CN109375600A - 基于LoRa技术的草莓园环境管理系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于LoRa技术的草莓园环境管理系统及控制方法，该系统中终端节点分为数据采集节点和开关控制节点，数据采集节点用来采集温室环境的信息数据，并采用LoRa通信技术将数据由终端传感器传输到集中器节点，通过LoRa通信技术接收控制指令，开关控制节点通过LoRa通信技术接收来自集中器节点发来的信息，来控制洒水器开关与遮阳开关以达到改变温室环境的作用；集中器节点将接受到的数据信息远程传输到管理中心，以及控制终端节点的工作状态，集中器节点通过TCP/IP网络与管理中心连接；管理中心负责显示、记录草莓园环境数据信息，并根据信息情况调整草莓园的环境状态，保障草莓园环境为最适合草莓生长的环境。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于LoRa技术的草莓园环境管理系统，具体涉及智慧农业领域。
背景技术
近年来，随着物联网技术的发展，各种行业依托于物联网技术有了较大的变革。可以说，基于物联网的智能产品将在未来占据主导地位。而LoRa作为低功耗广域网(LPWAN)的一种长距离通信技术，近年来受到了越来越多的关注。LoRa的优势在于其技术方面的长距离通信能力。在高性能、远距离、低功耗的前提下，拥有支持大规模组网，测距和定位等方面突出的特点。这使得该方案(终端+集中器+管理中心)成为物联网大规模推广应用中的一种理想技术选择，将物联网用于农业也成了未来智慧农业领域发展的一种发展趋势。
二氧化碳和水是绿色植物进行光合作用的原料，作物干重的95％来自光合作用，所以物联网在农业应用中需要部署大量的传感器与控制器，像温度湿度传感器、二氧化碳浓度传感器和光照强度传感器等。低成本的微控制器和传感器是必需的，传感器测量出的大部分数据指标在短时间内不会发生明显的变化，并且数据量较小，对实时性的要求不高；控制器控制开关，以便于调整适宜草莓生长的环境；草莓园通常在比较广阔的野外，有线监控设施不便于现场布线、设备维护和长距离监测管理；目前实际管理中有少量采用新兴的无线传感器网络技术进行草莓园环境管理，如Zigbee技术和移动通信网络的结合方式。但由于Zigbee通信距离最大为2.5公里，覆盖范围有限，因此所需节点数量较多，导致成本增加。此外，当Zigbee组网时，其中充当路由的节点不能处于休眠状态，因此功耗无法进一步降低。因此，本发明首次提出了基于LoRa技术的草莓园环境管理系统，相比基于Zigbee技术的草莓园环境管理系统，本设计中所需的终端节点数更少，整体功耗更低，待机时间更长，可远程控制作物生长环境，可有效降低系统的整体构建成本，解决了草莓园监测管理设施不便于现场布线、设备维护麻烦和远距离管理的问题，具有开发成本低、维护方便、功耗低和远距离实时管理的特点。而且利用该技术可以快速搭建低功耗、低成本的无线传感器网络，为草莓园环境管理提供了强而有利的支持。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于LoRa技术的草莓园环境管理系统，旨在解决草莓园监测管理设施不便于现场布线、设备维护麻烦和远距离管理的问题，具有开发成本低、维护方便、功耗低和远距离实时管理的特点，便于集中管理和提高生产效率。
本发明一种基于LoRa技术的草莓园环境管理系统，包括终端节点、集中器节点和管理中心；
所述的终端节点包括数据采集节点和开关控制节点，数据采集节点用来采集温室环境的信息数据，并采用LoRa通信技术将数据由数据采集节传输到集中器节点，同时数据采集节通过LoRa通信技术接收控制指令，开关控制节点通过LoRa通信技术接收来自集中器节点发来的信息，来控制洒水器开关与遮阳开关以达到改变温室环境的作用；集中器节点将接收到的数据信息远程传输到管理中心，以及控制终端节点的工作状态，集中器节点通过TCP/IP网络或UDP网络与管理中心连接；管理中心负责显示、记录草莓园环境数据信息，并根据信息情况下发信息给集中器节点；集中器节点根据接收信息来调整终端节点的工作状态，从而调整草莓园的环境状态，保障草莓园环境为最适合草莓生长的环境。
作为优选，所述终端节点以单片机MSP430F149为核心。
