基 于 Lo a 的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)云平臺應用實現(xiàn) 過琦芳 1 王永星 2 1 蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術學院 江蘇 蘇州 215008 2 江蘇理工學院 江蘇 常州 213001 摘 要 以溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)為研究對象 利用無線傳感網(wǎng)絡技術 Lo a 通信技術及 GP S 通信技術構建出一 種溫室大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng) 并進行系統(tǒng)的硬件及軟件設計 試驗驗證表明 系統(tǒng)可有效的進行數(shù)據(jù)通信 監(jiān) 控過程具有較高的可靠性 關鍵詞 溫室大棚 環(huán)境參數(shù) Lo a 無線傳感網(wǎng)絡技術 中圖分類號 S625 5 1 文獻標識碼 A 文章編號 1003 188X 2022 06 0219 04 0 引言 我國溫室大棚種植面積不斷增加 但由于溫室大 棚種植過程中對于氣溫 濕度及光照強度難以進行自 動控制 導致溫室大棚作物產(chǎn)量低 質量差 1 2 為改 變溫室大棚作物種植過程中對環(huán)境因素自動控制的 不足 一種基于物聯(lián)網(wǎng)與自動測控技術的溫室大棚智 能監(jiān)測與控制系統(tǒng)得到了廣泛的應用 但由于該類型 的智能監(jiān)控系統(tǒng)通用性較差 設備維修成本大 難以 實現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)應用 3 4 筆者根據(jù)溫室大棚監(jiān)測 控制系統(tǒng)的現(xiàn)有應用技術條件 基于 Lo a 技術構建 一種通用型的溫室大棚自動監(jiān)測與控制系統(tǒng) 以實現(xiàn) 對溫室大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的自動采集 傳輸 存儲與控 制 可有效節(jié)省人工種植成本 提高溫室大棚作物的 產(chǎn)量和質量 增加作物經(jīng)濟價值 1 溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng) 溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)是一種復雜的非線性時變系 統(tǒng) 具有一定的滯后性 5 溫室大棚作物的生長過程 是光合作用 呼吸作用及蒸騰作用的綜合過程 其生 長過程具有時變性 因此難以精確地建立生長過程及 環(huán)境控制數(shù)學模型 6 所設計的溫室大棚自動監(jiān)測控制系統(tǒng)主要包含 環(huán)境參數(shù)的采集 參數(shù)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡傳輸 以及參數(shù)的 顯示存儲和設備的自動控制功能 其架構如圖 1 所示 收稿日期 2020 06 22 基金項目 江蘇省農(nóng)業(yè)職業(yè)教育教學改革發(fā)展研究一般課題 JSNZJ201 638 蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術學院青年教師科研能力提升計劃 項目 19QN1004 作者簡介 過琦芳 1981 女 江蘇蘇州人 講師 碩士 E mail lramqym6 163 com 圖 1 溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)物理架構 Fig 1 Physical structure of greenhouse monitoring system 2 監(jiān)控系統(tǒng)關鍵技術 基于 Lo a 構建的溫室大棚自動監(jiān)測控制系統(tǒng)包 含無線傳感網(wǎng)絡 Lo a 通信 以及 GP S 通信等關鍵 技術 2 1 無線傳感網(wǎng)絡技術 無線傳感網(wǎng)絡技術是一種由多點分布傳感器節(jié) 點和無線網(wǎng)絡通信組成的分布式傳感網(wǎng)絡 主要包含 傳感器采集技術和傳感器網(wǎng)絡傳輸技術 如圖 2 所示 圖 2 無線傳感網(wǎng)絡技術結構框架圖 Fig 2 Technical structure of wireless sensor network 傳感器將監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的環(huán)境參數(shù)轉化為可進行 測量和傳輸?shù)碾娦盘?通過傳感器網(wǎng)絡進行傳輸 傳 912 2022 年 6 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 6 期 DOI 10 13427 ki njyi 2022 06 038 感網(wǎng)絡技術將溫室大棚內(nèi)分布的傳感器節(jié)點連接 實 現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸 無線傳感網(wǎng)絡中 的傳感器節(jié)點可按照設定好的計算規(guī)則進行監(jiān)測區(qū) 域內(nèi)的網(wǎng)絡節(jié)點搜索 7 2 2 Lo a 通信技術 Lo a 通信技術是物聯(lián)網(wǎng)當中常用的無線通信技 術 能夠滿足超長距離的網(wǎng)絡通信 同時具有功率消 耗低的特點 Lo a 通信技術的覆蓋距離達到 30km 傳輸速率可達到 100bps 可滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中 溫室大棚的長距離信息傳輸與控制 Lo a 通信技術 選用 1278 和 1276 兩種射頻芯片 僅對傳感數(shù)據(jù)進行 傳輸 無存儲功能 