基于LORA技术的智慧温室监测系统的设计与实现

杨光 范志华 陈艳茹 钟文才 苏成贵

摘 要 本文主要将农作生长环境各项指标的监测作为源头，实时监测各指标的大小，以便对农作物生长环境及时调整。本文描述的系统通过合理的设计能够实现现代化农业低成本、少人工、智能化的特点，运用先进的物联网技术作通讯，让农作物的生长更为智能。

关键词 LORA技术；智慧温室；物联网；现代化农业；智能监测

党的十九大报告中鼓励新时代农业利用现代化手段，结合互联网大数据分析，建立满足农业生产整体规划要求的智慧农业人工智能基础设施[1]。吉林省农业机械研究院以推动全省农机化发展为重任，本着促进农业现代化、机械化、信息化的方针，致力于农业信息化系统的发展。我院为农业现代化谋求长远发展，注重农业新科技结合现代化技术的研究，为农业进一步发展做出积极努力和贡献。在未来，中国农业发展逐渐往智慧农业方向转变，智慧农业的重要体现就是智慧温室。

1 LORA技术概述

LoRa是一种应用于低功耗广覆盖物理场景的物联网通信技术。LoRa的特点是：①远距离传输，理想条件下可以达到10Km以上的传输距离；②具有-148dBm的超低接收灵敏度，可适用于各种复杂场景；③超高安全性，利用多层加密技术传输数据，保证了数据的可靠传输。

LoRa工作在ISM频段，在不同的國家使用的频段也各不相同。大致可分为欧洲区、美国、澳洲、中国等[2]。基于LoRa的通信系统有10Km以上的工作范围，LoRa的调制技术特性是跳频扩频，这种调制技术可以很大程度的提高数据传输过程的抗干扰能力。LoRa的不同频段互不相同，拥有不同数目的跳频通道。LoRa可以调节扩频因子，在发送数据的时候，扩频因子在一定范围内可以设置，是系统具有良好的可拓展性。根据扩频通信原理，可以知道通信的抗干扰能力会随着扩频的倍数提高而提升，所以每个终端在LoRa通信网络中，根据距离远近而采取较大或者较小的扩频因子配置，可以灵活的改善通信基础设施并且不影响通信质量。我院积极采用新技术新手段来为农作物的种植进行研究，使得农作物种植以最先进的方式和面貌展示在大众面前。

2 智慧温室监测系统总体设计

智慧农业中对农业信息感知技术利用的最好最广泛的是无线传感网络。本系统的软件部分包括智慧温室监测系统，大屏展示系统，PC端管理系统和移动端管理系统。硬件部分主要包括传感器、无线通信设备和监控设备等。无线通讯设备利用的主要技术就是LoRa技术，易于使用和部署。

智慧温室监测系统实时监控温室内各种指标的实际大小，LoRa无线可以将采集到的数据传送至LoRa网关， LoRa网关能够统一管理LoRa节点，将各节点的数据进行收集并解析和转发，每个温室可根据实际情况安装相应数目的LoRa网关，最后将数据汇总至LoRa服务器。LoRa服务器可以存储数据和处理数据，管理人员可以通过手机端的APP或者PC端的网站查看某一温室的具体测量指标是否正常，一旦发生指标超标或者不足的情况，会立即以短信或弹窗形式通知管理员异常情况，以便于及时的对温室中的环境进行优化和改善。同时还有温室种植监测展示功能，管理员可以通过展示大屏对温室有一个整体的了解和把控。

本系统能够实现对一定区域内所有温室的温度、光照强度、土壤湿度等指标全天监控，替代人工看守操作，一经异常，立即进行预警，可以在极短时间内进行处理和预防，有效监测农作物的生长情况，部署和安装简单方便，成本不高，实操性强，具有很好的实际意义。

3 智慧温室监测系统各模块功能设计实现

3.1 温度监测功能设计

温度是植物生长的一个关键因素，温度传感器能够实时采集温室内所有时间的温度，本系统利用温度传感器结合LoRa技术实现温度数据的采集与上传，数据经过处理后最后可以同步显示在PC端和手机端供管理员分析查看。

3.2 光照强度监测功能设计

光照是种植物生长的能量之源，光照强度的大小会影响到种植物的光合作用，进一步会影响种植物的产量。本系统利用光敏电阻，将对光的感知数据通过LoRa传送到服务器，同步显示在PC端和移动端。

3.3 土壤湿度监测功能设计

土壤的湿度是种植物生长的一个非常重要的因素，种植物的茁壮成长离不开土壤水分的充足这一条件，本系统选用YL-100，将土壤湿度数据传送到服务器供使用。

3.4 二氧化碳浓度监测功能设计

二氧化碳可以促进种植物进行光合作用，加快种植物生长，是种植物生长过程中的一个重要因素。本系统可以通过空气中成分的监测来实现对二氧化碳浓度的实时监测。

3.5 展示功能设计

监测的数据需要通过一个统一的途径来进行展示，以便管理员实时掌握温室内的数据。展示设备可以帮助管理员判断种植物的生长状况。利用液晶屏来作统一的指标展示。

3.6 通讯功能设计

本系统的多个监控端需要连接PC端和大屏，互相通信，实时的将检测数据传送到服务器进行处理。由于温室位置分散，一般的无线通讯的距离达不到要求，所以我们爱这里采用LoRa无线传输来解决这一难题。

3.7 预警功能设计

预警分为两种方式，PC端弹窗预警和移动端短信预警，一旦发现监测得到的数据偏离正常值，按照不同程度进行预警紧急程度分类进行预警，以便管理员及时作出有效的措施。

4 结语

综上所述，现代化农业可以将之前需要人工监测的活动都可以用机器设备取代，本系统以其多方位的监测设计灵活展示了不同时间点不同的监测数据，使农作物生长可以溯源，也能够及时的处理温室中发生的各种问题，以便农作物得到更好的生长。本系统主要实现了温度、光照强度、土壤湿度以及二样化碳浓度的实时监测，通过大屏进行全方位展示，PC端和移动端则进行更细致的功能划分，提供分析与统计的功能，将农作物的生长环境实时掌控，让农作物生长环境更为合理。

参考文献：

[1]郑贵林，汪体成.基于LoRa的温室环境智能监控系统的设计[J].江苏农业科学，2019，47（10）：216-219.

[2]赵文举. 低功耗广覆盖LoRa系统的研究与应用[D].北京邮电大学，2019.