CN112783103A - 基于LoRa通信和PIλDμ控制的智慧农业监控系统 - Google Patents

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Abstract

基于LoRa通信和PIλDμ控制的智慧农业监控系统，包括信息采集节点、信息汇聚节点、用户管理监测中心。系统底层传感器对农业大田环境信息进行采集，通过LoRa传输模块将数据汇集并上传至管理监测中心，供用户监控管理，实时调度。系统配有专门的继电器模块，并通过分数阶PIλDμ控制来实现环境中的温湿度调节。本发明利用LoRa通信和分数阶PIλDμ控制可有效扩展系统通信距离，增强系统抗干扰性，提高系统的智能化、精准化，对于现代农业可持续发展具有重要意义。

Description

基于LoRa通信和PIλDμ控制的智慧农业监控系统
技术领域
本发明涉及智慧农业，具体涉及一种基于LoRa通信和分数阶PIλDμ控制的智慧农业监控系统。
背景技术
随着物联网技术与产业的蓬勃发展，在农业科技领域的相关研究引起了越来越多的关注，其应用前景被日趋重视，所谓“智慧农业”应运而生。它是以农作物环境生长因子为着眼点，将环境中的温湿度、光照强度、CO2浓度等参数作为控制目标，从而实现数据采集、传输、监测和调控，克服了传统农业信息匮乏、效率低下、经济性差等缺点。
目前大多数农业信息采集系统主要基于ZigBee技术和RS485总线技术。但ZigBee这种技术存在明显的缺陷，比如传输距离近、抗干扰能力差、穿透能力弱，尤其是随着农作物的生长，植株密度、高度会严重影响Zigbee的数据传输，集中表现为应用现场时常会发生接收不到数据的情况。在实现智能灌溉的应用场景下，出现这种数据无法传输的情况尤为严重，从而影响农业生产企业对农作物的管理，甚至会导致经济受损等严重的后果。RS485总线虽然传输距离远，抗干扰性强，但考虑到农田往往范围广阔、占地面积较大、植被茂密，倘若仅仅依靠RS485总线来实现底层信息的采集传输，则布线成本会比较高昂，施工作业也较为困难。除通信方面的缺陷外，这类系统往往也缺乏有效的环境调控措施，大多数依然采用手工或常规PID控制器进行调控，使得系统效率低下，成本昂贵，不符合农业信息现代化发展要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于LoRa通信和分数阶PIλDμ控制的智慧农业监控系统，以扩大传统农业信息系统工作范围，增强系统抗干扰性，提高系统智能化水平。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案具体如下：
一种基于LoRa通信和分数阶PIλDμ控制的智慧农业监控系统，包括信息采集节点、信息汇聚节点和用户管理监控中心；
信息采集节点包括微处理器模块、485型传感器组模块、通信模块、继电器模块、用于连接传感器组与微处理器的TTL转RS485接口模块、用于提供不同电压伏值的电源模块；其中，微处理器模块作为信息采集节点的核心控制着整个节点的工作运行；485型传感器组模块负责采集农业大田多种环境信息；通信模块可以实现采集节点与汇聚节点之间的通信；继电器模块控制相关温湿度调节器；
信息汇聚节点模块包括微处理器模块、通信模块、液晶显示模块、电源模块其中，通信模块实现信息采集节点和信息汇聚节点之间的通信、信息汇聚节点与用户管理监测中心的服务器之间的通信；液晶显示模块将各个信息采集节点所测数据显示出来；微处理器模块、电源模块则与信息采集节点中的微处理器模块、电源模块相同；
用户管理监控中心由服务器和客户端组成，用户在客户端进行信息查询和对底层下达指令。
进一步的，所述微处理器模块是以STM32F103ZET6为核心的单片机系统，它包括主控芯片、时钟电路和外围电路。
进一步的，所述485型传感器组模块包括若干型号传感器，用于采集空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、风速风向等信息，每个传感器都配有四芯电缆线，两根为电源线，两根为RS485的A、B线。
进一步的，所述信息采集节点通信模块采用LoRa无线通信模块；所述信息汇聚节点通信模块采用LoRa通信模块和GPRS无线通信模块。
进一步的，所述继电器模块由单片机通过分数阶PIλDμ控制的方式来控制模块的动作，实现种植环境的温湿度调节。
进一步的，所述电源模块由220VAC转12VDC和5VD的电源适配器以及AMS1117-3.3V降压芯片搭配使用。
进一步的，所述信息采集节点与信息汇聚节点之间LoRa网络拓扑结构采取星型结构，若干信息采集节点连接同一个汇聚节点，实现数据的汇集。
进一步的，所述管理监控中心采用客户端/服务器架构，GPRS建立TCP连接服务器，实现汇聚节点与服务器的双向通信；服务器端与客户端通过Socket接口建立通信连接，供信息获取及实时调度
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的一种基于LoRa通信和分数阶PIλDμ控制的智慧农业监控系统采用LoRa通信技术，能够大大提高了系统信息传输距离，增强了系统网络抗干扰性,同时由于两种技术的结合，使得系统在现场安装难度减小，成本得到节约；通过布置大量的底层信息采集节点进行采集，实现了全方位环境信息监测，让人们能够对整个农作物生长因子有着清楚的了解；通过采用分数阶PIλDμ，利用微处理器通过分数阶PIλDμ控制算法控制继电器模块动作，实现了农业环境的智能温湿度调节。
