CN113040062A - 一种基于LoRa无线广域网技术的畜舍环境远程监控系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于LoRa无线广域网技术的畜舍环境远程监控系统及方法，其关键在于，所述的监控系统包括采集终端设备、控制终端设备、LoRa网关以及阿里云服务器四部分；所述的采集终端设备包括数据采集模块、LoRa通信模块以及电源模块；所述的控制终端设备包括控制模块、LoRa通信模块以及电源模块；所述的LoRa网关包括主控板模块、LoRa通信模块、网络通信模块、触摸屏以及电源模块；所述的阿里云服务器包括Mysql数据库、可视化云平台；该系统将LoRa技术与GPRS技术相结合实现了对畜舍内多环境因子的实时采集、无线传输、数据存储以及控制设备的远程调控，可为畜舍环境监测与控制领域提供数据支持和参考。
Description
技术领域：
本发明属于智慧畜牧领域，尤其是一种基于LoRa无线广域网技术的畜舍环境远程监控系统及方法。
背景技术：
中国是畜牧业大国，其发展在国民经济中占有极其重要的地位。据国家统计局数据显示，2016年中国畜牧总产值达到30461.17亿元，首次突破3万亿元，未来随着对农业现代化技术的支持，总产值在2024年将要超过3.2万亿元。然而，不适宜的养殖环境将会降低生产率、导致疫病的爆发，进而影响生产效益。例如中国夏季气温在30℃以上的时间长达3月之久，这种高温环境易引起奶牛产奶量以及乳制品质量下降，犊牛死亡率约为3％～5％，造成的经济损失高达90亿～150亿元。因此，如何快速、准确地获取环境数据，实现畜舍环境自动调控成为畜牧养殖领域的一个重要课题。
在信息化技术不断发展的过程中，物联网技术在智慧农业监控领域得到了有效应用，其通过无线传感器网络技术(WSN)实现环境数据的采集、传输、处理、存储及操作等功能，极大地提高了农业的生产效率、减少对动物和环境的不利影响。目前，以LoRa为代表的低功耗无线广域网技术正在崛起，相比与传统的无线广域网蜂窝移动通信技术(如2G、3G、4G等)，这种通信技术能够连接并控制大量传感器，具有低功耗、低成本的优点。在精准畜牧业环境监控领域中，可利用LoRa技术获得更多类型的环境信息，对畜舍风机等控制设备进行远程调控，有助于全面准确掌握畜舍环境信息以及集中式控制管理。
发明内容：
本发明的目的在于：提供一种基于LoRa无线广域网技术的畜舍环境远程监控系统及方法，该系统通过LoRa低功耗广域网以及GPRS无线通信网络相互连接，形成畜舍环境信息采集、传输到信息处理、计算再到可视化平台对信息的获取、控制等一站式服务体系。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于LoRa无线广域网技术的畜舍环境远程监控系统及方法，包括采集终端设备、控制终端设备、LoRa网关以及阿里云服务器四部分；所述的采集终端设备包括数据采集模块、LoRa通信模块以及电源模块；所述的控制终端设备包括控制模块、LoRa通信模块以及电源模块；所述的LoRa网关包括主控板模块、LoRa通信模块、GPRS网络通信模块、触摸屏以及电源模块；所述的阿里云服务器包括Mysql数据库、可视化云平台。
优选地，所述的采集终端设备中的数据采集模块选用STM32F407作为主控芯片，通过串口通信完成温度、相对湿度、NH3、CO2、PM2.5以及光照等环境因子的数据采集，并将处理好的数据存储到内部存储器之中，其中NH3与CO2两种气体传感器采集到的模拟信号需要经过A/D转换成MCU可以处理的数字信号；所述的LoRa通信模块选用E32-433T20DC模组，3.3V供电，其嵌入高速低功耗单片机和高性能的射频芯片SX1278，发射电流为110mA，接收电流仅为14mA，该模块的M0、M1接口与所述主控芯片的PE0、PE1相连接，两者配合决定模块的工作模式，USART2_TX与USART2_RX表示LoRa模块TTL串口的输入与输出，连接MCU的PD5输出引脚与PD6输入引脚，实现数据传输，LED1灯闪烁表示LoRa模块开始工作，LED2灯闪烁表示LoRa模块处在发送/接收数据状态的一般模式；所述的主控芯片通过中断方式控制所述的射频芯片SX1278，一旦射频完成发送，立即进入休眠模式；所述的电源模块采用AMS1117-3.3降压型稳定器将5V电压稳定至3.3V，为采集终端设备的主控板、LoRa模块供电；
