基于LoRa与GPRS的农业智能数据采集系统设计与实现

2023-02-27

我国为一个农业生产大国, 目前在广大农村, 种植农业比比皆是。近年来, 伴随我国农业生产和农村经济的飞速成长, 生产方式慢慢由传统的粗放经营式向当代集约型经营方式改变, 农业科技园, 产业示范园, 作为当代集约型农业和高新科技应用的展示窗口逐渐诞生。随着科学技术的进步, 现代农田的结构档次在逐步的提高, 设计一种可提高农田作物产量和质量, 降低生产成本, 减轻工作人员劳动强度的农田智能监控系统, 是广大种植农业生产人员的迫切需求。

如今, 虽然一些自动控制系统已开始应用于农作物生产, 如农田环境控制、施肥灌溉控制、工厂化育苗控制等系统, 这些系统实现了农田控制的自动化和智能化, 但投资过大.系统维护不方便等各种因素制约了其发展空间, 使国外同类型产品在国内推广困难。研发实用性强的农田智能采集监测系统对于推进我国农业自动化与智能化进程具有重要意义, 同时也具备很大的市场潜力。

本文基于GPRS通信技术与Lo Ra无线物联网技术, 设计了一套完整的现代农业智能数据采集系统来实现对农作物进行全天候、全方位、立体化的动态实时监测。同时可通过云端实时访问与调节, 减轻劳动者农业生产的压力, 预防与降低环境带来的产量损失。

一、系统总体设计

本系统主要由无Lo Ra无线终端部分、网关部分、应用平台三部分组成, Lo Ra无线终端实施对温室环境参数的采集, 同时本设备也可运用到普通农田中, 提高了兼容性, 主要由温湿度传感器、光照强度传感器、二氧化碳浓度传感器、土壤温湿度传感器组成。网关部分主要实现农田环境数据实时采集与传输, 经以太网、WIFI或无线DTU通信模块, 将监测的环境参数传输到应用中心的控制端。

智能手机对数据进行汇总展示, 可实时查看不同区域, 不同传感器的数值, 为用户实时获取农作物生长环境提供便利。电脑调试软件也为实时显示可视化操作界面, 并可将各传感器的调整数值通过DTU发送给各传感器。本系统在部署时, 基于实用性原则, 将各传感器分布在合适的监测环境下, 便可开始工作, 通过分布式网络结构, 提高了管理与维护性。

二、系统硬件设计

本系统嵌入低功耗高速率STM32单片机和SX1278型Lo Ra高性能芯片。采取高效的循环交织纠检错编码, 灵敏度及抗干扰能力大大增强。Lo Ra芯片为100m W发射功率, 具备低成本、低功耗、高可靠性等优点, 同时内置无线唤醒功能。

该模块提供了多个频道的选择, 可在线修改串口波特率、收发频率、发射功率、射频空中速率、模块地址等各种参数。采用SHT20型温湿度传感器, 温度测量范围-20~60℃, 精度±0.5℃;测湿度范围0~100%RH, 精度±3%RH;光照传感器采用ROHM原装BH1750FVI芯片。

其中光照强度终端采用3.6V锂电池供电, 其余终端采用12V蓄电池供电或同规格直流电源供电。

三、系统软件设计

(一) 通信协议的制定

本系统有温湿度、光照强度、二氧化碳浓度、土壤温湿度传感器几种类型, 原理大致相似, 本文仅以光照强度为例。

终端设备在采集光照后与DTU网关需要进行通信, Lo Ra节点与网关之间的通信协议帧格式如表1所示。

光照强度传感器采用标准Mod Bus-RTU通信协议, 例如量程0~65535lux, 0-10V输出, 当输出信号为5V时, 计算当前光照度。此光照度量程的跨度为65535lux, 用10V电压信号来表达, 65535lux/10V=6553.5lux/V, 即电压1V代表光照度变化6553.5lux.测量值5V-0V=5V.5V*6553.5lux/V=32767.5lux。当前光照度为32767.5lux。

(二) 上位机软件设计

软件平台为系统远程监控计算机, 采用可视化编程语言设计界面友好的环境监测与管理系统, 实现对农场的远程监控与管理操作, 如图4所示。软件平台可远程实时监控各传感器数据以及执行机构的工作状态并进行调控, 用户或者专家通过键盘预设环境参数, 达到系统自动控制的目的。通过QT自主编写的监果DTU软件可存储查询历史数据, 方便使用者管理。

