LoRa和模糊控制的大棚环境监控系统

河北大学电子信息工程学院 赵晓军 郝文娟 李 寒 莫益锭 张郁佳 季 桓

目前大多数农业大棚采用有线传输和短距离无线通信的方式，对单一大棚进行环境监测和设备控制，存在通信距离短，组网复杂，受网络环境影响较大等问题。针对以上问题，设计并实现了一套基于LoRa和模糊控制的大棚环境监控系统。该系统采用LoRa进行远程通信，利用Wi-Fi或GPRS将数据上传至阿里云物联网平台，通过Web和微信小程序实现大棚内各种参数的远程查看和控制。结果表明，该系统远程数据传输稳定，自动调节环境参数，能够实现大棚的远程监测和控制。

我国南北地形和气候差异明显，对于农作物的种植有着很大的限制。为了减少这些因素对农作物生长产生的影响，使农业种植不受地域和气候等因素的限制，建立一种精准化、智能化、普遍应用的智慧农业大棚控制系统有着十分重要的意义。LoRa是一种将扩频和GFSK调制融合在一起的长距离、低功耗的数据通信技术，其工作频段为0.137GHz-1.02GHz，传输速率从几百bps可达几十Kbps，在保证信息传输的过程中功耗较低的前提下，大大提高了数据传输距离。

1 系统总体设计

本系统以STM32F103系列单片机为核心，通过温度、湿度和光照传感器对空气环境和土壤环境进行监测，利用模糊PID调节风机、卷帘机等工作，调节环境参数，并将传感器采集到的数据通过LoRa模块进行远程数据传输。集中器通过GPRS或Wi-Fi模块将数据上传到阿里云平台，并用MYSQL数据库进行存储，用户通过网页或者微信小程序对大棚进行环境的监控。

1.1 环境采集节点设计

环境采集节点主要由传感器、LoRa模块、STM32F103和电源模块等组成，用于实时获取农业大棚内环境参数，包括空气温度、空气湿度、光照强度、土壤温度、土壤湿度等参数，并完成数据上报。LoRa是一种将扩频和GFSK调制融合在一起的长距离、低功耗的数据通信技术，具有星型组网方式，传输速率从几百bps可达几十Kbps，在保证信息传输的过程中功耗较低的前提下，大大提高了数据传输距离。图1所示为采集节点框图。

图1 采集节点框图

1.2 集中器设计

集中器是LoRa网络中最重要的部分，它的作用是将LoRa网络中采集到的数据上传到服务器，是星型组网中的中心节点。集中器是由STM32F103C8T6单片机、LoRa模块、WiFi模块ESP8266和GPRS模块等部分构成。数据传输通过LoRa模块进行数据汇总，Wi-Fi或GPRS模块与阿里云物理网平台进行通信，在进行设计时选用2个2P拨码开关，其中一个拨码开关进行GPRS/Wi-Fi模式的选择，另一个开关作为单片机程序的标志位，通过波动开关实现联网方式的切换。图2所示为集中器框图。

图2 集中器框图

2 系统软件设计

2.1 系统总体软件设计

软件设计的主要流程为信息采集节点将采集的环境信息通过LoRa无线通信技术将数据发送到数据传输节点，然后将数据上传至阿里云物联网平台，同时可以将数据流转到MySQL数据库中，通过上位机端的Web信息管理系统对大棚内环境参数进行查看和管理。当用户对棚内设备进行控制时，数据传输节点接收到上位机Web端发来的控制命令，然后将控制命令通过LoRa无线通信模块传输至执行设备控制箱，从而对大棚内相应的设备进行控制。本系统软件总体流程图如图3所示。

图3 软件总体流程图

2.2 模糊PID控制

模糊PID控制利用一定的模糊规则，进行大棚温湿度调控，实现大棚环境自动化调节。模糊PID通过设定温湿度参数，采集当前的环境温湿度，进行比较，产生的偏差和偏差变化率通过模糊化处理得出KP、KI、KD，建立模糊控制表，通过PID控制器对执行设备进行自动化控制去调节大棚内环境参数。图4所示为PID调节流程图。

图4 模糊PID控制框图

对于温湿度环境的自动调节，主要是根据用户设定的上限和下限值，当采集到当前的温湿度大于上限值或者小于下限值时，通过模糊控制，执行设备自动进行温湿度调节，使温湿度控制在用户设定的范围内。图5所示是温度自动调控流程图。

图5 温度自动调控流程图

2.3 微信小程序

用微信开发者工具对微信小程序进行开发，它具有模拟器、调试工具和小程序操作区三大功能，能够看到真实的页面结构和对应的wxss属性，并快速找到组件对应的wxml代码。微信小程序具有跨平台的优势，只用在微信中打开微信小程序就可以自动连接服务器，进行数据流转，对大棚环境参数进行监测和控制。图6所示是微信小程序界面。

图6 微信小程序界面

2.4 Web开发

本文设计的基于B/S架构的Web信息管理系统前端开发使用vue.js、ElementUI以及Echarts技术，后端开发使用SpringBoot和Mybatis-Plus框架，主要功能是获取大棚内环境参数等信息，及时的在界面中展示出来，可以通过控制指令对大棚内设备进行控制。用户在完成登录后便可以对系统进行查看、管理以及控制。本系统设置数据每隔2min上传一次。实时数据监测如图7所示。

图7 实时数据查看界面

3 LoRa模块RSSI测试

RSSI可以表示LoRa无线通信模块在信号接收时信号的强弱。在对RSSI进行测试时，可以使LoRa模块进入信号强度模式下进行测试，RSSI的值越大，说明信号越稳定。信号强度主要受环境遮挡和通信距离影响，本次测试选取两种场景进行测试，一种是遮挡较少的宽阔马路，另一种是部分遮挡的地点，如图8所示。

图8 LoRa模块功能测试地点

测试采用定向点对点传输的方式进行测试，将数据传输节点固定，按预定距离移动采集节点，LoRa模块信道设置为0x17（信道23，433MHz），发射功率设置为20dBm，程序设定每10s采集节点向数据传输节点发送一次数据包进行测试。测试结果如表1所示。

表1 RSSI测试结果

从表1测试结果可以看出，在两种场景下，信号强度会受距离和环境的影响，遮挡较少的场景信号强度优于有遮挡场景，测试结果与预期较为符合。

本文针对我国温室大棚的发展现状和智能化生产的需求，设计并实现了一套基于LoRa和模糊控制的大棚监控系统，主要包括信息采集节点、数据传输节点、执行设备控制节点以及远程监控终端，用户可以通过Web、微信小程序实现对棚内环境信息的查看与执行设备的控制。该系统集传感采集、数据存储、设备联动于一体，可实现远程监测和控制，同时具有远距离智能化的控制方式和报警等功能，从而为农作物健康生长提供有利的条件。