优选地，所述的控制终端设备中的控制模块采用STM32F103C8T6作为主控芯片，该主控芯片通过触发三极管S8050驱动继电器，完成所连接风机、湿帘以及加热器等环境设备的开启或关闭，主控芯片与所属三极管S8050相连的电阻R5大小为10K/0.25W，可保证基极为MA级电流实现三极管的导通与闭合；所述的继电器选用欧姆龙G4A-1A-PE，触点负载电流最大为20A；所述的控制终端设备的LoRa通信模块同采集终端设备相同，接收所述LoRa网关下发的控制指令并上传控制信息；所述的电源模块输入端为12V直流电压，并设置LM2596S-5.0与AS1117-3.3为主控板的GPIO口与LoRa模块等提供稳定的5V与3.3V电压，电压输出端最大容许接点电压为继电器线圈能够施加的最大值，即250VAC；
优选地，所述LoRa网关的主控板模块选用STM32F407为主控芯片，通过串口USART1与LoRa模块通信、USART2与GPRS网络通信模块通信、USART4与COOLMAY触摸屏通信，LED1灯闪烁表示CPU正常工作；所述的LoRa通信模块同采集终端与控制终端相同，LED2灯闪烁表示LoRa正常通信；所述GPRS网络通信模块采用移远M26模组，主控芯片第5与该模块第7引脚PWRKEY相连，实现对M26模块的开/关控制；所述M26模组的第14引脚SIM_VDD为SIM卡提供3.0V电压，第11引脚SIM_DATA为SIM卡数据线，LED3灯闪烁表示开启网络状态指示；所述的SIM卡为中国移动4G卡，卡上存储了用户信息、加密密钥以及用户信息等内容；所述的触摸屏为COOLMAYMT6000系列，自带U盘存储，支持MODBUS协议；所述的电源模块采用型号为LRS-75-12为主控板提供稳定可靠的12V直流电压，其工作效率高达90％；
优选地，所述的阿里云服务器中的Mysql数据库执行删除、添加、查询及修改等命令，并更新所述LoRa网关的采样频率和控制终端设备的开关状态；所述的可视化云平台包括电脑端与手机端。
优选地，所述的采集终端设备、控制终端设备与LoRa网关之间采用星型组网方式。
本发明提出基于LoRa无线广域网技术的畜舍环境远程监控系统及方法，与现有技术相比，具有以下优点：
(1)采用LoRa无线广域网技术与GPRS技术完成了采集设备终端、控制设备终端、LoRa网关以及阿里云服务器之间的通信，实现了对畜舍环境的远程监控，该系统功耗低、成本低、抗干扰性强，可快速、准确地获取环境数据，实现畜舍环境自动调控；
(2)该系统将采集到的数据分别显示在电脑端、微信小程序端以及COOLMAY触摸屏中，电脑端方便养猪场管理人员远程查看数据并对风机、加热器等设备进行人工操作，而微信小程序与触摸屏端具有移动性，对工作人员实地操作具有优势。
附图说明
图1为本发明的畜舍环境监控系统整体架构图；
图2为本发明的LoRa模块电路原理图；
图3为本发明的继电器控制电路图；
图4为本发明的GPRS网络通信电路原理图；
图5为本发明的可视化平台界面展示图；
具体实施方式
本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，下面结合附图和具体实施例详细描述一下本发明的具体内容：
如图1所示，基于LoRa无线广域网技术的畜舍环境远程监控系统及方法包括采集终端设备、控制终端设备、LoRa网关以及阿里云服务器四部分；该系统通过采集终端设备可获取畜舍环境内的温度、相对湿度、氨气(NH3)、二氧化碳(CO2)、粉尘(PM2.5)以及光照等多个环境因子的数据，并经LoRa模块上传至LoRa网关；控制终端设备通过LoRa模块接收LoRa网关下发的控制指令，可实现对畜舍内风机、湿帘、加热器等相关设备的远程调控；LoRa网关作为网络中继节点，一方面将环境采集数据通过RS485串口技术显示在COOLMAY触摸屏中，另一方面使用GPRS网络与网络云平台建立通信，采用TCP/IP技术将环境数据打包处理后上传至阿里云服务器，并接收来自云服务器的指令信息；阿里云服务器通过Http与Https协议与可视化平台进行数据传输，其中可视化平台包括电脑端与微信小程序端。
所述的采集终端设备选用STM32F407作为主控芯片，该芯片具有定时器、多通道的DMA控制器、USART、多个12位快速ADC、RST以及GPIO等模块，内核为基于超低功耗的Cortex-M4，可最大程度减少功率损耗，满足采集终端的功能需求；所述的主控芯片通过串口通信完成温度、相对湿度、NH3、CO2、PM2.5以及光照等环境因子的数据采集，并将处理好的数据存储到内部存储器之中；其中，NH3与CO2两种气体传感器采集到的模拟信号需要经过A/D转换成MCU可以处理的数字信号，该串口通信模块普遍应用于其他无线通信，例如蓝牙、4G等，可增加硬件系统的总体性能；
