基于LoRa与MQTT通信的智慧富硒茶园环境信息智能监测系统

蔡绍博 蔡绍硕 张 军 夏志波

1.长江大学园艺园林学院 湖北荆州 434025；2.武汉市春晓曲农业科技有限公司 湖北武汉 430211；3.青岛海纹智慧农业科技有限公司 山东青岛 266001；4.武汉菜佰仟数字农业科技有限公司 湖北武汉 430074；5.武汉建春科技有限公司 湖北武汉 430074

在传统的种植业中，很少有过多的对种植环境参数进行关注，更多的是依靠种植者多年种植经验来进行判断，但随着科技的进步，通过人工经验来判断种植业的种植环境就变得不是很可靠了。更多的是根据环境参数来进行监测，利用传感器以及无线传感网络来实现种植环境参数的采集以及传输。本文设计了一种基于LoRa与MQTT通信的智慧富硒茶园环境信息智能监测系统，利用LoRa通信网络、传感器以及MQTT协议来实现数据采集与云端通信，来实现富硒茶园环境信息的智能监测。

一、富硒茶园环境信息智能监测系统的技术分析

需要实现基于LoRa与MQTT通信的智慧富硒茶园环境信息智能监测系统，首先需要进行环境参数的检测，检测节点以STM32F103C8T6微控制器的单片机作为终端的核心，通过传感器来采集富硒茶园的环境参数，传感器检测的参数包括土壤温湿度、土壤pH值、空气温湿度和光照度。检测节点采集到环境参数之后，通过LoRa网络实现无线通信，实现多个LoRa终端节点接入LoRa网关节点，进行多节点的环境参数采集。LoRa网关通信模块在接收到终端节点发送的环境参数之后，将参数发送到LoRa通信网络的网关节UG87-LoRa网关，UG87-LoRa网关通过搭载的网络通信模块以及MQTT协议，将获取到的环境参数发送到云端平台，用户通过终端设备访问云平台，实现智慧富硒茶园环境信息的智能监测。

二、富硒茶园环境信息智能监测系统的整体设计

整个系统的构成包括四个部分：检测节点、网关节点、云平台以及客户端，如图1所示，具备以下功能：

(一)实时监测

根据智慧富硒茶园环境信息智能监测系统的要求，需要检测的环境参数有土壤墒情和大气环境，主要包括：土壤温湿度、土壤pH值、空气温湿度和光照度，在传感器检测到数据之后，将数据实时发送到云平台实现实时监测。

(二)多节点采集

根据智慧富硒茶园环境信息智能监测系统的要求，大规模茶园环境监测需要多个检测节点，网关节点和终端节点之间采用LoRa无线传感网络进行数据传输，采用一对多的模式，实现多节点采集。

(三)MQTT协议传输

根据智慧富硒茶园环境信息智能监测系统的要求，网关节点与One NET云平台之间的数据传输采用MQTT通信协议，数据协议采用OneJson。MQTT协议是一个面向物联网应用的即时通信协议，使用TCP/IP提供网络连接，采用发布/订阅(Pub/Sub)模式，通过连接服务器、订阅和发布主题来实现传统设备和MQTT云端的联系。

(四)云平台数据显示

根据智慧富硒茶园环境信息智能监测系统的要求，利用One NET云平台，One NET是由中国移动打造的PaaS物联网开放平台，平台能够实现设备接入与设备连接。网关节点设备完成接入，将终端节点检测到的数据发送到云平台。

(五)客户端数据显示

根据智慧富硒茶园环境信息智能监测系统的要求，客户端需要实现富硒茶园环境信息的实时监测，通过Internet访问One NET云平台，进行茶园环境参数的监测，并且通过爬虫程序将数据爬取，存储在本地数据库中，再对本地数据库进行数据处理，将参数转化为可以直接观测的图形。

图1 智慧富硒茶园环境信息智能监测系统

检测节点硬件设计采用STM32F103C8T6微控制器的单片机作为终端的核心，如图2所示。整个检测节点利用电池模块进行供电，摒弃了传统的电源布线供电，整个系统更为简洁，供电电压为2～3.6V。利用传感器检测富硒茶园环境参数，包括土壤墒情和大气环境，土壤墒情需要检测的参数有土壤温度、土壤湿度和土壤pH值，大气环境需要检测的参数有空气温度、空气湿度和光照度，传感器通过单片机IO口接入STM32单片机，将检测的模拟信号进行AD转换，转换为更直观的环境参数。STM32单片机获取到参数后，通过LoRa通信模块将数据传输到LoRa网关节点，实现大规模、多节点的环境参数的采集。LoRa通信模块通过IO口与STM32单片机相连。