附图说明
图1为本发明的整体框架图
图2为本发明的硬件(信息采集节点、汇聚节点)结构图
图3为本发明的LoRa通信模块
图4为本发明的GPRS通信模块
图5为本发明的TTL转RS485模块
图6为本发明的液晶显示模块
图7为本发明的电源模块本
图8为本发明的信息采集节点工作流程图
图9为本发明的信息汇聚节点工作流程图
图10为本发明的基于分数阶PIλDμ的温湿度调节工作流程图。
具体实施方式：
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明进一步进行说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案，本发明实施中的技术手段为本研究领域的常用技术，所用原件为市场所购。
实施例
如图1所示，为一种基于LoRa通信和分数阶PIλDμ控制的智慧农业监控系统整体框架，它包括：信息采集节点、信息汇聚节点、用户管理监测中心三部分；
如图2所示：所述信息采集节点包括微处理器模块、485型传感器组模块、通信模块、继电器模块、用于连接传感器组与微处理器的TTL转RS485接口模块、用于提供不同电压伏值的电源模块。其中，微处理器模块作为信息采集节点的核心控制着整个节点的工作运行；485型传感器组模块负责采集农业大田多种环境信息；通信模块可以实现信息采集节点与信息汇聚节点之间的通信；继电器模块控制温湿度调节器。
如图2所示：所述信息汇聚节点模块包括微处理器模块、通信模块、液晶显示模块、电源模块。其中，通信模块实现信息采集节点和信息汇聚节点之间的通信、信息汇聚节点与用户管理监测中心的服务器之间的通信；液晶显示模块将各个信息采集节点所测数据显示出来，供相关人员查看；其他模块功能则与信息采集节点的模块功能一样。
所述用户管理监控中心由服务器和客户端组成，用户可在客户端查询相关信息以及对底层指令的下达。
所述的微处理器模块采用以STM32F103ZET6为核心的单片机最小系统，它包括主控芯片、时钟电路和其他外围电路组成。
所述的485传感器组模块包括多种型号传感器，用于采集空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、风速风向等信息，每个传感器都配有四芯电缆线，两根为电源线，两根为RS485的A、B线。
如图3所示：所述的信息采集节点、汇聚节点的LoRa通信模块均采用安信可LoRa系列模块中的Ra-01，模块通过SPI接口与单片机相连，4根SPI总线(SCK、MISO、MOSI、NSS)分别与STM32的四个PA口相连，从而实现STM32与LoRa模块的双向通信。
如图4所示：所述的信息汇聚节点的GPRS通信模块采用SIMCom公司生产的SIM900AGPRS无线通信模块，可以通过USB转TTL模块与PC端相连，进行在线调试。
所述的继电器模块由单片机来控制模块动作，实现环境温湿度的调节，而控制规律则由单片机软件设计实现的。
如图5所示：所述的TTL转RS485接口模块采用MAX485芯片，以实现传感器组与主控芯片的连接。
如图6所示所述的液晶显示模块采用TFT液晶显示模块ILI9341，通过STM32的FSMC接口进行驱动，用户可以通过液晶显示模块实时查看底层节点的传感器数据。
如图7所示：所述的电源模块由220VAC转12VDC和5VD的电源适配器以及AMS1117-3.3V降压芯片搭配使用，可以满足不同模块所需不同的工作电压。
信息采集节点工作流程图如图8所示，信息采集节点接收信息汇聚节点下发指令后进行数据帧校验，校验正确后，根据命令进行数据采集并通过LoRa网络上传至信息汇聚节点，上传结束后进入sleep模式，等待下一次命令。
信息汇聚节点工作流程图如图9所示，信息汇聚节点接收管理监测中心下发指令，然后将采集指令再下发至信息采集节点，当信息汇聚节点接收到信息采集节点上传的数据后，对数据进行处理然后再次将数据上传至管理监测中心。
基于分数阶PIλDμ控制的温湿度调节工作流程图如图10所示，系统设置一定的温湿度阈值范围，当信息采集节点检测到温湿度不在阈值范围时，启动系统单片机对继电器模块进行控制。为了能更加清晰地表明分数阶控制器的性能，本发明给出一个MATLAB仿真算例。根据控制对象温室大棚的本质特性，设其传递函数为一阶滞后惯性环节
Figure BDA0002263395880000041
应用经典的Z-N法，整定PID控制器参数，而分数阶PIλDμ分别的阶次取λ＝μ＝0.5。通过最终仿真图可以发现，相较于常规PID控制器，PIλDμ控制系统的响应速度快、调节时间短、超调量小，获得了满意的效果。
所述的理监控中心采用客户端/服务器(C/S)架构，GPRS建立TCP连接服务器，实现汇聚节点与服务器的双向通信。服务器端与客户端通过Socket接口建立通信连接，供用户获取相关信息以及实时调度。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (8)

