基于物联网技术的农业环境监控系统设计

潘新元 刘志强 张礼麟 段海军 韩勇

摘   要：文章针对农业数据采集数据点多、数据率低的特点，设计了一种基于LoRa与GPRS技术的农业环境监控系统。汇聚节点利用GPRS无线网络，将终端节点采集的数据打包发送到服务器端，用户通过网页或安卓手机远程监测温室环境，控制电磁阀开关，驱动热风机加热以及其他控制设备。该系统结构简单灵活、功耗低、传输距离远，具有广阔的应用前景。

关键词：农业环境;无线网络;数据采集;远程监控

随着科学技术的发展与国家的乡村振兴战略，农业智能化越来越成为一种必要[1]。我国农业大棚区域面积大，种植环境相对复杂，随着农业智能化的出现将有很大变化。内蒙古农业生产干旱缺水、条件相对差，因此，运用农业智能化是非常有必要的[2]。农业数据采集具有数据点分布广、数据量少的特点，数据传输若都使用总线传输，不仅价格昂贵，而且布线复杂。因此本文整合利用通用无线分组业务（General Packet Radio Service，GPRS）与长距离（Long Range，LoRa）各自的优势[3]，构建一种新型系统，在很大程度上解决传统通信方式的弊端，使距离大棚较远的用户也可对大棚情况进行实时精准监测，实现高效务农。

本文的系统总体框架包括感知层、网络层和应用层，旨在设计一套基于LoRa和GPRS技术的智能农业大棚系统，能够实时、准确地采集农作物生长环境中的各种参数，并能精准地控制大棚中的设备，让大棚中的环境保持在一个平衡的状态。

1    系统总体设计

本设计主要由终端采集控制节点、汇聚节点以及远程数据中心3部分组成。采集节点采集温室大棚的环境参数，汇聚节点将获得的数据打包，利用无线网络发送至上位机的服务器中心，实现实时获取大棚中农作物生长的环境参数，并可以发送控制指令，控制驱动设备改变大棚环境。农业大棚采集控制系统总体设计框架如图1所示。

现代物联网农业将计算机、无线传感器和农学等若干学科紧密结合在一起，通过信息采集、传输、处理和控制等技术，使人们更加方便和直观地获得农作物生长环境的参数，从而实现真正意义上的智慧农业。本文设计的系统所实现的功能如下：

（1）实时监测功能。通过底层采集节点实时采集温室里的环境参数，将数据通过无线网络传输给服务器，以直观的图表方式显示并提供报警信息。

（2）多种控制方式。系统将采集到的数据进行分析，当数据超出预先设定的值时便进行自动调节和控制;或采取手动的方式对电磁阀和风扇进行控制。

（3）数据查询与警告功能。系统可以实时查询温室内的各项环境参数、历史数据，分析农作物生长环境变化趋势，作出正确的农业生产决策。警告功能可预先设定适合农作物生长条件传感器数据的上限值和下限值，当某个数据超出范围值时，系统会提示警告信息及远程短信通知。

（4）远程查询与控制功能。系统可以通过手机连接到灌溉控制器，用手机方便地查看温室的各项环境数据以及能够方便地远程控制各个中断控制节点的工作。

2    系統节点与软件设计

系统设计主要包括终端节点设计、汇聚节点设计和服务平台软件设计。采集节点间通过RS485总线相连，采集点和汇聚节点通过LoRa实现通信和数据的传输。

2.1  终端节点设计

终端节点的主要任务是接收汇聚节点的采集指令并对传感器下发采集命令。本系统设计的终端节点包括采集节点和控制节点两部分，采集节点由STM32微控制器、多传感器、LoRa模块组成，传感器与传感器子模块通过RS485方式进行通信，RS485总线采用差分信号传输，抑制共模干扰的能力较强[4]。控制节点由控制设备、STM32主控芯片和LoRa无线通信模块等组成，其主要任务是响应上位机下发的控制指令，控制大棚内的设备。通过终端节点设计，实现采集数据的上传与控制命令的下达。

2.2  汇聚节点设计

汇聚节点处于系统的中间层，作为星型网络结构的网关由STM32微控制器、GPRS模块以及电源模块组成，其主要任务为接收终端节点发送的温室环境参数数据，然后按照物联网云服务平台要求的数据存储格式进行打包，通过串口GRPS模块发送到物联网用户服务平台;通过GPRS模块接收物联网服务平台发送的对温室执行结构的控制指令，并转发到终端节点控制器[5]。

2.3  服务平台软件设计

服务平台软件设计包括上位机服务器端和手机客户端。上位机服务器端的主要任务是接收汇聚节点发送的数据，保存到当地数据库中，形成可视化的图表。用户依据数据分析判断是否对终端节点下达控制指令。手机客户端实现远程观测的作用，可跨平台运行，应用于多种终端设备，安装和维护成本较低。Android智能手机APP的开发，为用户实现远程控制提供简便，以达到提高效率、方便智能调控的目的，进一步提高系统的智能化水平。

2.4  通信节点

LoRa通信节点的作用是将终端点与汇聚节点连接起来，实现数据的上传与接收。温室大棚农业覆盖面积广泛，ZigBee节点组成的短距离传感网络不能满足对温室的可靠控制，而LoRa具有超长距离通信、超低功耗和坑干扰强的特点，选择LoRa技术可以弥补这一方面的不足[6]。

网关作为数据的交换中心，需要和终端节点和数据服务中心通信，考虑农业大棚和数据中心的远距离传输时，通信方式选用了可高速传输、传输距离远、稳定性强的GPRS无线通信网络。

3    结语

农业温室数据采集技术是发展现代化农业信息技术的重要一环，本文利用无线通信技术LoRa优势，构建了一种基于LoRa与GPRS技术的农业环境监控系统，实现了农业温室环境参数的实时采集及监测。本系统设计灵活、结构简单，通信距离远、功耗低，系统可移植性高。除了在农业温室大棚中的应用，还可稍作修改，用于其他农业用途，具有良好的应用与推广空间。

[参考文献]

[1]范秉衡.加快数字乡村建设助力乡村振兴[J].中国合作经济，2018（9）：45.

[2]何满喜.内蒙古农业投入与效益的数量经济分析[J].华北农报，2002（1）：141-145.

[3]莫章洁.基于ZigBee与GPRS的农业数据采集系统设计[J].贵州师范学院学报，2016（9）：26.

[4]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（10）：216-219.

[5]熊永红.基于LoRa无线传感网络的温室控制系统构建[D].南昌：东华理工大学，2019.

[6]王阳，温向明，路兆铭，等.新兴物联网技术—LoRa[J].信息通信技术，2017（1）：58-59.