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基于多元化LoRa網絡的智能農業系統開發
發布時間:2020-02-27

  摘    要: 現階段,我國農業智能化普遍采用ZigBee技術,但ZigBee由于通信頻率較高、容易受到外界信號的干擾、傳輸距離短、網絡結構復雜,無法保證傳輸的完整性、準確性、實用性和便捷性。針對ZigBee技術的短板,基于LoRa技術以及LoRa開放協議的智能農業系統設計成為農業生產者的理想選擇。文章以LoRa技術作為支撐,設計了集低耗、高效、綠色于一體的智能化農業物聯網系統。

  關鍵詞: LoRa技術; 智能農業系統; 系統設計; 系統實現;

  Abstract: Agriculture is an important part of our social economy and an important industry to support the national economy. In the context of information globalization, information network technology is gradually mature, and the development of agriculture also needs to keep pace with the times. At present, ZigBee technology is widely used in China's agricultural intelligence, but ZigBee cannot guarantee the integrity, accuracy, practicability and convenience of transmission due to its high communication frequency, easy to be interfered by external signals, short transmission distance and complex network structure. Aiming at the short board of ZigBee technology, the design of intelligent agricultural system based on LoRa technology and LoRa open protocol has become an ideal choice for agricultural producers. Based on Lora technology, an intelligent agricultural Internet of things system with low consumption,high efficiency and green is designed in this paper.

  Keyword: Lora technology; intelligent agricultural system; system design; system implementation;

  隨著社會與經濟的發展,物聯網的興起將農業產業推向了新的高度。為了完成物聯網的全球部署,農民及牧場主亟需一種低功耗、低成本、高頻率的傳感器。LoRa作為超遠距離傳輸技術,其優勢有以下三個方面:首先,LoRa功耗極低,可滿足農業生產的最基本需求。第二,LoRa具有接收靈敏度高的特點,能夠滿足無線連接準確性的需求。第三,LoRa具有超遠的通信距離,能夠有效降低信息干擾。如何利用LoRa技術的優點,將多元化LoRa網絡與智能農業系統相結合是本文研究的重點。

  1 、系統設計

  系統總體設計如圖1所示。本文所設計的LoRa智能農業系統主要包括以下五個方面,分別是:農業專家系統、綠態農業系統、用戶訪問平臺、數據管理云平臺、LoRa基站以及終端節點。其中農業專家系統具有智能學習、生產模擬、制定生產策略、技術指導等功能。綠態農業系統能夠根據農業生產監控數據,精細化管理農業生產的農藥用量、飼料添加量等。用戶訪問平臺主要指PC端或手機客戶端,用以視頻監控農業生產狀況或接受反饋信息。數據管理云平臺負責對整個系統的數據進行處理,包括儲存、上傳和反饋。LoRa基站是系統中必不可少的中繼站,用以連接數據管理云平臺和終端節點,保證數據交互。終端節點包括采集節點和控制節點。

  本文對LoRa智能農業系統的設計原則為雙向、可視可控、綠色以及智能。在自下而上的傳輸過程中,采集節點收集農業生產的相關數據,通過LoRa自組網傳輸給LoRa基站,再經過WiFi/3G/4G互聯網絡發送給數據管理云平臺,該系統的優點不僅體現在LoRa技術的低耗性、高效性和抗干擾性,還實現了農業生產的精細化管理,能夠有效降低農業生產的成本和對環境的破壞。
 

基于多元化LoRa網絡的智能農業系統開發
 

  2、 系統平臺設計

  2.1、 系統硬件設計

  2.1.1、 網關硬件設計

  LoRa網關可以通過傳感器,在LoRa技術與網關組成的傳感網絡中收集數據,也可以通過RS-485芯片采集數據。與其他芯片相比,它是一個真正意義上的單芯片RS485集成芯片,可大大減少PCD板面積,在RS485輸入/輸出引腳提供±15kV ESD保護。總線最多支持與256個節點連接,具有開路和短路故障保護接收器輸入、高共模瞬變抗擾、熱關斷保護等功能。

  2.1.2、 LoRa基站硬件設計

  對LoRa基站而言,低功耗是在其能夠滿足自身復雜計算需求的前提而言。ARM STM32F103VET6是一款32位微處理器,具有72MHz CPU的速度和高達1MB的閃存。包含電動機控制外圍設備以及CAN和USB全速接口、兩個高級定時器和兩個基本定時器。LoRa基站主要包括網絡接口、電源、主控芯片、SX1278四個模塊構成。

