基于物联网技术的农业环境监控系统设计.pdf

46 第04期 2020年2 月 N o 0 4 F e b r u a r y 2020 随 着 科 学 技 术 的 发 展 与 国 家 的 乡 村 振 兴 战 略 农 业 智 能 化 越 来 越 成 为 一种 必 要 1 我国农 业 大 棚区 域 面 积 大 种 植环 境 相 对 复 杂 随 着农 业 智能 化 的 出现 将 有很 大 变 化 内 蒙 古 农 业 生 产 干 旱 缺 水 条 件 相 对 差 因 此 运 用 农 业 智 能 化 是非常 有 必 要 的 2 农 业数 据 采集 具有 数 据 点 分 布 广 数据 量少 的 特 点 数据传输若 都使用 总线 传输 不 仅 价 格 昂 贵 而 且 布 线 复 杂 因 此 本 文 整 合 利 用 通 用 无 线 分 组 业 务 General Packet Radio Service GPRS 与 长 距 离 Long Range LoRa 各 自 的优势 3 构 建 一 种 新 型 系统 在 很 大 程 度 上 解决 传 统 通 信 方 式 的 弊 端 使 距 离 大棚较远 的 用 户 也 可对大棚情 况 进 行 实时 精 准 监 测 实 现 高 效 务农 本 文的 系统 总 体 框 架 包 括感 知层 网络 层 和 应 用 层 旨 在 设计一套 基 于LoRa 和GPRS技 术的智 能 农 业 大 棚 系统 能 够实 时 准 确地 采 集 农 作物生 长 环境 中 的各 种参 数 并能 精准 地 控制大 棚中的设备 让大 棚中的 环 境保 持 在一 个 平衡 的 状 态 1 系统总体设计 本 设 计主 要 由 终 端 采 集 控 制 节点 汇 聚 节点以 及 远 程 数 据中心3 部 分组 成 采集 节 点采集 温 室 大 棚 的 环 境 参 数 汇 聚节 点将获得的数 据打 包 利用 无 线网络 发 送 至 上 位 机的服 务器中 心 实现 实 时获取大 棚中 农 作 物 生 长的环 境 参 数 并 可 以发 送 控制指令 控制驱动设 备改 变 大 棚 环境 农 业大 棚 采 集 控 制 系 统 总体 设 计框 架如图1 所 示 基于物联网技术的农业环境监控系统设计 潘新元 刘志强 张礼麟 段海军 韩 勇 内蒙古工业大学 信息工程学院 内蒙古 呼和浩特 010080 摘 要 文 章 针对农 业数据采集 数据 点 多 数据率 低的特 点 设计 了 一种 基 于LoRa 与GPRS技 术 的 农 业 环 境 监 控 系 统 汇 聚 节点 利 用GPRS 无 线网络 将 终端节 点 采 集的数据 打包 发 送 到 服务器端 用 户 通 过 网 页 或安卓 手 机 远 程 监 测温室环 境 控制 电 磁阀开关 驱动热 风 机 加热以 及 其 他 控制设 备 该 系统 结构简单灵 活 功耗 低 传输距离远 具 有 广 阔的 应用前景 关键词 农 业 环 境 无 线网络 数据采集 远 程 监控 基金项目 项目名 称 智 能 温 室 植 物生长 环 境 数 据 采 集 控 制系 统 的 研 究 与 设 计 项目编 号 2018025 内蒙古自治区科 技创 新引导奖 励 资 金 项 目 项 目 名 称 设 施 农 业 物 联 网 关 键 设 备 及 系 统 研 制 与 产 业 化 示 范 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 编 号 61962044 内 蒙 古 自 治 区 高 等 学 校 科 学 技 术 研 究 项目 项目编 号 NJZY19088 作者简介 潘 新 元 1997 男 安徽淮北 人 本 科 生 研究方 向 嵌入 式终 端 技术 无 线互联科 技 Wireless Internet Technology 图1 农业大棚采集控制系统总体设计 现代物联网农 业将 计算 机 无 线传感 器和农 学 等 若 干学 科 紧 密 结 合 在 一起 通 过 信 息 采 集 传 输 处 理和 控制等 技 术 使 人 们更 加 方 便和直 观 地获得 农 作物生 长环境的参 数 从而实现 真正意 义 上的智慧 农 业 本文设 计的系统 所实现的 47 第04期 2020年2 月 N o 0 4 F e b r u a r y 2020 功 能 如下 1 实 时 监 测功能 通 过 底 层 采 集 节 点 实 时 采 集 温 室 里 的 环 境参数 将数 据 通 过 无线 网 络 传 输 给 服 务 器 以 直 观 的图 表方 式 显 示并 提 供 报警 信息 2 多 种 控制方 式 系统 将采 集 到的 数 据进行分析 当 数 据 超 出预 先设 定的 值时便 进行自动 调 节和 控制 或 采取手 动的方 式 对 电磁阀和 风 扇进行 控制 3 数 据 查 询与警 告功能 系统可以实 时查 询温 室内的 各 项 环境 参 数 历 史 数 据 分 析 农 作物 生 长 环境 变 化 趋势 作 出 正 确 的 农 业 生 产 决 策 警 告 功 能 可 预 先 设 定 适 合 农 作 物 生 长条 件 传感 器 数 据的上限值和下限值 当某 个数 据超出范 围值时 系统会提 示 警 告信 息及 远 程 短信通知 4 远 程 查 询 与 控 制 功 能 系 统 可以 通 过手 机 连 接 到 灌溉 控 制 器 用 手 机方 便 地 查 看 温 室 的 各 项 环 境 数 据 以及 能 够方便 地 远 程 控制各 个中断控制 节 点的工作 2 系统节点与软件设计 系统 设 计 主 要包 括 终端节 点 设 计 汇聚节 点 设 计和 服务 平台软件 设 计 采 集 节 点间 通 过RS485总 线 相 连 采 集 点 和 汇 聚 节点 通 过 LoRa 实 现 通 信 和 数据 的 传输 2 1 终端节点设计 终 端 节点 的 主 要 任 务 是 接 收 汇 聚 节点 的 采 集 指 令 并 对 传 感 器 下 发 采 集命令 本 系 统设 计 的 终 端 节 点 包 括 采 集 节 点 和 控 制 节点 两 部 分 采 集 节点由STM32微 控 制 器 多 传 感 器 LoRa 模块组成 传 感器与 传 感器子 模块通过RS485 方 式 进 行 通 信 RS485 