1.基于LoRa通信和PIλDμ控制的智慧农业监控系统，其特征在于，包括信息采集节点、信息汇聚节点和用户管理监控中心；
信息采集节点包括微处理器模块、485型传感器组模块、通信模块、继电器模块、用于连接传感器组与微处理器的TTL转RS485接口模块、用于提供不同电压伏值的电源模块；其中，微处理器模块作为信息采集节点的核心控制着整个节点的工作运行；485型传感器组模块负责采集农业大田多种环境信息；通信模块可以实现采集节点与汇聚节点之间的通信；继电器模块控制相关温湿度调节器；
信息汇聚节点模块包括微处理器模块、通信模块、液晶显示模块、电源模块其中，通信模块实现信息采集节点和信息汇聚节点之间的通信、信息汇聚节点与用户管理监测中心的服务器之间的通信；液晶显示模块将各个信息采集节点所测数据显示出来；微处理器模块、电源模块则与信息采集节点中的微处理器模块、电源模块相同；
用户管理监控中心由服务器和客户端组成，用户在客户端进行信息查询和对底层下达指令。
2.根据权利要求1所述的基于LoRa通信和PIλDμ控制的智慧农业监控系统，其特征在于：所述微处理器模块是以STM32F103ZET6为核心的单片机系统，它包括主控芯片、时钟电路和外围电路。
3.根据权利要求1所述的基于LoRa通信和PIλDμ控制的智慧农业监控系统，其特征在于：所述485型传感器组模块包括若干型号传感器，用于采集空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、风速风向等信息，每个传感器都配有四芯电缆线，两根为电源线，两根为RS485的A、B线。
4.根据权利要求1所述的基于LoRa通信和PIλDμ控制的智慧农业监控系统，其特征在于：所述信息采集节点通信模块采用LoRa无线通信模块；所述信息汇聚节点通信模块采用LoRa通信模块和GPRS无线通信模块。
5.根据权利要求1所述的基于LoRa通信和PIλDμ控制的智慧农业监控系统，其特征在于：所述继电器模块由单片机通过分数阶PIλDμ控制的方式来控制模块的动作，实现种植环境的温湿度调节。
6.根据权利要求1所述的基于LoRa通信和PIλDμ控制的智慧农业监控系统，其特征在于：所述电源模块由220VAC转12VDC和5VD的电源适配器以及AMS1117-3.3V降压芯片搭配使用。
7.根据权利要求1所述的基于LoRa通信和PIλDμ控制的智慧农业监控系统，其特征在于：所述信息采集节点与信息汇聚节点之间LoRa网络拓扑结构采取星型结构，若干信息采集节点连接同一个汇聚节点，实现数据的汇集。
8.根据权利要求1所述的基于LoRa通信和PIλDμ控制的智慧农业监控系统，其特征在于：所述管理监控中心采用客户端/服务器架构，GPRS建立TCP连接服务器，实现汇聚节点与服务器的双向通信；服务器端与客户端通过Socket接口建立通信连接，供信息获取及实时调度。
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