  2.1.3、 終端節點硬件設計

  LoRa終端節點選用Semtech公司生產的SX1278擴頻技術芯片,其主要優勢為傳輸距離遠、抗干擾性能強、功耗低。根據系統需求,終端節點包括采集節點和控制節點兩個部分,主控芯片選用MSP430F149其中采集節點主要負責采集農業生產數據,并將數據上報至LoRa基站,控制節點負責執行上級指令。

  圖1 系統總體設計圖
圖1 系統總體設計圖

  2.2、 系統軟件設計

  2.2.1、 終端節點軟件設計

  終端節點在接通電源后進行系統初始化,隨后開始接入串口,同時將LoRa模塊激活。在完成數據接收工作后,LoRa模塊對數據進行逐幀分析,若數據來自數據云管理平臺,則通過LoRa無線網絡傳輸給終端節點;若數據來自終端節點,則通過WiFi/3G/4G,將數據發送給數據管理云平臺。數據管理云平臺在接收到來自基站的數據后,迅速發送給用戶訪問平臺。

  2.2.2、 LoRa基站軟件設計

  LoRa基站在接通電源后進行系統初始化,開始接入串口,同時將LoRa模塊激活。在完成數據接收工作后,LoRa模塊對數據進行逐幀分析,若數據來自終端節點,則對數據進行打包,添加幀頭、幀尾和兩位CRC校驗位,通過LoRa無線網絡傳輸給LoRa基站;若數據來自LoRa基站,則先去除數據的幀頭、幀尾和兩位CRC校驗位,隨后將數據發送給控制節點。

  3、 網絡協議設計

  為了保證整個系統數據傳輸的準確性和真實性,對數據幀的設計可包含以下五種類型:(1)上行數據幀。上行數據幀表示采集節點向數據管理云平臺傳遞的農業生產實時數據信息;(2)下行應答幀。下行應答幀是對控制節點執行上層指令情況的反饋,以避免重復。(3)下行指令幀。下行指令幀表示數據管理云平臺給控制節點發出的指令;(4)下行配合指令幀。下行配合指令幀是指數據云管理平臺服務器在對控制節點發出指令的同時,對采集節點的相關指令;(5)下行應答幀。下行應答幀表示數據云管理平臺服務器已經接收到下層控制節點或采集節點的信息,并將接收情況反饋給控制節點和采集節點。

  4、 系統優勢

  4.1、 技術優勢

  LoRa是智能化農業系統首選技術,支持一對一、一對多、多對多的控制模式,網絡結構具有動態性和多元性。采用防碰撞算法,在多個采集節點同時運行的情況下,保證數據的準確性。在數據的處理上,采用認證、驗證、按需工作的方式保證數據傳輸的安全性、可靠性和及時性。

  4.2、 管理優勢

  本系統包括自動管理和人工管理兩個部分。其中自動管理是指在農業生產現場的傳感器可以實時監控影響種養殖的因素。當采集節點上報的數據有異常時,系統將會進行智能防控。人工管理是指農業工作者可通過農業專家系統提供的建議對農業生產進行全局管理。人工管理與自動化管理相結合,有效降低了農業生產的管理成本。

  4.3、 科學和環保優勢

  在本系統設計中,首先加入了“農業專家系統”,用戶可以從專家系統中獲取種養殖方法、農業發展動態、國家政策等信息。在種養殖方法指導下,進行科學、正確的農業生產;了解國家政策,跟進國家發展腳步;知曉行業動態,精實生產。此外,本系統還特意加入了“綠態農業管理系統”,在響應國家“綠色”發展的同時,注重農業生產的可持續發展。

  5、 結束語

  綜上所述,根據對現階段我國農業發展現狀、以及對農業發展需求的分析,農業發展離不開現代化信息技術。在LoRa技術下,農業發展將向數字化、可控化、智能化以及綠色化發展,為農業工作者提供了顯著的技術、管理以及科學環保優勢。

  參考文獻

  [1] 陳宇翔.LoRa應用關鍵技術研究[D].杭州電子科技大學,2019.
  [2] 郭戀戀.基于LoRa技術的農業溫室監測系統設計與實現[D].安徽大學,2018.
  [3] 陳彪,揭晶方,張偉,等.基于LoRa的智能農業系統設計與實現[J].計算機測量與控制,2018,26(10):134-137+142.

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