因此可實現(xiàn)低功率傳輸功能 Lo a 通信技術可實現(xiàn)一種星形組網(wǎng) 能夠實現(xiàn)多終端的 節(jié)點接入 避免節(jié)點故障引起的網(wǎng)絡癱瘓 攜帶 6 組 不同的擴頻因子 隨著擴頻因子的變化 傳輸數(shù)據(jù)在 對應頻帶范圍內(nèi)進行傳輸 避免傳輸帶數(shù)據(jù)干擾 2 3 GP S 通信技術 GP S 通信技術可實現(xiàn)遠程服務器對溫室大棚監(jiān) 控系統(tǒng)的遠程控制 常用的 GP S 模塊內(nèi)部集成 TCP IP 通信協(xié)議 當進行數(shù)據(jù)傳輸時串口數(shù)據(jù)轉化為 TCP IP 數(shù)據(jù)包 3 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計 溫室大棚自動監(jiān)測控制系統(tǒng)硬件主要包含傳感 器采集節(jié)點和匯聚節(jié)點 如圖 3 所示 傳感器采集節(jié) 點由溫度傳感器 濕度傳感器 外圍電路及 Lo a 模塊 組成 可實現(xiàn)對溫室大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)采集 并 進行數(shù)據(jù)包生成與傳輸 匯聚節(jié)點由單片機外圍電路 和 GP S 通信模塊組成 將采集節(jié)點上的數(shù)據(jù)包進行 分析存儲 并接收控制系統(tǒng)的鞠策指令 實現(xiàn)溫室大 棚環(huán)境的自動控制調節(jié) 圖 3 溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)硬件框架圖 Fig 3 Hardware framework of greenhouse monitoring system 匯聚節(jié)點是溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵部分 主要 由單片機及外圍電路 GP S 通信模塊 Lo a 協(xié)調控 制節(jié)點以及顯示報警系統(tǒng)組成 如圖 4 所示 圖 4 匯聚節(jié)點硬件框圖 Fig 4 Hardware block diagram of convergence node 基于 Lo a 通信技術構建的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)采 集節(jié)點需要完成溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的采集及數(shù)據(jù)傳輸 同時接收匯聚節(jié)點的控制指令 驅動系統(tǒng)內(nèi)執(zhí)行機構 進行動作 采集節(jié)點主要包含傳感器電路 控制電 路 單片機系統(tǒng)及 Lo a 通信模塊 如圖 5 所示 圖 5 采集節(jié)點硬件框圖 Fig 5 Hardware block diagram of acquisition node 022 2022 年 6 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 6 期 4 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計 在溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)當中 軟件部分主要包括采 集節(jié)點軟件功能和匯聚節(jié)點軟件功能 任務示意圖如 圖 6 所示 圖 6 軟件系統(tǒng)任務示意圖 Fig 6 Software system task diagram 采集節(jié)點程序流程主要包括采集發(fā)送傳感器采 集到的相關參數(shù) 同時執(zhí)行匯聚節(jié)點轉發(fā)的溫室大棚 控制指令 如圖 7 所示 圖 7 采集節(jié)點主程序流程圖 Fig 7 Main program flow chart of acquisition node 匯聚節(jié)點程序的主要功能是接收采集節(jié)點發(fā)送 的溫室大棚相關環(huán)境參數(shù) 并進行數(shù)據(jù)轉化打包傳 輸 同時將控制指令轉發(fā)至采集節(jié)點 匯聚節(jié)點主程 序流程圖如圖 8 所示 5 試驗驗證 利用 Lo a 原理建立溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)后 進行 通信組網(wǎng) 設計單匯聚節(jié)點與 3 個采集節(jié)點組成的試 驗方法驗證單點通信測試結果 試驗過程中 分別對 3 個采集節(jié)點進行編號 采集節(jié)點與匯聚節(jié)點的初始 距離均為 50m 采集節(jié)點按照每隔 10m 距離進行移 動 在每一采集節(jié)點位置分別發(fā)送 1000 個兩種不同 字節(jié)長度的數(shù)據(jù)包 移動過程中檢測數(shù)據(jù)傳輸效果 單點通信測試結果如表 1 所示 圖 8 匯聚節(jié)點主程序流程圖 Fig 8 Main program flow chart of convergence node 表 1 節(jié)點通信測試數(shù)據(jù) Table 1 Node communication test data 節(jié)點編號 通信距離 m 接收數(shù)據(jù)包 15 字節(jié) 30 字節(jié) 1 50 993 987 60 978 964 70 964 958 80 951 949 90 937 926 100 928 912 2 50 996 985 60 985 971 70 971 958 80 960 946 90 944 933 100 932 911 3 50 989 987 60 976 968 70 968 962 80 962 939 90 955 926 100 951 917 122 2022 年 6 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 