基于LoRa传输的农业大棚监测系统设计

康妍妍，宋广军

（浙江海洋大学 数理与信息学院，舟山316000）

目前，市场中存在的农业监测系统的数据传输方式有2 种：一种是有线传输，即通过RS232，MXA485 串口协议传输，其优点在于稳定性强、安全性高，但存在传输距离短、造价高等缺点。另一种是无线传输方式，主要有蓝牙，WiFi，ZigBee，等。无线传输使得现场更加方便灵活， 但存在传输距离较短、信号不稳定、功耗大等缺点。在此所设计的农业大棚监测系统， 基于长距离无线电LoRa （long range radio）扩频技术来实现数据通信，传输距离远，穿透力强，抗干扰能力高，采用的窄带传输，传输功率密度大，使传输距离大大增加。

农业大棚监测系统可分阶段完成农业大棚作业的智能化， 主要用于帮助用户科学管理农业大棚。在大棚较密闭的空间内，人为控制该空间内的温度、湿度，使农作物在最优环境内生长，减少涝旱、病虫等自然灾害的影响，采用自动采集监控方式解决传统人工监测所产生的偏差和疏漏的问题，实现大规模生产，同时改善用户居住环境，用户不必居住在大棚附近，可远程调控大棚环境，以最少的成本获取最大利益，使人力、物力得到合理分配，有利于农业信息化的可持续发展。

1 系统的总体设计

随着农业信息化的发展，物联网成为新一代农业信息技术的重要组成部分。物联网通过各种信息传感设备，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程等各种需要的信息，基于互联网形成的一个巨大网络，使用户端延伸并扩展到任何物品与物品之间。物与物进行信息交换和通信，实现万物相连[1]。

搭建大棚内环境监控网络，以LoRa 技术为基础，把各个监控器件连接入网络形成传输距离远、功耗低、稳定性强的监控系统框架。传感器采集大棚内环境信息，经过子节点微处理器进行处理，然后发送到主节点，主节点对数据进行存储、处理，用户可通过手机进行查询。该系统可在子节点和主节点处，对大棚内控制器件进行手动调控，也可以通过手机控制各组成部件，形成环境数据采集及控制系统。农业大棚温湿度监控系统设计总体框图如图1所示。

图1 农业大棚温湿度监控系统设计总体框图Fig.1 Overall block diagram of agricultural greenhouse monitoring system

2 系统的硬件设计

2.1 无线通信

2.1.1 AS32-TTL-1W 模块

AS32-TTL-1W 为一款高稳定性，工业级的无线传输模块。该模块采用SX1278 主芯片，LoRa 扩频传输，可以实现更远距离通信[2]。AS32-TTL-1W 实物如图2所示。该模块具有4 种工作模式，一般模式、唤醒模式、省电模式、休眠模式。通过MD1，MD2 实现在运行时自由切换。模块通过定点传输实现组网、中继等多种功能。

图2 AS32-TTL-1W 实物Fig.2 AS32-TTL-1W physical object

1）一般模式 该模式需要先发送32 B 数据包启动无线发射，然后等待3 B 时间，如果无数据继续输入则认为数据终止，模块会启动无线发射将所有数据包发出[3]。数据是否发出可由AUX 端口的高低电平检测。通过一般模式发出的数据包，只能由处于一般模式和唤醒模式的接收模块接收。模块的无线接收功能会一直打开，可以接收来自一般模式和唤醒模式发出的数据包。

2）模块唤醒模式 该模式启动数据包发射的条件与AUX 功能均等同于一般模式， 不同之处在于：模块会根据用户参数设定的唤醒时间，在每个数据包前自动添加不同长度的唤醒码。唤醒码是用于唤醒工作在省电模式的接收模块。所以，唤醒模式发射的数据可以被一般模式、唤醒模式、省电模式收到。

3）省电模式 模块处于休眠状态，串口被关闭，无法接收来自外部MCU 的串口数据， 所以该模式不具备无线发射功能。在省电模式下，要求发射方必须工作在唤醒模式。无线模块定时监听唤醒码，一旦收到有效的唤醒码， 模块将持续处于接收状态，并等待整个有效数据包接收完毕。然后，模块将AUX 输出低电平，并延迟2 ms 后，打开串口将收到的无线数据通过TXD 发出， 然后将AUX 输出高电平。无线模块继续进入“休眠-监听”的工作状态[4]。

4）休眠模式 该模式无法发送接收无线数据。

主机在发送数据头需要加上从机的目标地址实现定点传输， 从机发送透明数据仅主机可以接收。为降低功耗，从机发送数据时加上唤醒码和主机处接受模块地址信道，唤醒主机处的接受模块接受数据。