四、系统测试及性能分析

(一) 系统通信模块分析

为了测试本套系统的远距离通信效果, 本次测试选择了石家庄铁道大学本部校园 (测量平均半径为500米, 整套系统的理论通信距离约为2000米) 。用于无线通信的串口模块默认频率为425-450.5MHz, 波特率范围为1200~115200, 接收灵敏度为-121d Bm。该模块拥有软件FEC前向纠错算法, 该算法有着编码效率高、纠错能力较强的特点。在突发干扰的情况下, 被干扰的数据包能够主动被纠正, 进一步提高了传输的安全性与传输半径。同时, 数据压缩和数据加密的能力具有很强的优越性, 这两个独特的功能能够让通信传递的数据具有不确定性。并且该算法有着严格的加密和解密过程, 这就让被盗取的数据变得毫无用处。数据压缩的功能有可能使传输的时间减小, 也能一定程度上增强抗干扰性, 增大安全性和提高传输的效率。

由于使用了低功耗的高速单片机以及性能优良的无线模块, 通过高效率的交织循环纠检错编码, 抗干扰能力大大提高。无线发射模块的最大发射功率为100毫瓦, 能够兼容3.3伏-5伏的I/O口电压, 休眠电流仅2.0u A, 成本小, 可靠性较高, 能够无线唤醒。

综合通信质量与电源寿命等方面的考虑, 本系统采用的频率为433MHz。

(二) 系统功能测试分析

本系统支持GSM/GPRS方式连接, 最大支持2个数据中心并行通信;支持WIFI方式连接, 最大支持2个数据中心并进行通信;支持本地串口通信, 数据可直接接入本地计算机;支持RS485、无线传感器网络协议, 最大支持64个设备接入;支持本地数据存储, 可最大存储三天分钟数据及1个月小时数据, 节点的发射。在将各个传感器成功连接到网关后, 初次使用时, 用户需要将网关通过RS232数据线 (或通过互联网在线访问网关) 与电脑相连, 在电脑端进行初步的系统调试与连接确认, 配置通信信道, 传感器个数, 节点的位置, 温度、湿度、光照强度等被测数据的阈值设置, 在设置完毕后, 检测无误后, 将各个传感器节点分散放置在不同的需要进行信息采集的位置 (图5) , 等待网关刷新节点信息后, 用户就可以观测采集的具体数值了。用户不仅能够在网页端实时查看监测数据, 还能够在移动端便捷了解具体的测量信息 (图6) 。实测数值的统计信息如表2所示

若监测的数值不在规定的范围内, 系统会通过手机短信, 网络的邮件的方式及时的通知用户, 方便相关人员及时处理。该监测系统的结构功能比较完善, 便于实际操作, 组网快速便捷, 监测覆盖的范围大。

五、结论

本文旨在用低功耗的Lo Ra物联网与GPRS无线网络搭建一套集数据采集、数据监测于一体的低成本现代农业智能监控系统。通过远程实时监控, 智能化管理, 远程精细化管理, 灵活控制, 强大的控制扩展功能, 完善数据管理功能, 数据联网功能来实现24小时实时采集土壤及空气温湿度、日照强度和微量元素等数据并汇总成表在云端实时可查, 还可以通过手机或电脑对灌溉等进行实时控制。使本系统具有广泛适应性, 在温室大棚或普通农田均可使用;传感器及网关系统灵活选配, 适应不同环境地形及作物品种。

采用耗能低的元件, 维护成本低。同时操控软件采用可视化编程, 易于学习。成本大大降低, 增强了本系统的普及性。具备实际的应用价值。同时, 该系统还有很大的扩展性, 通过添加更多的不同节点来实现更丰富的功能。

摘要：GPRS无线互联网与Lo Ra无线物联网技术, 具有易于建设部署、低功耗等特点, 尤其适合于搭建分布范围广、数据节点多等特点的数据采集监测平台。针对农业实际生产中的需要, 提出了一种基于Lo Ra与GPRS的数据采集与处理解决方案, 采用SX1278型Lo Ra芯片为主要终端, 配合高效GPRS网关, 将所采集诸如温湿度、光照强度、二氧化碳浓度、土壤温湿度等多维度数据汇总传输, DTU网关在电脑端实时收发汇总, 也可通过GPRS实时传输, 利用安卓或网络云平台实现在线查询, 短信预警。实验测试结果表明:该系统具有稳定性强、复杂程度低、功耗低等特点, 具有一定普及性。

关键词：LoRa,数据采集,农业监测