焦玉全，顧誠甦，朱燕祥

（南通科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電與交通工程學(xué)院，江蘇南通，226007）

0 引言

作物的生長過程本質(zhì)是將環(huán)境、營養(yǎng)、水分等外部因子的作用進(jìn)行轉(zhuǎn)化的動(dòng)力學(xué)過程。溫室能有效改善溫室作物的生產(chǎn)條件，實(shí)現(xiàn)作物的高效優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)[1]。溫室環(huán)境參數(shù)時(shí)空跨度大，變量多，影響因子相互強(qiáng)耦合[2-5]，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為溫室環(huán)境調(diào)控提供了新思路。本文根據(jù)現(xiàn)有國內(nèi)外溫室環(huán)境調(diào)控方法和技術(shù)，基于LoRa和MQTT構(gòu)建一種通用型的溫室信息檢測系統(tǒng)，通過采集溫室內(nèi)溫濕度、光照度和CO2濃度等信息，根據(jù)農(nóng)作物不同生長周期實(shí)現(xiàn)對溫室群作物的動(dòng)態(tài)監(jiān)測、智能控制、在線決策，提高溫室管理的效率，達(dá)到節(jié)能、高效、高產(chǎn)的效果[6,7]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是通過對設(shè)施內(nèi)的作物環(huán)境、生理參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測、傳輸、存儲(chǔ)和分析，并做出決策與執(zhí)行實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、精細(xì)化、智能化的技術(shù)。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)層次定義，溫室系統(tǒng)自底向上由感知控制層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用層構(gòu)成。其中感知控制層由采集節(jié)點(diǎn)承擔(dān)；匯聚節(jié)點(diǎn)完成網(wǎng)絡(luò)傳輸，網(wǎng)絡(luò)傳輸層主要采用個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（PAN）的LoRa無線通信和無線局域網(wǎng)（WLAN）的4G通信；應(yīng)用層則依托MQTT構(gòu)建分布式應(yīng)用。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)框圖

2 感知控制層設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

感知控制層主要借助物理、化學(xué)傳感器對溫室內(nèi)作物生長環(huán)境，包括空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度和二氧化碳濃度等參數(shù)進(jìn)行檢測。

2.1 采集節(jié)點(diǎn)單片機(jī)選型與電路設(shè)計(jì)

采集節(jié)點(diǎn)要完成溫室多種環(huán)境參數(shù)的檢測和數(shù)據(jù)的無線透傳任務(wù)，在工作功耗上有較高要求，綜合上述特點(diǎn)選用了超低功耗STM8L101處理器。最小系統(tǒng)如圖2所示，STM8L通過SWIM接口完成程序燒錄，通過I2C總線讀取和設(shè)置傳感器，通過四線制SPI總線和LoRa無線模塊傳遞數(shù)據(jù)，通過GPIO控制LoRa無線模塊和傳感模塊的工作模式，通過PA2口按鍵讓節(jié)點(diǎn)進(jìn)入入網(wǎng)注冊申請模式，指示燈指示節(jié)點(diǎn)通訊故障。

圖2 主控芯片最小系統(tǒng)原理圖

2.2 LoRa 通信單元電路設(shè)計(jì)

LoRa通信單元采用億佰特公司的E32-400M20S無線模塊，模塊內(nèi)部采用SX1278無線芯片，支持410～493MHz頻段，通信距離可達(dá)5km。LoRa無線通信模塊電路如圖3所示。其中RST為芯片復(fù)位觸發(fā)輸入腳，低電平有效；模塊采用四線制的SPI方式與處理器進(jìn)行通信；其工作在半雙工通信方式，同一時(shí)刻只能進(jìn)行發(fā)送或者接收，當(dāng)RXEN高電平，TXEN低電平時(shí)，模塊處于接收模式；當(dāng)TXEN高電平，RXEN低電平時(shí)，模塊處于發(fā)射模式；ANT為天線接口。