6 期 為驗證溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性 在長度 100m 寬度 60m 的溫室大棚內(nèi)進行試驗驗證 共設 置 8 組傳感采集節(jié)點 其中 2 組進行環(huán)境溫度測量 6 組進行土壤濕度測量 并采用人工檢測的方式進行節(jié) 點處相關環(huán)境參數(shù)測量 試驗檢測數(shù)據(jù)如表 2 所示 表 2 試驗檢測數(shù)據(jù) Table 2 Test data 環(huán)境參數(shù) 節(jié)點編號 檢測值 人工檢測值 溫度 1 28 4 27 8 2 26 7 26 5 濕度 3 62 0 62 0 4 63 0 64 0 5 59 0 61 0 6 67 0 66 0 7 66 0 68 0 8 71 0 71 0 數(shù)據(jù)結果表明 在距離 50m 時 3 個采集節(jié)點的 平均數(shù)據(jù)傳輸成功率分別達到 99 2 和 98 6 隨著 節(jié)點距離的增加 平均數(shù)據(jù)傳輸成功率逐漸降低 在 距離達到 100m 時成功率分別為 93 7 和 91 3 對 不同字節(jié)長度的數(shù)據(jù)傳輸成功率進行對比可以看出 隨著字節(jié)長度的增加 數(shù)據(jù)傳輸成功率也出現(xiàn)了降低 的趨勢 由表 2 可以看出 基于 Lo a 建立的溫室大棚監(jiān) 控系統(tǒng)在進行環(huán)境參數(shù)監(jiān)測試驗時 系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)與 人工檢測數(shù)據(jù)相符 其中溫度偏差量不大于 2 1 濕 度偏差量不大于 3 4 6 結論 利用 Lo a 技術建立了溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng) 以各 類傳感采集系統(tǒng)為節(jié)點 利用無線傳感網(wǎng)絡技術和 Lo a 技術建立系統(tǒng)匯聚節(jié)點 并通過 GP S 技術進行 節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸 通過對建立的系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸成 功率及系統(tǒng)使用可靠性進行驗證 結果表明 在有效 的傳輸距離內(nèi) 數(shù)據(jù)傳輸成功率不小于 90 系統(tǒng)可 靠性不低于 96 參考文獻 1 王東 基于 Lo a 的溫室大棚數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計 J 重慶 工貿(mào)職業(yè)技術學院學報 2020 16 1 18 22 2 鄔亮 吳卓葵 曾楊達 等 基于 Lo a 的溫室多點無線監(jiān) 測系統(tǒng)設計 J 仲愷農(nóng)業(yè)工程學院學報 2020 33 1 50 53 65 3 李照 基于 Lo a 無線傳感網(wǎng)絡的溫室測控平臺的開發(fā) J 江蘇農(nóng)機化 2019 5 7 10 4 朱敏 基于 LO A 技術的智慧溫室監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實 現(xiàn) J 電子測試 2019 12 67 68 48 5 仲宇璐 李娜 基于 Lo a 技術的農(nóng)業(yè)大棚溫室監(jiān)測系統(tǒng) 設計 J 淮北職業(yè)技術學院學報 2019 18 2 111 113 6 朱軍 郭戀戀 王乾辰 等 基于 Lo a 的農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)測系 統(tǒng)設計與實現(xiàn) J 通信技術 2018 51 10 2430 2435 7 張攀 楊揚 基于 Lo a 的物聯(lián)網(wǎng)溫室監(jiān)控系統(tǒng)的設計與 實現(xiàn) J 現(xiàn)代信息科技 2018 9 187 189 Cloud Platform Application of Greenhouse Monitoring System Based on Lo a Guo Qifang 1 Wang Yongxing 2 1 Suzhou Polytechnic Institute of Agriculture Suzhou 215008 China 2 Jiangsu Institute of Technology Changzhou 213001 China Abstract This paper takes the greenhouse monitoring system as the research object uses wireless sensor network tech nology Lora communication technology and GP S communication technology to build a greenhouse environmental parameter monitoring system and designs the hardware and software of the system Through the test the system can ef fectively carry out data communication and has high reliability for the monitoring process of environmental parameters Key words greenhouse environmental parameters Lo a wireless sensor network technology 222 2022 年 6 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 6 期