2.1.2 SIM900A 模块

无线数据传输电路SIM900A 模块5 V 供电，可直接与3.3 V 或5 V 单片机相连。硬件连接完成后可通过串口发送AT 指令，支持短信、彩信、上网等，具有远程复位和DTMF 功能，可实现现场无人远程复位与遥控。另外，模块有待机、休眠2 种状态，可低功耗传输数据， 待机时电流约80 mA， 休眠时约10 mA。

该系统设计中主机不会主动向用户端发送信息，但可以接受、处理从机传输过来的数据。只有用户端向主机发送相应指令时，主机才会把对应信息发送给用户端。用户端发送指令模式为8 位数据码，主机向用户端发送数据也是8 位，具体见表1。

表1 数据格式Tab.1 Data format

表中，机位为待查询的从机编码；功能码的低位规定必须为0，功能码功能见表2。

表2 对应功能码功能Tab.2 Functions of corresponding function codes

例如，用户端向主机发送“01 20 00 00”，表示用户要求查看从机1 的温度、湿度。主机会对从机发过来的数据进行处理，然后向用户端发送当前从机1 的温度和湿度为“01 00 20 30”，而用户看到的为温度值20 和湿度值30。

2.2 电源模块

对传感器、控制器持续供电是保证各节点正常工作的关键。在大棚内采用埋线法对各器件供电，不仅降低灵活度，还存在安全隐患，电路维修也存在困难。

该设计采用由太阳能电池板、 充电锂电池、充电管理电路、 稳压电路等组成的供电系统， 如图3所示。太阳能板通过充电电路向锂电池充电，锂电池通过稳压电路向耗电设施提供电量。使设备自给自足解决电源问题。系统各节点可灵活放置，节省人力物力。

图3 供电系统Fig.3 Power supply system

3 系统的软件设计

农业大棚监测系统的子节点主要用于采集、控制大棚内的温湿度等信息。子节点处微处理器对信息进行处理后将数据发送至主节点。同时，子节点处微处理器也会根据主节点传回的信息，控制相关设备改变大棚内的温、湿度等环境参数。如果用户在大棚内，也可以通过子节点处的按键控制相关设备来改变大棚内温、湿度等环境参数。

该系统的程序流程如图4所示。子节点处微处理器先对程序进行初始化处理，判断是否有中断请求， 如果有则程序会在正在执行的地方形成断点，去执行中断，开启与主机的通信。如果主机发出了传输数据的请求， 从机会把采集到的大棚内的温、湿度等数据发送到主机；如果从机收到由用户端发送到主机再由主机发送给从机的加热指令，从机会控制加热器打开，使其加热至指定温度，达到指定温度后加热器关闭； 如果从机收到增加湿度的指令，从机会控制水泵打开并开始滴灌，当达到指定湿度时水泵关闭停止滴灌。当中断处理完成时，程序会再次回到断点处执行当初未完成的程序。

如果没有中断请求，从机会对大棚内温、湿度等进行采集处理。

主节点可以与从机进行通信，可以与用户端进行通信。它是从机与用户端的中转站，实现信息的远距离传输，从机采集信息发送给主机，再由主机发送到用户端；用户要查询大棚内的情况，先向主机发送指令，再有主机将指令发送给从机进行控制。

图4 系统程序流程Fig.4 System program flow chart

用户端发送的指令主要有：查看指令——了解哪些从机在工作；查询温湿度指令——当发送该指令时从机会将大棚内温、 湿度等数据发送过来；更改指令——执行该指令发出时从机会根据指令内容进行控制，使大棚内的加热器或水泵工作。

由图4b 可见， 主节点微处理器判断用户端是否向其发送查看指令，如果发送指令则先查看哪些从机处于工作状态，然后判断是否需要发送温湿度数据，根据发送过来的数据再判断是否需要更改大棚内的温度和湿度。

4 结语

科学技术在农业中的应用越来越广泛，由此实现的低功耗、低污染绿色农业具有利国利民的重大意义。文中描述了基于LoRa 传输的农业大棚监测系统设计。该系统通过多传感器检测大棚内空气和温湿度等， 并将检测数据进行处理通过LoRa 技术发送到主机，主机通过SIM900A 以短信方式最终发送到用户端（如手机）；手机与主机双向通信，手机发送指令改变环境参数，也可以发送指令在第一时间了解大棚内部的实际状况。通过对信息的及时处理，最终使大棚内作物产量增加，解放人工劳动力，实现农业自动化监控。