如图2所示，所述的采集终端设备中的LoRa通信模块选用E32-433T20DC模组，3.3V供电，其嵌入高速低功耗单片机和高性能的射频芯片SX1278，发射电流为110mA，接收电流仅为14mA，该模块的M0、M1接口与所述主控芯片的PE0、PE1相连接，两者配合决定模块的工作模式，USART2_TX与USART2_RX表示LoRa模块TTL串口的输入与输出，连接MCU的PD5输出引脚与PD6输入引脚，实现数据传输，LED1灯闪烁表示LoRa模块开始工作，LED2灯闪烁表示LoRa模块处在发送/接收数据状态的一般模式，所述的主控芯片通过中断方式控制所述的射频芯片SX1278，一旦射频完成发送，立即进入休眠模式；
所述的采集终端设备中的电源模块采用AMS1117-3.3降压型稳定器将5V电压稳定至3.3V，为采集终端设备的主控板、LoRa模块供电；
所述的采集终端搭配433M频段的天线，其增益为2.5bBi，可有效增加通信距离；
如图3所示，所述的控制终端设备中的控制模块采用STM32F103C8T6作为主控芯片，该主控芯片通过触发三极管S8050驱动继电器，完成所连接风机、湿帘以及加热器等环境设备的开启或关闭，主控芯片与所属三极管S8050相连的电阻R5大小为10K/0.25W，可保证基极为MA级电流实现三极管的导通与闭合；
所述的继电器选用欧姆龙G4A-1A-PE，触点负载电流最大为20A，一方面继电器线圈两端反向并联可消除感生电动势的带来的有害影响，另一方面在继电器与输出端之间添加了保险丝可防止电流过大，起到保护电路的作用。继电器选用欧姆龙G4A-1A-PE，触点负载电流最大为20A；
所述的控制终端设备的LoRa通信模块同采集终端设备相同，接收所述LoRa网关下发的控制指令并上传控制信息；
所述的电源模块输入端为12V直流电压，并设置LM2596S-5.0与AS1117-3.3为主控板的GPIO口与LoRa模块等提供稳定的5V与3.3V电压，电压输出端最大容许接点电压为继电器线圈能够施加的最大值，即250VAC；
所述LoRa网关的主控板模块选用STM32F407为主控芯片，通过串口USART1与LoRa模块通信、USART2与GPRS网络通信模块通信、USART4与COOLMAY触摸屏通信，LED1灯闪烁表示CPU正常工作；
所述LoRa网关中的LoRa通信模块同采集终端与控制终端相同，LED2灯闪烁表示LoRa正常通信；
如图4所示，所述GPRS网络通信模块采用移远M26模组，主控芯片第5与该模块第7引脚PWRKEY相连，实现对M26模块的开/关控制；所述M26模组的第14引脚SIM_VDD为SIM卡提供3.0V电压，第11引脚SIM_DATA为SIM卡数据线，LED3灯闪烁表示开启网络状态指示；此外，所述的M26模组提供了一个RF焊盘接口供连接具有50Ω特性阻抗的GSM外部天线接口。该天线增益为3dBi，接收功率与发射功率分别在869～894MHz、824～849MHz的工作范围内。
所述的SIM卡为中国移动4G卡，卡上存储了用户信息、加密密钥以及用户信息等内容，满足了智能硬件和智能农业对设备联网的管理需求；
所述的触摸屏为COOLMAYMT6000系列，自带U盘存储，支持MODBUS协议；
所述的电源模块采用型号为LRS-75-12为主控板提供稳定可靠的12V直流电压，其工作效率高达90％；
所述的采集终端设备、控制终端设备与LoRa网关之间采用星型组网方式，既降低了终端设备的功耗和硬件规模，同时也减小了无线通信的负载，增加了环境数据采集与控制的适用范围。
所述的阿里云服务器存储LoRa网关上传的各类数据与信息，并对其进行分析与处理；
所述的可视化平台访问页面主要使用html、css、js开发，通过Https、Http协议向服务器发出功能操作请求，对Mysql数据库执行删除、添加、查询及修改等命令，对数据进行展示并实现与用户的交互，同时更新LoRa网关的采样频率和控制终端的开关状态；
如与5所示，所述的可视化平台将采集到的数据分别显示在电脑端、微信小程序端以及COOLMAY触摸屏中，图(a)、(b)、(c)分别为电脑端数据走势分析页面、微信小程序端受控设备管理页面以及触摸屏数据显示界面。电脑端方便养殖场管理人员远程查看数据并对风机、加热等设备进行人工操作，而小程序端与触摸屏拥有移动性，对工作人员实地操作具有优势。
