基于LoRa农业物联网智慧大棚的设计与实现

姚茂漩，罗怡辰

（上海电机学院 电子信息学院，上海 201306）

0 引言

农业环境实时检测和发展现代化农业十分必要。大棚抑或是裸露在空气中的田地，均需要监测控制土壤的温湿度、光照强度等环境信息，再根据这些信息，温度较高土壤干燥时启动自动灌溉，包括田网、水网和电网都要能做到联动。传统方式的农作物生长依托于人工经验或者使用测量工具实地测量获取信息。但这类方式时效低、工作量大且生产成本高，可扩展性差。因此提升生产系统的自动化、智能化水平，无论对提高生产效率、提高农产品的竞争力、精简人力成本，均有重要的促进作用[1]。

本项目依托部署在大棚的各种传感节点（环境温湿度、土壤湿度、二氧化碳等）通过预先设置好的阈值，采取相应的措施，实现智能化的控制。

1 系统功能

1.1 系统功能

本系统采用Tpy_board102作为终端控制系统，利用各种外围传感器来实时采集空气温湿度、土壤温湿度这类大棚环境数据，然后通过串口将数据与LoRa本地连接。终端节点与服务器间均采用LoRa方式进行点对点双向通信，将数据传给服务器，相关农业生产人员能够在服务器实时检测环境数据。整个系统为自动控制模式，外围传感器将检测到的数据传送给控制板，如果环境数据超出提前设置的阈值，将通过继电器自动控制风扇、电磁阀、卷帘、照明设备。

1.2 系统结构

本设计的检测系统结构如图1所示。

图1 系统结构

1.3 关键技术LoRa

由于农业环境的特殊性，不能随意选择现有的无线通信方式，而要根据使用场景选择合适的通信方式。目前，比较成熟的无线通信方式主要有：WiFi，Bluetooth，ZigBee，LoRa，NB-IOT等。因为WiFi，Bluetooth，ZigBee存在传输距离不足[2]，不适用于农业环境场景。故本文以ZigBee为例，与LoRa进行比较（见表1）。

表1 LoRa与ZigBee技术对比

本课题研究场景为农田，由于ZigBee传输距离不够，所以选择LoRa通信技术为农田环境监测站以及浇灌控制节点的通信方式。

2 智慧大棚控制系统

基于物联网的智慧大棚初步设计方案包括3个部分（见图2）。

图2 实施方案

（1）大棚内部的数据采集部分：此部分主要负责大棚内部的环境信息的采集，包括空气温度、空气湿度、土壤湿度、光照、雨滴等。

（2）大棚内自动控制部分：此部分主要依据采集到的信息，实时对农作物的生长环境做出相应的调整，包括灌溉控制、遮阳控制、电机控制等。

（3）大棚内部的数据传输：此部分主要依靠LoRa通信传输信息至网关，使用户能够实时观测到大棚内部的环境信息。

3 硬件系统设计

3.1 主控板

根据硬件需求，选择Tpyboard v102作为主控板。TPYBoard_V102 是以遵照MIT许可的MicroPython为基础，由TurnipSmart公司制作的一款MicroPython开发板，它基于STM32F405单片机，通过USB接口进行数据传输，支持Python语言（见图3）。

图3 主控板

CPU：ARM CORTEX-M4

MCU运行最高速度：168 MHz

Flash：1 024 KB

3.2 检测系统模块

3.2.1 供电系统

电源方面，考虑到大棚内部布线较为烦琐，所以选择使用15 V的锂电池给各个用电器供电。TPYboardv102板的供电需要稳定在DC5 V，所以采用了LM2596s稳压模块将15 V转至 5 V进行单独供电，该模块带电压表且能自行校准。该系统采用了电压微处理器，电压表误差在±0.05 V，自带过热保护和短路保护功能，其余的风扇、电磁阀、灯带等用电器则直接用15 V供电，连接至继电器，通过单片机控制。

3.2.2 温湿度模块

温湿度模块采用了WHTM-02型温湿度传感器，其利用集成IC采样温度湿度敏感器件的原始数据，再通过特定算法对湿敏器件随温度湿度的变化进行温度补偿线性修正等操作，并将其变换成线性模拟量输出，得到的精度较高（见表2）。

表2 WHTM-02 对应不同电压所输出的温湿度线性特性

由于大棚内部可能会出现各个区块温湿度不平衡的情况，采用了多个传感器测量，求取平均值以防误判，后续还将进一步研究。当获取的温湿度值超过阈值时，单片机会启动继电器操控电磁阀进行供水、风扇散热等操作。

3.2.3 土壤湿度模块

土壤湿度部分使用市面上较为普遍的湿度探头，通过数模转换器连接至单片机，用以获得更精准的信息。其中，比较器采用LM393芯片，工作稳定。当土壤湿度探测到的湿度低于所设的阈值时，启动继电器控制电磁阀进行灌溉，达到湿度阈值时则停止供水。

3.2.4 电磁阀

电磁阀采用MFPD-180脉冲型，跟市面上一般的电磁阀不同。当给电磁阀正向电压大于0.3 s时，则打开电磁阀；当给电磁阀反向电压大于0.3 s时，电磁阀关闭，不需要一直给电磁阀供电，从而做到节约能源。

3.2.5 H桥

为了解决给电磁阀提供反向电压，采用了BTN7971大功率的H桥，能够更加稳定地控制电磁阀（见图4）。

图4 H桥工作原理

3.2.6 LoRa通信

LoRa模块选取Semtech公司的基于SSC技术、采用 SX1276 芯片的低功耗远距离收发器。它通过SPI方式传送数据[3]，使模块的灵敏度超过-148 dBm，射频功率放大器达到20 dBm。高灵敏度、高射频功率和低至9.9 mA的接收电流的完美结合，使链路预算也达到了行业领先水平，满足了超长距离传输和可靠性高的使用要求[4]。同时，其优点还包括低功耗，一般电池可以使用10年之久[5]。

3.2.7 元器件连线

由于各个元器件只能通过杜邦线连接，考虑到这种连线方式极其不稳定，笔者选择自行设计pcb版图，使用更加安全稳定的接线柱连线，并且预留了多个焊盘，方便之后单独飞线（见图5）。

图5 pcb版布线

4 实物成果

现场实物部署如图6所示。

图6 实物部署

5 结语

我国农业正从传统农业向现代农业转型。本项目通过嵌入式开发制造出的大棚管理系统已经引入实际使用。目前，已应用于探测空气温湿度、土壤温湿度，运用红外模块，解决了自动喷水滴管、控制卷帘、风扇、照明等基础设备上，后续还会通过更加多元化的方式探测大棚的内部环境，进而提高产出。