圖3 LoRa 無線通信模塊

采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示，其中系統(tǒng)初始化是通過SPI接口對SX1278的寄存器進(jìn)行配置：通過 RegOpMode寄存器來設(shè)置射頻芯片工作在LoRa調(diào)制方式；通過RegFrMsb、RegFrLsb和RegFrMib寄存器來設(shè)置通信波頻率433.125MHz；通過RegModemConfig1寄存器將信號(hào)帶寬設(shè)置為500KHz、糾錯(cuò)編碼率為CR(4/5)；通過RegModemConfig2寄存器來設(shè)置擴(kuò)頻因子SF11等。采集節(jié)點(diǎn)通過PA2的按鍵中斷，進(jìn)入組網(wǎng)模式，完成采集節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)申請。當(dāng)SX1278檢測到前導(dǎo)碼、發(fā)送完成或者接收完成后通過DIO0觸發(fā)STM8L101處理器中斷，處理器會(huì)根據(jù)狀態(tài)機(jī)讓SX1278切換到接收模式、發(fā)送模式或CAD模式。

圖4 采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理流程圖

2.3 溫濕度和CO2濃度傳感單元設(shè)計(jì)

溫濕度和CO2濃度傳感單元選用Sensirion的SCD30模塊，CO2濃度測量精度：±30ppm，測量范圍：400～10000 ppm；相對濕度測量精度：3%RH，測量范圍0～95%RH；典型溫度精度：0.4℃溫度測量范圍-40～70℃。溫濕度和CO2濃度傳感單元電路如圖5所示。其中SEL低電平時(shí)采用I2C總線，RDY高電平時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成。

圖5 溫濕度和CO2濃度傳感單元電路

2.4 光照強(qiáng)度單元設(shè)計(jì)

光照強(qiáng)度單元選用ROHM公司的BH1730FVC-TR數(shù)字輸出型的環(huán)境光亮度傳感器，由光電二極管、電流電壓轉(zhuǎn)換電路、A/D轉(zhuǎn)換器、控制邏輯電路以及接口電路等構(gòu)成，采用I2C接口，可以檢測0.001lx～100000lx，測量偏差小于±15%。光照強(qiáng)度單元設(shè)計(jì)電路如圖6所示。其中DVI為I2C總線電壓。

圖6 光照強(qiáng)度單元設(shè)計(jì)電路

BH1730FVC有兩個(gè)輸出，x（14h，15h寄存器內(nèi)容）可見光測量數(shù)據(jù)，y（16h，17h寄存器內(nèi)容）紅外線測量數(shù)據(jù)，光照強(qiáng)度計(jì)算式為：

其中G為ADC分辨率，T為測量積分時(shí)間。

3 網(wǎng)絡(luò)傳輸層設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

匯聚節(jié)點(diǎn)是采集節(jié)點(diǎn)和MQTT服務(wù)器通信的橋梁，它負(fù)責(zé)將采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯總，再通過CAT1模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器存儲(chǔ)和處理。匯聚節(jié)點(diǎn)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖7所示，其主要由三部分構(gòu)成：樹莓派、LoRa數(shù)傳電臺(tái)和4G Cat1數(shù)傳電臺(tái)。

圖7 匯聚節(jié)點(diǎn)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1) 樹莓派

匯聚節(jié)點(diǎn)采用樹莓派4B，該型號(hào)是基于ARM Cortex-A72為核心架構(gòu)的微型電腦主板，支持Linux操作系統(tǒng)，運(yùn)行頻率1.5GHz，其體積小巧，功耗較低，功能和接口和普通PC機(jī)類似。相較之前版本的樹莓派，Raspberry Pi 4B新增了4個(gè)PL011 串口，其功能足以滿足匯聚節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)所需的各類配置。

(2) LoRa數(shù)傳電臺(tái)

LoRa數(shù)傳電臺(tái)選用億佰特公司的E90-DTU，內(nèi)置功率放大器（PA）與低噪聲放大器（LNA），提供透明RS232/RS485 接口，采用LoRa擴(kuò)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)（匯聚節(jié)點(diǎn)）對各采集節(jié)點(diǎn)無線數(shù)據(jù)傳輸，工作在433MHz頻段，通訊距離可達(dá)10km。

E90-DTU工作在透傳模式，支持定點(diǎn)發(fā)射和廣播發(fā)射，定點(diǎn)發(fā)射的報(bào)文格式如表1所示。

表1 定點(diǎn)發(fā)射報(bào)文結(jié)構(gòu)