作为优选，所述终端节点中的数据采集节点包括温湿度传感器、光照强度传感器、二氧化碳传感器；所述的温湿度传感器采用数字式插针式DHT11温湿度传感器，光照强度传感器采用BH1750FVI数字光照强度传感器，二氧化碳传感器采用红外二氧化碳传感器；所述终端节点中的开关控制节点包括洒水器开关、遮阳开关和二氧化碳释放器开关。
基于LoRa技术的草莓园环境管理系统的管理方法，具体包括以下步骤：
步骤一：终端节点、集中器节点和管理中心上电复位并进行系统初始化；
步骤二：终端节点外设初始化、栈协议初始化，搜索周围网络并申请加入，与集中器节点之间通过RX1278模块建立基于LoRa技术的通信连接；集中器节点与管理中心通过TCP/IP网络或UDP网络建立通信连接；
步骤三：管理中心根据设定通过网络下发指令信息至集中器节点，集中器节点通过SX1278模块以LoRa通信技术将该信息传输至终端节点的数据采集节点，控制数据采集节点的工作状态及采集周期；
步骤四：数据采集节点按照采集周期采集空气中的温湿度、土壤中的温湿度、光照强度以及二氧化碳浓度值，并将采集到的温湿度、光照强度以及二氧化碳浓度数据打包组帧，并将组帧后的数据通过SX1278模块以LoRa通信技术传输至集中器节点；集中器节点将接受到的数据通过网络传输给管理中心；
步骤五：管理中心将接收到的数据录入数据库中，并自动将采集所得的温湿度、光照强度与二氧化碳浓度的数据值与适宜草莓生长的环境区间值比照，根据比照结果做出决策指令；管理中心将该指令数据通过网络下传至集中器节点；集中器节点通过SX1278模块以LoRa通信技术继续将该指令数据下发至终端节点的开关控制节点，通过调整遮阳步进电机、洒水器开关以及二氧化碳释放器开关的工作状态来调整温室环境以适合草莓生长。
本发明的有益效果主要体现在:系统具有开发成本低、维护方便、功耗低和远距离实时管理的特点，便于集中管理和减少人力提高生产效率。
附图说明
图1是基于LoRa技术的草莓园管理系统的原理框图。
图2是系统终端节点的工作流程图。
图3是系统集中器节点的工作流程图。
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
具体实施方式
结合图1一种基于LoRa技术的草莓园环境管理系统包括终端节点、集中器节点和管理中心。
所述终端节点的传感器分别置于草莓园的各个温室中：温湿度传感器，一部分放入土壤中，以采集土壤的温度与湿度，一部分放置在空气中，采集温室中空气的温度与湿度；光照强度传感器采集光照的强度；二氧化碳传感器采集温室中二氧花碳的浓度。然后各个传感器将采集的数据传送给微控制器，微控制器将经过处理的数据通过SX1278模块发送给集中器节点，集中器节点将收到的数据通过NB-IoT或其他网络方式传输给管理中心。管理中心对收到的数据进行分析后作出决策，下发控制指令至集中器。同时集中器将收到的控制指令通过SX1278模块发送给终端节点的传感器与控制器，通过改变传感器与控制器的工作状态来改变草莓园温室中的环境。
结合图2终端节点的工作流程：终端节点上电后先进行复位，再进行外设的初始化，完成后搜索附近区域是否有可加入网络。如果搜索到网络则申请加入，成功后调用传感器采集程序，完成土壤温湿度值、空气温湿度值、二氧化碳浓度值和光照强度值得收集，之后将收集到的数据进行打包组帧，并通过SX1278模块将数据包发送给集中器。集中器通过连接管理中心的网络将该数据包发送至管理中心。管理中心将接收到的数据录入数据库中，并自动将采集所得的温湿度、光照强度与二氧化碳浓度的数据值与适宜草莓生长的环境区间值比照，根据比照结果做出决策指令。管理中心将该指令数据通过网络下传至集中器节点。集中器节点通过SX1278模块以LoRa通信技术继续将该指令数据下发至终端节点的开关控制节点，通过调整遮阳步进电机、洒水器开关以及二氧化碳释放器开关的工作状态来调整温室环境以适合草莓生长。
所述集中器节点包括MCU、电源模块、上行通信模块、键盘输入设备与指示灯、外部存储器、SX1278模块、复位电路和调试接口。
所述集中器节点进行软件开发前，须完成操作系统的移植。CentOS是常见的Linux系统之一，该系统有以下特点：完全免费，独有的yum命令，支持在线升级，可以及时更新系统，提升系统和资源管理功能，稳定的应用程序开发与生产平台。因此，本发明采用该Linux系统进行集中器节点的嵌入式软件开发。
