孫宇航，楊延寧，2，余知樸，2，李 雪，杜永星

（1.延安大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，陜西延安 716000；2.陜西省能源大數(shù)據(jù)智能處理省市共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 延安 716000）

近年來(lái)，冰雹天氣頻繁發(fā)生，對(duì)果樹(shù)樹(shù)體、樹(shù)枝、樹(shù)葉、果實(shí)造成不同程度的破壞，如樹(shù)體砸傷、樹(shù)枝折斷、果實(shí)脫落等，給種植戶造成極大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。突發(fā)惡劣冰雹天氣不但造成果樹(shù)當(dāng)年減產(chǎn)，也對(duì)今后3～5 年的產(chǎn)量非常不利[2]。而目前市場(chǎng)上僅有一些非智能化的簡(jiǎn)易防冰雹設(shè)備，例如防雹網(wǎng)就是其中一種。由于冰雹天氣發(fā)生的不確定性和突發(fā)性導(dǎo)致傳統(tǒng)防雹網(wǎng)只能長(zhǎng)期搭建在果園上方，防雹效果很不明顯，且長(zhǎng)期搭建在果樹(shù)上空對(duì)果園內(nèi)的環(huán)境及果樹(shù)有明顯的影響。因此一系列防冰雹裝置應(yīng)運(yùn)而生，在此背景下，該文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于智能防冰雹裝置的無(wú)線通信模塊，應(yīng)用該模塊后裝置能夠?qū)庀笮畔⒆鲆幌盗兄悄芑臄?shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)傳遞，以達(dá)到遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的，使得智能防冰雹裝置在基本的智能化防冰雹的基礎(chǔ)上同時(shí)還能夠?qū)麍@內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，讓智能防冰雹裝置的功能更加智能、全面[3-4]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的無(wú)線通信模塊能夠適用于自動(dòng)防冰雹裝置，能夠?qū)麍@所處地理位置的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與采集，最終通過(guò)LoRa 無(wú)線傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務(wù)器終端，云服務(wù)器終端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，然后對(duì)比閾值發(fā)出預(yù)警以防止突發(fā)惡劣的氣象環(huán)境對(duì)果樹(shù)的生長(zhǎng)、果實(shí)的產(chǎn)量造成損害，從而盡可能地減小對(duì)種植戶造成的經(jīng)濟(jì)損失，方便人們對(duì)果園進(jìn)行智能化管理[5]。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由溫濕度傳感器DHT11、主控器STC89C51 兩部分組成[6-7]，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)果園內(nèi)溫度和濕度的采集功能。數(shù)據(jù)的收發(fā)系統(tǒng)由兩個(gè)LoRa 無(wú)線通信模塊及GPRS 模塊兩部分組成[8-9]，接收端的LoRa 無(wú)線通信模通過(guò)GPRS模塊將所接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的傳輸與監(jiān)測(cè)。如果氣象數(shù)據(jù)值超過(guò)所設(shè)置的閾值，則數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)內(nèi)部的報(bào)警模塊將發(fā)出警報(bào)聲警示[10-12]。圖1 所示為系統(tǒng)整體架構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

2 主要模塊電路的設(shè)計(jì)

2.1 溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫濕度的采集系統(tǒng)由主控制器STC89C51、SX 1262ZTR4-GC(A)無(wú)線通信模塊和DHT11 溫濕度傳感器三部分連接而成。DHT11 溫濕度傳感器與STC 89C51 兩者之間通過(guò)IIC 總線連接，SX1262ZTR4-GC無(wú)線通信模塊和STC89C51 主控元件的通信方式是通過(guò)串口進(jìn)行的。SX1262ZTR4-GC(A)無(wú)線通信模塊對(duì)于數(shù)據(jù)的發(fā)送與SX1262ZTR4-GC（B）無(wú)線通信模塊數(shù)據(jù)的接收原理相同，均采用中斷的方式進(jìn)行收發(fā)。

其中DHT11 溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它里面含有一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC 測(cè)溫元件，可以與STC89C51RC 系列兼容0851 內(nèi)核的單片機(jī)相連接。

圖2 DHT11溫濕度傳感器的電路原理圖

DHT11 溫濕度傳感器具備抗干擾能力強(qiáng)、反應(yīng)快、性價(jià)比高，對(duì)于溫濕度的采集具有很高的可靠性和穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。另外DHT11 溫濕度傳感器件采用的是單總線通信，即只有一根數(shù)據(jù)線，它需要外接一個(gè)約5 kΩ的上拉電阻[13]，以防止序列出現(xiàn)混亂，若出現(xiàn)混亂則不會(huì)產(chǎn)生響應(yīng)，系統(tǒng)對(duì)果園內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)的交換、控制都是由單總線來(lái)完成。圖3 為溫濕度采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖。

