)算由起始溫度變化到最終溫度的63.2%所需的時(shí)間常數(shù)τ，該傳感器的溫度響應(yīng)時(shí)間常數(shù)τ小于18 s。

5.1.2 濕度標(biāo)定與測試

自然環(huán)境中土壤含水量范圍一般保持在5%～20%之間，土壤含水量在8%以下的干土，土色灰白，作物幾乎無法吸收水分，不適宜播種和耕作；含水量在18.5%～20%土壤有效含水量最大，為適耕上限?；诖耍谑覝?2 ℃環(huán)境下進(jìn)行傳感器濕度標(biāo)定，取土壤濕度在0～25%范圍內(nèi)共9組不同土壤濕度樣品為測量點(diǎn)，根據(jù)國標(biāo)NY/T 52—1987《土壤水分測定法》[31]的有關(guān)說明配置不同土壤濕度樣品。測量時(shí)將濕度探頭完全插入到土壤中，靜置30 min，通過Web物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到不同土壤濕度下的A/D采樣值，如表4所示。對濕度與輸出電壓值進(jìn)行線性擬合，得到如圖10(a)所示的濕度標(biāo)定曲線。

表4 WSTMS濕度測試結(jié)果Tab. 4 Measurement results of WSTMS humidity

(a) 標(biāo)定曲線

(b) 響應(yīng)曲線

其擬合線性方程為

Humid=-16.881·Voltage+27.094

(3)

決定系數(shù)RH2=94.59%，由圖10(b)可知該傳感器的濕度響應(yīng)時(shí)間約為20 s。

5.1.3 其他參數(shù)測試

將傳感器采樣時(shí)間間隔設(shè)定為15 min，天線增益為3 dBi，用示波器測得該傳感器在待機(jī)狀態(tài)下的靜態(tài)電流為3.05 mA，待機(jī)功耗小于11.28 mW；發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)峰值電流為179 mA，整機(jī)發(fā)射功耗小于662 mW。實(shí)測該傳感器在上述配置下可連續(xù)工作80天以上。

5.2 系統(tǒng)通信穩(wěn)定性測試

傳感器測量數(shù)據(jù)由產(chǎn)生到存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫作為一次完整的通信過程，對系統(tǒng)通訊穩(wěn)定性能進(jìn)行試驗(yàn)：設(shè)置傳感器溫濕度及電量數(shù)據(jù)每20 s向LoRa基站匯報(bào)一次，由于采用32.768 kHz晶振且程序中時(shí)間數(shù)值設(shè)置存在舍入誤差，因此，實(shí)際采樣周期T應(yīng)更正為

(4)

日均上報(bào)采樣條數(shù)理論值為4 218.75條。讀取數(shù)據(jù)庫記錄，統(tǒng)計(jì)各組傳感器1日內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)條數(shù)共5組取平均，分析結(jié)果見表5。

試驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)通訊平均丟包率為4.73%，最大丟包率為7.57%。距離較近時(shí)可獲得較好的通信質(zhì)量。

表5 數(shù)據(jù)丟包率分布Tab. 5 Distribution of loss rate

5.3 移動(dòng)端APP應(yīng)用測試

移動(dòng)端APP采用響應(yīng)式網(wǎng)頁，包括上述Web物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)的全部功能。其監(jiān)測界面如圖11所示。

圖11 移動(dòng)端APP監(jiān)測界面

6 結(jié)論

本研究基于現(xiàn)代無線傳感技術(shù)，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)感知層、傳輸層和應(yīng)用層的三層體系結(jié)構(gòu)，自主設(shè)計(jì)開發(fā)了一整套基于物聯(lián)網(wǎng)的菜田溫濕度信息監(jiān)測系統(tǒng)。

1) 結(jié)合嵌入式單片機(jī)與傳感器技術(shù)自行設(shè)計(jì)了一種土壤溫濕度無線傳感器。采用分時(shí)節(jié)能算法和嚴(yán)格的功耗控制，最大限度地延長節(jié)點(diǎn)生存周期。通過傳感器標(biāo)定試驗(yàn)，建立了溫濕度標(biāo)定曲線，其決定系數(shù)分別為99.54%和94.59%，系統(tǒng)通信平均丟包率為4.73%，在采樣周期為15 min的情況下，預(yù)計(jì)可續(xù)航80天以上。

2) 傳輸層設(shè)計(jì)開發(fā)了LoRa協(xié)調(diào)器主匯聚節(jié)點(diǎn)，通過該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行LoRa無線組網(wǎng)，接收傳感器數(shù)據(jù)并通過4G發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器。

3) 應(yīng)用層開發(fā)有Socket網(wǎng)絡(luò)端口監(jiān)聽工具、OTA固件升級工具、Web物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)、手機(jī)APP等多款軟件。使系統(tǒng)具備傳感器在線監(jiān)測、報(bào)表查詢、空中升級、視頻監(jiān)控、文件存儲(chǔ)等多種功能，其通用性強(qiáng)，設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行穩(wěn)定，用戶界面友好，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

4) 由于為了降低傳輸協(xié)議的復(fù)雜性，在傳輸層數(shù)據(jù)匯聚過程中存在通訊堵塞的問題。在以后的工作中，我們將研究性能優(yōu)良的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)融合算法與校驗(yàn)協(xié)議，以進(jìn)一步降低多節(jié)點(diǎn)時(shí)的丟包率。

5) 該傳感器試驗(yàn)結(jié)果表明，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、自動(dòng)化程度高，可有效節(jié)約人力物力，既實(shí)用又經(jīng)濟(jì)。該系統(tǒng)能有效幫助農(nóng)戶統(tǒng)一管理、科學(xué)決策，對提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可視化、平臺(tái)化、信息化，推動(dòng)農(nóng)業(yè)邁向4.0時(shí)代具有重要意義。