本系统于2019/12/20日至2020/3/15日，在东北农业大学阿城荷斯坦奶牛实验基地，对基于LoRa无线广域网技术的畜舍环境远程监控系统及方法进行实验，在通信范围为604m内的复杂环境内，4个牛舍分别采集了6140组数据，丢包率小于1％，通信成功率在99％以上，证明该系统稳定可靠，数据获取便捷、命令响应及时，可为畜舍环境监测与控制领域提供数据支持和参考。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于LoRa无线广域网技术的畜舍环境远程监控系统及方法，包括采集终端设备、控制终端设备、LoRa网关以及阿里云服务器四部分；所述的采集终端设备包括数据采集模块、LoRa通信模块以及电源模块；所述的控制终端设备包括控制模块、LoRa通信模块以及电源模块；所述的LoRa网关主要包括主控板模块、LoRa通信模块、GPRS网络通信模块、触摸屏以及电源模块；所述的阿里云服务器主要包括Mysql数据库、可视化云平台。
2.根据权利要求1所述的采集终端设备，其特征在于，所述的数据采集模块选用STM32F407作为主控芯片，通过串口通信完成温度、相对湿度、NH3、CO2、PM2.5以及光照等环境因子的数据采集，并将处理好的数据存储到内部存储器之中，其中NH3与CO2两种气体传感器采集到的模拟信号需要经过A/D转换成MCU可以处理的数字信号；所述的LoRa通信模块选用E32-433T20DC模组，3.3V供电，其嵌入高速低功耗单片机和高性能的射频芯片SX1278，发射电流为110mA，接收电流仅为14mA，该模块的M0、M1接口与所述主控芯片的PE0、PE1相连接，两者配合决定模块的工作模式，USART2_TX与USART2_RX表示LoRa模块TTL串口的输入与输出，连接MCU的PD5输出引脚与PD6输入引脚，实现数据传输，LED1灯闪烁表示LoRa模块开始工作，LED2灯闪烁表示LoRa模块处在发送/接收数据状态的一般模式；所述的电源模块采用AMS1117-3.3降压型稳定器将5V电压稳定至3.3V，为采集终端设备的主控板、LoRa模块供电。
3.根据权利要求1所述的控制终端设备，其特征在于，所述的控制模块采用STM32F103C8T6作为主控芯片，该主控芯片通过触发三极管S8050驱动继电器，完成所连接风机、湿帘以及加热器等环境设备的开启或关闭，主控芯片与所属三极管S8050相连的电阻R5大小为10K/0.25W，可保证基极为MA级电流实现三极管的导通与闭合；所述的继电器选用欧姆龙G4A-1A-PE，触点负载电流最大为20A；所述的控制终端设备的LoRa通信模块同采集终端设备相同，接收所述LoRa网关下发的控制指令并上传控制信息；所述的电源模块输入端为12V直流电压，并设置LM2596S-5.0与AS1117-3.3为主控板的GPIO口与LoRa等模块提供稳定的5V与3.3V电压，电压输出端最大容许接点电压为继电器线圈能够施加的最大值，即250VAC。
4.根据权利要求1所述的LoRa网关，其特征在于，所述的主控板模块选用STM32F407为主控芯片，通过串口USART1与LoRa模块通信、USART2与GPRS网络通信模块通信、USART4与COOLMAY触摸屏通信，LED1灯闪烁表示CPU正常工作；所述的LoRa通信模块同采集终端与控制终端相同，LED2灯闪烁表示LoRa正常通信；所述GPRS网络通信模块采用移远M26模组，主控芯片第5与该模块第7引脚PWRKEY相连，实现对M26模块的开/关控制；所述的触摸屏为COOLMAYMT6000系列，自带U盘存储，支持MODBUS协议；所述的电源模块采用型号为LRS-75-12为主控板提供稳定可靠的12V直流电压，其工作效率高达90％。
5.根据权利要求1所述的阿里云服务器，其特征在于，所述的Mysql数据库执行删除、添加、查询及修改等命令，并更新所述LoRa网关的采样频率和控制终端设备的开关状态；所述的可视化云平台包括电脑端与手机端。
6.根据权利要求1所述的一种基于LoRa无线广域网技术的畜舍环境远程监控系统及方法，其特征在于，所述的采集终端设备、控制终端设备与LoRa网关之间采用星型组网方式。
7.根据权利要求2所述的主控芯片，其特征在于，通过中断方式控制所述的射频芯片SX1278，一旦射频完成发送，立即进入休眠模式。
8.根据权利要求4所述的M26模组，其特征在于，M26模组的第14引脚SIM_VDD为SIM卡提供3.0V电压，第11引脚SIM_DATA为SIM卡数据线，LED3灯闪烁表示开启网络状态指示。
9.根据权利要求4所述的SIM卡，其特征在于，该卡为中国移动4G卡，卡上存储了用户信息、加密密钥以及用户信息等内容。
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2021
- 2021-04-09 CN CN202110381791.7A patent/CN113040062A/zh active Pending
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