圖3 溫濕度采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖

2.2 LoRa無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)選擇使用SX1262ZTR4-GC 無(wú)線模塊，這款無(wú)線通信模塊是基于SEMTECH 射頻集成芯片的SX126X 下的其中一款射頻模塊，其是一款高性能物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線收發(fā)器，它最大的特殊性就是使用LoRa 調(diào)試方式，能夠大大地增加通信距離。它具有很小的體積，非常節(jié)省空間，而且較低的能量消耗和良好的抗干擾性也是它的一大優(yōu)勢(shì)[14]。圖4 所示為SX1262 ZTR4-GC 無(wú)線模塊的接線圖。

圖4 SX1262ZTR4-GC無(wú)線模塊接線圖

數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)主要由STC89C51(B)主控器、SX1262ZTR4-GC(B)無(wú)線通信模塊以及GPRS 模塊三部分構(gòu)成。此數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度系統(tǒng)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，然后將數(shù)據(jù)打包處理以后發(fā)送至云服務(wù)器終端。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于保證溫濕度數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)，可避免同一信道的干擾，因此對(duì)于溫濕度數(shù)據(jù)傳輸選擇點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸模式，使用兩個(gè)無(wú)線傳輸系統(tǒng)SX1262ZTR4-GC(A)與SX1262ZTR4-GC(B)組成一個(gè)整體的收發(fā)系統(tǒng)，SX1262ZTR4-GC(A)與溫濕度傳感器連接，將所采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給SX1262ZTR4-GC(B)。當(dāng)檢測(cè)到有數(shù)據(jù)接收時(shí)，SX1262ZTR4-GC(B)無(wú)線通信模塊將會(huì)對(duì)接收的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼及驗(yàn)證，數(shù)據(jù)驗(yàn)證正確后以中斷的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后會(huì)立馬中斷，每中斷一次，接收并保存8 位數(shù)據(jù)，最終將所有數(shù)據(jù)保存在緩沖器的同一個(gè)數(shù)據(jù)組中，數(shù)據(jù)接收完畢后，利用GPRS 模塊將所接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務(wù)器終端[15]。一旦數(shù)據(jù)發(fā)射完畢，模塊將會(huì)自動(dòng)從原來(lái)的發(fā)射狀態(tài)恢復(fù)到數(shù)據(jù)持續(xù)檢測(cè)、接收狀態(tài)，對(duì)來(lái)自于SX1262ZTR4-GC(A)無(wú)線通信模塊發(fā)送的溫濕度數(shù)據(jù)做好隨時(shí)接收的準(zhǔn)備。

2.3 云服務(wù)器自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)主要的功能是接收果園溫濕度檢測(cè)到的數(shù)據(jù)、并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，還可以設(shè)置溫濕度檢測(cè)數(shù)據(jù)的閾值，若超過(guò)設(shè)定值，則立即進(jìn)行報(bào)警。用戶還可以在手機(jī)、電腦等設(shè)備終端上通過(guò)遠(yuǎn)程登錄，實(shí)現(xiàn)對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)的查詢，該設(shè)計(jì)選用的是億恩云服務(wù)器作為監(jiān)測(cè)平臺(tái)[16]。

1）在云服務(wù)器上使用TPC 服務(wù)來(lái)建立一個(gè)接收處理程序，用來(lái)提供接收溫濕度數(shù)據(jù)的連接。

2）通過(guò)SX1262ZTR4-GC（B），利用GPRS 模塊將所要發(fā)送的溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送給云服務(wù)器。

3）云服務(wù)器通過(guò)文本形式的方式將溫濕度的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，以方便后期的讀取。

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)糧油作物節(jié)水技術(shù)集成模式…………………………………………………………… 史海濱，閆建文，李仙岳（36）

4）采用Web 的方式將存儲(chǔ)的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，即創(chuàng)建一個(gè)apache。

5）最終形成html文件反饋給瀏覽器。

6）用戶可以通過(guò)瀏覽器打開(kāi)顯示頁(yè)面，觀測(cè)最新的溫濕度檢測(cè)情況。

自動(dòng)溫濕度檢測(cè)平臺(tái)軟件功能的模塊如圖5所示。

圖5 云服務(wù)器自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)軟件功能的模塊

整個(gè)云服務(wù)器自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)首先通過(guò)GPRS 模塊接收溫濕度數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整體分析，與所設(shè)置的閾值進(jìn)行對(duì)比，若超過(guò)設(shè)定的范圍則發(fā)出警報(bào)，與此同時(shí)將測(cè)量結(jié)果顯示到主頁(yè)面，以方便查看，而且也可以通過(guò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)對(duì)之前的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行回看。