总线采用 差分信 号 传输 抑制共模 干 扰的能力 较 强 4 控制 节 点 由 控制设 备 STM32主 控 芯片 和 LoRa 无 线 通信 模 块 等 组 成 其主 要 任务 是响应 上 位 机 下 发 的 控 制 指 令 控 制大 棚 内 的 设 备 通 过 终端节 点 设 计 实 现 采集 数 据的上 传与 控制命令的 下 达 2 2 汇聚节点设计 汇聚 节 点 处 于 系统的中 间层 作为星 型网络结 构的网关 由STM32微 控制器 GPRS 模块 以 及 电 源 模块 组成 其 主 要 任务 为 接 收 终 端 节 点 发 送的 温 室 环 境 参 数 数 据 然 后 按 照 物联 网云服务 平台要求的 数 据 存 储格式 进行打 包 通 过串 口 GRPS模块发送到 物 联 网 用 户 服 务平 台 通 过GPRS 模块 接 收物联网 服务 平 台 发 送的对 温 室执行 结 构的 控制指令 并转 发 到终端节 点控制器 5 2 3 服务平台软件设计 服务 平台软件设 计 包 括上位 机 服务器端和手机 客 户端 上 位机 服务器端的主要 任务 是接收 汇聚节 点发 送的数 据 保 存 到当 地 数 据库中 形成可 视化 的图 表 用户依 据 数 据 分析 判断是否对 终端节 点 下 达 控制指令 手机 客 户 端实现 远 程 观 测的作用 可 跨 平台 运行 应 用于多种终端 设备 安装和维 护 成 本 较低 Android 智能手机APP的 开 发 为 用 户 实 现 远 程 控 制 提 供 简 便 以 达 到 提 高 效 率 方 便 智 能 调 控 的目的 进 一 步提高系统的智能化 水 平 2 4 通信节点 LoRa通 信 节点 的 作 用 是 将 终 端 点 与 汇 聚 节点 连 接 起 来 实 现 数 据 的 上 传 与接收 温 室 大棚农 业 覆 盖 面 积广 泛 ZigBee 节 点 组成 的 短距 离 传 感 网 络 不 能 满 足 对温室 的 可 靠 控 制 而 LoRa具有超 长 距离 通信 超低功耗和坑 干扰强的特 点 选 择 LoRa技 术可以 弥 补这一方 面的 不足 6 网关 作 为 数 据的交 换中 心 需要和终端节 点和数 据服务 中心通信 考虑 农 业 大 棚 和 数 据中心的 远 距 离 传 输 时 通信 方 式 选 用 了可 高速 传 输 传 输 距 离远 稳定性 强的GPRS 无 线通信网络 3 结语 农业 温室数 据采 集技术 是 发展 现 代 化农业 信 息 技术 的 重要 一 环 本 文 利 用 无 线通 信技 术LoRa优 势 构 建 了一 种 基 于LoRa 与GPRS技 术的农 业环境 监 控 系统 实现 了 农 业 温 室 环 境参数 的 实 时 采 集 及 监 测 本 系 统 设计 灵 活 结构 简 单 通 信 距 离 远 功 耗 低 系 统 可 移 植性 高 除 了在 农 业 温 室 大 棚 中 的 应 用 还 可 稍作 修 改 用 于 其他 农 业 用 途 具 有 良好 的应 用与 推 广空间 Design on agricultural environment monitoring system based on Internet of Things technology Pan Xinyuan Liu Zhiqiang Zhang Lilin Duan Haijun Han Yong School of Information Engineering Inner Mongolia University of Technology Huhhot 010080 China Abstract This paper aims at the characteristics of agricultural data collection with many data points and low data rate an agricultural environment monitoring system based on LoRa and GPRS technology was designed The convergence node uses the GPRS wireless network to send the data collected by the terminal node to the server The user remotely monitors the greenhouse environment through the webpage or Android phone controls the solenoid valve switch drives the heating fan to heat and other control equipment The system has a simple and flexible structure low power consumption long transmission distance and has broad application prospects Key words agricultural environment wireless network data acquisition remote monitoring 参考文献 1 范秉衡 加 快 数字乡村 建 设 助力乡村 振 兴 J 中国 合 作 经 济 2018 9 45 2 何满喜 内 蒙古农 业投 入与 效 益的数量 经济 分析 J 华北 农 报 2002 1 141 145 3 莫章 洁 基于ZigBee 与GPRS的农 业 数据 采 集系统设计 J 贵州师范学院学 报 2016 9 26 4 郑 贵 林 汪 体 成 基于LoRa 的温室 环 境智 能 监控 系统的设 计 J 江 苏 农 业 科 学 2019 10 216 219 5 熊永 红 基于LoRa无 线传 感网络 的温室 控制 系统 构建 D 南 昌 东 华 理 工 大 学 2019 6 王 阳 温 向 明 路 兆 铭 等 新兴 物联 网技 术 LoRa J 信息 通信 技 术 2017 1 58 59 无线互联科技 软件 透 视