结合图3集中器节点的工作流程是集中器节点将按照串口协议封装的数据变成TCP或UDP网络协议的封装形式，令数据可以借助移动通信网路等方式进行传输。以采用NB-IoT数据终端作为上行传输模块为例，描述集中器的主要工作流程，集中器节点上电后，启动CentOS系统，稳定后调用串口相关函数初始化串口，使之与协调器串口参数匹配，调用NB-IoT模块驱动程序初始化NB-IoT模块，并调用Socket函数与管理中心服务器建立网络连接。连接成功后等待串口信号，当串口信号到达后，提取数据并缓存，最后调用网络发送函数将数据通过UDP网络协议发送至管理中心服务器。
所述管理中心也是远程数据管理系统设计中重要的一环，整个系统的信息管理和控制命令都是从管理中心发出的。因此管理中心可以说是系统的大脑。管理中心的硬件主要由带固定IP的服务器构成，管理中心软件设计分为管理中心前台管理界面设计和后台数据库设计两个部分。系统设计时，软件结构采用B/S结构，结合SQL Server数据库，采用C#语言进行开发。
所述管理中心与集中器节点之间的无线通信采用的是C/S模式。管理中心在通信中充当的是服务器。系统管理中心是通过面向C/S模型的SocKet接收网关集中器节点传来的数据的。系统为客户端即网关模块随机分配一个Socket，而服务器端即管理中心管理平台拥有全局网络公认得Socket。
所述管理中心的系统后台数据库设计，目前比较流行的数据库主要有ACCESS、ORACLE、SQL Server和MYSQL等。通过比较，我们选择SQL Server数据库。数据库的设计包括创建管理中心数据库，数据库表的设计，数据库E-R图设计，存储过程创建等部分。其中创建数据库需根据系统要求设置数据库初始容量大小、文件增长率等选项，可采用编写SQL语句创建，也可以使用SQL Server软件菜单创建，数据库表是非常重要的对象，众多的数据库表组成了数据库，同样可采用前述两种方法。本发明中的数据库表应至少包含用户表、终端信息表、决策执行表、网络管理表、报警信息表等。E-R图主要用来描述数据表中实体与实体的关系，并将实体之间的关系通过主键、外键设置在图中形象地呈现出来，可为更好的设计数据库提供依据。存储过程创建相对容易，可使用T-SQL语句CREATE PROCEDURE来实现。
所述管理中心的数据库与应用软件间的连接采用ODBC技术，使得前台交互界面和后台的数据库可以进行交互。
所述管理中心的前台管理软件设计，前台管理软件界面是用户或管理员与系统进行交互的窗口，它负责处理用户或管理员的控制命令并将数据处理结果显示到管理软件界面上。在登录系统时，对登录人的身份进行判断并授予其不同的权限，保证系统安全；软件应能够按照要求处理各种信息，为用户或管理人员管理草莓园提供便利的帮助。根据系统环境特点和要求，前台管理软件主要提供以下几个模块的功能：
用户管理模块，用于管理使用该系统的用户并根据等级分配操作系统权限。权限管理是提高系统安全性的关键，既方便管理人员，也能阻止非法用户对管理系统的误操作。
软件基础设置模块，主要用于设置系统的一些参数，诸如草莓园数据采集频率，草莓温室中环境参数值的适宜区间设定，决策设定，报警值的设定和网络状态等。
控制操作模块，通过集中器节点实现对LoRa WAN网络终端节点的控制操作，控制终端节点是否发送数据，是否处于激活/休眠状态；控制终端节点的控制器工作状态。
数据查询模块，它包括实时数据查询模块和历史数据查询模块，主要用于查询LoRa无线传感器采集到的环境数据、各终端节点的工作状态等以及对数据库中存储的历史数据查询。
所述基于LoRa技术的草莓园环境管理系统设计，涉及温室环境的监测与调控，包括了终端节点和集中器节点。其中数据采集节点的传感器主要负责采集温室环境状态信息数据并采用LoRa通信技术将数据由传感器传输到集中器节点；开关控制节点的控制器主要负责接收由集中器节点传输过来的控制指令数据，根据指令对温室环境进行调整；集中器节点负责接收终端节点传感器发过来的数据信息，并将其远程传输到管理中心；集中器节点还负责接收管理中心传输过来的指令信息，并通过LoRa通信技术将指令信息传输到开关控制节点的控制器中，以控制其工作状态。本发明利用LoRa技术的低功耗、长距离通信等优点，可远程控制作物生长环境，解决了草莓园监测管理设施不便于现场布线、设备维护和长距离监测的问题，具有功耗低和远距离通信的特点。
Claims (4)