3 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)整體測(cè)試地點(diǎn)在樓底村的果樹(shù)基地，為了得到植物最適宜的溫濕度生長(zhǎng)環(huán)境，此次測(cè)量將整個(gè)裝置放置在距離植物根部0.3～0.5 m 的高度，同時(shí)避免植物的枝葉遮擋住測(cè)量系統(tǒng)，使溫濕度傳感器充分接收光照，系統(tǒng)整體測(cè)試主要包括以下幾個(gè)方面：

1）測(cè)量值誤差測(cè)試

溫濕度檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果如表1 所示。

表1 溫濕度檢測(cè)數(shù)據(jù)

此次試驗(yàn)選取了八個(gè)時(shí)間點(diǎn)，分別記錄每一時(shí)刻的溫度和濕度數(shù)值，先將所有測(cè)量值求平均值，然后與實(shí)際值作差，通過(guò)計(jì)算可以得出相對(duì)誤差大約為5%，測(cè)量精度基本上能夠滿足實(shí)際測(cè)量需要。

2）網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性測(cè)試

網(wǎng)絡(luò)測(cè)試主要包括兩個(gè)方面：一方面是兩個(gè)無(wú)線傳輸系統(tǒng)SX1262ZTR4-GC(A)與SX1262ZTR4-GC（B）組成的無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)的穩(wěn)定性測(cè)試。通過(guò)實(shí)際檢測(cè)能夠發(fā)現(xiàn)，此收發(fā)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)非常平穩(wěn)，收發(fā)系統(tǒng)有0.05～0.08 s的時(shí)間延遲，能夠達(dá)到氣象數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集的要求[17]。另一方面是電信公司提供的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)能否正常運(yùn)行，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)它的上下行網(wǎng)速分別為2.3 Mpbs、2.0 Mpbs，具有較好的穩(wěn)定性，保證檢測(cè)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)卡頓問(wèn)題，能夠達(dá)到溫濕度數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程對(duì)網(wǎng)速的穩(wěn)定性的要求。

3）信號(hào)服務(wù)質(zhì)量測(cè)試

此項(xiàng)目測(cè)試主要是對(duì)系統(tǒng)適應(yīng)能力、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)分析能力、錯(cuò)誤率的檢測(cè)，SX1262ZTR4-GC（A）與SX1262 ZTR4-GC（B）組成的無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)與云服務(wù)器之間傳輸數(shù)據(jù)的誤碼率幾乎為0，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸?shù)哪康摹?/p>

4）時(shí)效性測(cè)試

無(wú)線傳輸系統(tǒng)SX1262 ZTR4-GC（B）通過(guò)GPRS發(fā)送溫濕度數(shù)據(jù)到被云平臺(tái)接收到需要的時(shí)間平均值大約為487 ms，這個(gè)時(shí)間間隔完全可以達(dá)到此次設(shè)計(jì)所要求的收發(fā)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性的要求。

5）功耗性測(cè)試

無(wú)線傳輸系統(tǒng)SX1262ZTR4-GC 工作在數(shù)據(jù)收發(fā)模式下的最大功率為100 mW 左右，接收端靈敏度為-139 dBm[18]，在睡眠模式下的工作電流為0.5～1.5 μA，滿足低功耗的要求。

4 結(jié)論

該文針對(duì)智能防冰雹裝置設(shè)計(jì)了一款基于STC89C51 單片機(jī)與SX1262ZTR4-GC 無(wú)線通信模塊的溫濕度測(cè)量、數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)果園內(nèi)溫濕度的測(cè)量，同時(shí)增加了SX1262ZTR4-GC 無(wú)線通信模塊，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離收發(fā)，達(dá)到了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的目的，使得智能防冰雹裝置具有多樣化的功能，有利于果園的智能科學(xué)化管理。該設(shè)計(jì)將低功耗、傳輸距離遠(yuǎn)、性價(jià)比高的LoRa 無(wú)線通信技術(shù)與溫濕度測(cè)量和云平臺(tái)三者有效結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與檢測(cè)的目的。通過(guò)對(duì)整體系統(tǒng)的性能檢測(cè)，該系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)其功能，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。