定點(diǎn)發(fā)射時(shí)，接收端只有自身地址和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址相同，且信道也為0x4的節(jié)點(diǎn)才能接收到報(bào)文。報(bào)文格式如表2所示。定點(diǎn)發(fā)射主要用于采集節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)間的溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的上傳，采集節(jié)點(diǎn)注冊入網(wǎng)。

表2 定點(diǎn)發(fā)射命令域和數(shù)據(jù)域結(jié)構(gòu)

廣播發(fā)射時(shí)，接收端信道為0x4的節(jié)點(diǎn)都可以接收到報(bào)文。報(bào)文格式如表3所示。廣播發(fā)射主要用于通知節(jié)點(diǎn)開放/禁止注冊入網(wǎng)申請。

表3 廣播發(fā)射開放/禁止入網(wǎng)申請報(bào)文結(jié)構(gòu)

(3)4G數(shù)傳電臺(tái)

4G數(shù)傳電臺(tái)選用億佰特公司的E840-DTU，帶4G+GPS分集接收功能，支持三大運(yùn)營商Cat1網(wǎng)絡(luò)接入，可通過簡單的AT 指令實(shí)現(xiàn)串口設(shè)備到云服務(wù)器的雙向數(shù)據(jù)透明傳輸，可以接入標(biāo)準(zhǔn)MQTT協(xié)議物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。通過RS232/RS485與串口設(shè)備互聯(lián)。

3.1 LoRa無線組網(wǎng)方案

LoRa通信主要包括采集節(jié)點(diǎn)的注冊入網(wǎng)和匯聚節(jié)點(diǎn)的輪詢采集。

3.1.1 采集節(jié)點(diǎn)注冊入網(wǎng)

溫室設(shè)備初次安裝時(shí)，通過修改匯聚節(jié)點(diǎn)的設(shè)備列表完成采集節(jié)點(diǎn)批量入網(wǎng)，當(dāng)單個(gè)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)生更換時(shí)，首先采集節(jié)點(diǎn)PA2口按鍵中斷，讓采集節(jié)點(diǎn)立即進(jìn)入到組網(wǎng)模式，開始偵聽廣播發(fā)文，然后匯聚節(jié)點(diǎn)再通過按鍵中斷，匯聚節(jié)點(diǎn)會(huì)在輪詢間歇期間進(jìn)入組網(wǎng)模式，根據(jù)自身設(shè)備列表情況發(fā)送開放或禁止組網(wǎng)報(bào)文，具體流程如圖8所示。

圖8 單節(jié)點(diǎn)注冊入網(wǎng)流程

3.1.2 匯聚節(jié)點(diǎn)輪詢采集

匯聚節(jié)點(diǎn)和采集節(jié)點(diǎn)之間采用單跳星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各采集節(jié)點(diǎn)間互相獨(dú)立無數(shù)據(jù)鏈路。匯聚節(jié)點(diǎn)點(diǎn)名采集節(jié)點(diǎn)，對應(yīng)采集節(jié)點(diǎn)給予對應(yīng)的響應(yīng)，發(fā)送響應(yīng)報(bào)文給匯聚節(jié)點(diǎn)，然后匯聚節(jié)點(diǎn)再以相同的方式輪詢其他采集節(jié)點(diǎn)。具體流程如圖9所示。

圖9 匯聚節(jié)點(diǎn)輪詢采集流程

3.2 MQTT接入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

通過配置軟件將E840-DTU設(shè)置成MQTT工作模式，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)運(yùn)營商提供的參數(shù)，完成4G數(shù)傳電臺(tái)的ClientID、用戶名、密碼、目標(biāo)地址、目標(biāo)端口和訂閱發(fā)布地址的配置。樹莓派通過UART2與4G數(shù)傳電臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透傳交互。

4 結(jié)論

根據(jù)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)，本文提構(gòu)建了適用于溫室的架構(gòu)方案，利用LoRa技術(shù)實(shí)現(xiàn)連棟溫室數(shù)據(jù)的匯聚，通過MQTT接入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了溫室環(huán)境參數(shù)消息的推送。該系統(tǒng)可進(jìn)行溫室環(huán)境信息的長期全面感知、遠(yuǎn)程監(jiān)測和預(yù)警。