1.基于LoRa技术的草莓园环境管理系统，其特征在于：包括终端节点、集中器节点和管理中心；
所述的终端节点包括数据采集节点和开关控制节点，数据采集节点用来采集温室环境的信息数据，并采用LoRa通信技术将数据由数据采集节传输到集中器节点，同时数据采集节通过LoRa通信技术接收控制指令，开关控制节点通过LoRa通信技术接收来自集中器节点发来的信息，来控制洒水器开关与遮阳开关以达到改变温室环境的作用；集中器节点将接收到的数据信息远程传输到管理中心，以及控制终端节点的工作状态，集中器节点通过TCP/IP网络或UDP网络与管理中心连接；管理中心负责显示、记录草莓园环境数据信息，并根据信息情况下发信息给集中器节点；集中器节点根据接收信息来调整终端节点的工作状态，从而调整草莓园的环境状态，保障草莓园环境为最适合草莓生长的环境。
2.根据权利要求1所述的基于LoRa技术的草莓园环境管理系统，其特征在于：所述终端节点以单片机MSP430F149为核心。
3.根据权利要求1所述的基于LoRa技术的草莓园环境管理系统，其特征在于：所述终端节点中的数据采集节点包括温湿度传感器、光照强度传感器、二氧化碳传感器；所述的温湿度传感器采用数字式插针式DHT11温湿度传感器，光照强度传感器采用BH1750FVI数字光照强度传感器，二氧化碳传感器采用红外二氧化碳传感器；所述终端节点中的开关控制节点包括洒水器开关、遮阳开关和二氧化碳释放器开关。
4.根据权利要求1所述的基于LoRa技术的草莓园环境管理系统的管理方法，其特征在于：
步骤一：终端节点、集中器节点和管理中心上电复位并进行系统初始化；
步骤二：终端节点外设初始化、栈协议初始化，搜索周围网络并申请加入，与集中器节点之间通过RX1278模块建立基于LoRa技术的通信连接；集中器节点与管理中心通过TCP/IP网络或UDP网络建立通信连接；
步骤三：管理中心根据设定通过网络下发指令信息至集中器节点，集中器节点通过SX1278模块以LoRa通信技术将该信息传输至终端节点的数据采集节点，控制数据采集节点的工作状态及采集周期；
步骤四：数据采集节点按照采集周期采集空气中的温湿度、土壤中的温湿度、光照强度以及二氧化碳浓度值，并将采集到的温湿度、光照强度以及二氧化碳浓度数据打包组帧，并将组帧后的数据通过SX1278模块以LoRa通信技术传输至集中器节点；集中器节点将接受到的数据通过网络传输给管理中心；
步骤五：管理中心将接收到的数据录入数据库中，并自动将采集所得的温湿度、光照强度与二氧化碳浓度的数据值与适宜草莓生长的环境区间值比照，根据比照结果做出决策指令；管理中心将该指令数据通过网络下传至集中器节点；集中器节点通过SX1278模块以LoRa通信技术继续将该指令数据下发至终端节点的开关控制节点，通过调整遮阳步进电机、洒水器开关以及二氧化碳释放器开关的工作状态来调整温室环境以适合草莓生长。
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|---|---|---|---|---|
| CN110572791A (zh) * | 2019-09-02 | 2019-12-13 | 关祥 | 一种基于LoRa技术的信息传输系统 |
| CN112783103A (zh) * | 2019-11-07 | 2021-05-11 | 江苏师范大学 | 基于LoRa通信和PIλDμ控制的智慧农业监控系统 |
| CN113612633A (zh) * | 2021-07-26 | 2021-11-05 | 武汉丰天鼎业信息网络有限公司 | 一种管理lora设备的数据平台 |
Citations (1)
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| CN207502972U (zh) * | 2017-10-31 | 2018-06-15 | 北方智能装备有限公司 | 一种基于NB-IoT蜂窝物联网技术的大棚环境智能监测装置 |
-
2018
- 2018-11-13 CN CN201811345844.4A patent/CN109375600A/zh active Pending
Patent Citations (1)
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