图2 检测测节点硬件设计

网关节点硬件设计采用的UG87-LoRa网关作为网关节点的核心，采用NXP A53处理器，数据处理能力强，运行稳定。UG87-LoRa网关是一款基于LoRa低功耗广域网技术的工业级户外物联网网关。产品内置Semtech高性能收发器SX1301并可扩展至16通道，支持超过2000个节点接入网关，通信距离最远可超过10千米，满足大型项目和各种室内室外应用场景中对终端数据采集的需求。如图3所示。UG87-LoRa网关可通过内置的4G通信模块、Wi-Fi通信模块或有线网络方式将数据传输到云端服务器。UG87不仅兼容多种主流LoRaWAN网络服务器，还可以运用内置的网络服务器和星纵云方案，用快速部署自己的物联网应用，实现定制化的智能服务。通过网关节点的LoRa无线通信模块接收来自检测节点发送的茶园环境参数，并将数据进行处理，打包为MQTT通信协议的数据报文格式，UG87-LoRa网关的Wi-Fi模块或4G通信模块将数据发送到One NET云平台，通过路由器为网关节点提供Wi-Fi网络通信。

图3 网关节点设计

云平台设计采用One NET云平台，通过One NET云平台的控制台界面，创建产品，再进行设备的添加。节点类型选择网关设备，接入类型选择MQTT通信协议，数据协议选择OneJson格式，采用发布/订阅(Pub/Sub)模式，通过连接服务器、订阅和发布主题来实现传统设备和MQTT云端的联系，MQTT连接需要三个参量：mqttClientId、mqttUsername、mqttPassword，联网方式为Wi-Fi网络。完成设备的添加之后，在设备管理界面可以查看添加的网关节点设备。

客户端通过PC端和手机APP实现富硒茶园环境信息智能监测，如图4所示。PC端通过Internet访问One NET云平台即可以实时查看检测节点检测到的环境参数，并且PC端将从云平台获取到的数据存入MySQL数据库，MySQL数据库设计包括两张数据表，一张为土壤墒情信息表，主要数据字段有时间、土壤温度、土壤湿度和土壤pH值，另一张为大气环境信息表，主要数据字段有时间、空气温度、空气湿度和光照度。

图4 客户端

三、硒茶园环境信息智能监测系统的分析实验

在完成该系统的设计和实现后，本文对该系统进行了实验室模拟环境的测试。首先需要进行检测节点的传感器环境参数检测功能的测试。通过电池对终端STM32单片机进行供电，设备可以实现运行；通过GPIO口将传感器连接到STM32单片机上，再通过上位机串口助手对检测到的环境参数进行测试，通过串口将检测节点与上位机进行连接，发现可以在上位机串口助手上面进行土壤温湿度、土壤pH值、空气温湿度和光照度等参数的显示，当改变环境因素时，传感器检测到的数值也发生相应的改变，检测节点的检测功能可以实现。测试结果如表1所示。

表1 传感器测试参数

再通过对LoRa无线通信网络的测试，如表2所示，在合理范围内，将检测节点的LoRa通信模块与UG87-LoRa网关的通信模块实现网络连接，将检测发送指定的数据，网关节点能够进行正常接收，没有出现数据包、数据帧的丢失，没有发生信道碰撞以及冲突。LoRa网络可以进行正常通信。

表2 LoRa通信测试

网关节点接收到数据之后，将数据上传到云端，使用MQTT协议，云端与终端设备之间可以实现主题的订阅和发布，并且可以实时观测到富硒茶园的各种环境参数。

客户端通过PC以及手机APP可以进行云端平台的访问，并且可以实时获取茶园的环境参数，且PC端将从云平台获取到的数据存入MySQL数据库，并且可以转化为更直观的数据图像。

通过一系列的模拟环境测试，该系统在监测数据变化和动态监控中，均表现出了良好的适用性，能够实现富硒茶园环境参数的采集与实时查询，并且终端服务器通过访问云平台，能够实现远程实时监测。因此当这个测试系统持续扩容，运用到更大范围内的实际生活生产中，具有一定的可实现性。

结语

文章利用传感器、LoRa通信网络以及MQTT通信协议实现了智慧富硒茶园环境信息智能监测系统，并且通过一系列的测试实验证明了系统的设计合理。本系统的涵盖性高，可通过检测节点更换其他环境参数的传感器，并且对单片机进行不同传感器驱动的烧录，可以广泛运用于果园、菜园和农田等其他农业环境的场景监测中。