張玲玉 ，卿晶晶

（長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410004）

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，集約化智能養(yǎng)殖已經(jīng)成為當(dāng)前生豬供應(yīng)的普遍養(yǎng)殖方式，將生豬集中養(yǎng)殖在一起，利用先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對生豬進行統(tǒng)一管理，對生豬生長環(huán)境的各項參數(shù)進行精準(zhǔn)監(jiān)測。物聯(lián)網(wǎng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層構(gòu)成，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層常用的通信技術(shù)有藍牙、Wi-Fi、ZigBee、LoRa和NBIoT等[1-3]。在這些通信技術(shù)中，藍牙通信距離只有10 m，ZigBee和Wi-Fi的覆蓋范圍在200 m左右，且工作在2.4 G頻段，信號的穿透能力較弱，NB-IoT通信覆蓋范圍廣，能滿足養(yǎng)豬場環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的要求，但是NB-IoT工作在1 G以下的付費頻段，且依賴運營商的基站網(wǎng)絡(luò)，而LoRa工作在ISM免授權(quán)頻段，不依賴運營商，可靈活自建網(wǎng)絡(luò)[4]。為了更有效監(jiān)測養(yǎng)豬場環(huán)境，本研究組建覆蓋全養(yǎng)豬場的LoRa無線通信網(wǎng)絡(luò)，以STM32單片機為基礎(chǔ)開發(fā)用于CO2濃度、NH3濃度、溫濕度等信號采集、發(fā)送和接收的模塊。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

CO2濃度、NH3濃度、溫濕度對生豬的健康生長至關(guān)重要，養(yǎng)豬場的環(huán)境需以這三個信號或者更多其他信號作為參考基準(zhǔn)，即傳感器節(jié)點采集到環(huán)境數(shù)據(jù)后，經(jīng)過單片機處理，并傳輸出去。LoRa有低功耗、廣覆蓋、遠距離、低成本等特點[5-6]，因此系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸選擇LoRa無線通信技術(shù)，基于LoRa的生豬養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)框圖如圖1所示，由LoRa終端節(jié)點、LoRa網(wǎng)關(guān)、手機App等部分組成。

圖1 基于LoRa的生豬養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)框圖

針對養(yǎng)豬場需要監(jiān)測的位置，將養(yǎng)豬場分成若干個區(qū)域，每個區(qū)域部署一個網(wǎng)關(guān)和若干個終端節(jié)點，終端節(jié)點負責(zé)將該節(jié)點采集到的CO2濃度、NH3濃度、溫濕度借助LoRa無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到其對應(yīng)的網(wǎng)關(guān)，LoRa網(wǎng)關(guān)將接收到的信號上傳到物聯(lián)網(wǎng)云平臺，監(jiān)控App從物聯(lián)網(wǎng)云平臺實時獲取數(shù)據(jù)，App用戶可以根據(jù)獲取到的數(shù)據(jù)實時評估養(yǎng)豬場環(huán)境，做到集中高效管理、健康智能化養(yǎng)殖。

2 LoRa節(jié)點設(shè)計

圖1的系統(tǒng)框圖的LoRa節(jié)點分終端節(jié)點和網(wǎng)關(guān)匯聚節(jié)點，終端節(jié)點負責(zé)采集數(shù)據(jù)并將其發(fā)送出去，網(wǎng)關(guān)節(jié)點接收從終端節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)送到云平臺，數(shù)據(jù)監(jiān)控中心從云平臺實時獲取數(shù)據(jù)，進行養(yǎng)豬場環(huán)境的綜合判斷。

LoRa終端節(jié)點主要由單片機處理芯片STM32F103VET6、時鐘、供電電源、復(fù)位、JTAG接口、LoRa組成，外接DHT11采集溫濕度數(shù)據(jù)，接GS-Y系列CO2濃度傳感器采集CO2濃度，接NH3濃度傳感器MQ137采集NH3的濃度。LoRa終端節(jié)點基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 LoRa終端節(jié)點基本結(jié)構(gòu)

LoRa終端節(jié)點中STM32F103VET6是意法半導(dǎo)體公司出品的32位的基礎(chǔ)型微控制器，外設(shè)資源多，功耗最低為1.9 μA。CO2濃度測量采用紅外CO2氣體傳感器GS-Y5，工作平均電流約5.5 mA，分辨率1 ppm，測量范圍400 ppm~10 000 ppm，精度±（50 ppm+5%讀數(shù)），最大響應(yīng)時間2 min。NH3濃度的測量采用傳感器MQ137，使用壽命長，成本低，對NH3的靈敏度較高，檢測范圍5 ppm~500 ppm，加熱功耗≤900 mW。溫濕度傳感器采用DHT11，溫度測量范圍0 ℃~50 ℃，測量誤差±2 ℃，濕度測量范圍20%~95%，測量誤差±5%，工作電壓3.3 V~5.5 V。LoRa無線模塊選擇SX1278，采用調(diào)頻擴頻技術(shù)，其工作在420 MHz~450 MHz頻段，發(fā)射功率為100 mW，最大發(fā)射功率20 dBm，支持多種調(diào)制模式，F(xiàn)IFO容量大，支持256 Byte數(shù)據(jù)緩存，接收靈敏度-148 dBm，SPI通信接口，可與STM32F103VET6直接連接[7-8]。

LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點接收來自終端節(jié)點發(fā)送過來的溫濕度、CO2濃度、NH3濃度等環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過GPRS或者以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳到運營商云平臺。LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點和終端節(jié)點一樣單片機處理芯片用的STM32F103VET6，LoRa模塊用SX1278，STM32F103VET6與SX1278通過SPI通信[9-10]。

3 LoRa通信程序設(shè)計

LoRa終端節(jié)點每隔固定時間向LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送養(yǎng)豬場的環(huán)境數(shù)據(jù)，與網(wǎng)關(guān)節(jié)點通信的請求幀設(shè)計如表1所示。

表1 請求命令結(jié)構(gòu)

LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點接收到終端節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)后將其轉(zhuǎn)發(fā)到物聯(lián)網(wǎng)云平臺，網(wǎng)關(guān)節(jié)點接收到終端節(jié)點數(shù)據(jù)的響應(yīng)幀設(shè)計如表2所示。

表2 響應(yīng)命令結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語

綜上所述，集約化健康養(yǎng)殖已經(jīng)成為當(dāng)今較為普遍的養(yǎng)殖方式，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入生豬養(yǎng)殖的日常管理工作，LoRa終端節(jié)點采集并發(fā)送數(shù)據(jù)到LoRa網(wǎng)關(guān)，LoRa網(wǎng)關(guān)收到數(shù)據(jù)后將其發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)云平臺，數(shù)據(jù)管理中心即手機App從云平臺獲取養(yǎng)豬場各位置的數(shù)據(jù)，養(yǎng)殖人員能精準(zhǔn)地掌握生豬所處的各項環(huán)境參數(shù)。當(dāng)溫濕度、CO2濃度、NH3濃度等環(huán)境參數(shù)超過理想的閾值時，豬場管理人員能及時采取干預(yù)措施，保證生豬健康成長的同時實施高產(chǎn)量養(yǎng)殖。