CN208016576U - 一种基于LoRa通信技术的农田信息采集灌溉系统 - Google Patents

一种基于LoRa通信技术的农田信息采集灌溉系统 Download PDF

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赵全明
范书瑞
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Abstract

本实用新型公开了一种基于LoRa通信技术的农田信息采集灌溉系统包括滴灌设备、汇总节点、终端采集节点和人机交互触摸屏；所述汇总节点通过串口线与人机交互触摸屏连接；若干个终端采集节点通过LoRa无线网络与汇总节点连接；若干个滴灌设备与各自的终端采集节点通过串口线连接。本实用新型采用LoRa无线通信技术，系统设定工作中心频率在433MHz，避免了2.4GHz的同频干扰，并且组网方式灵活多样，稳定无线传输距离在3000米以上，可以实现大型农田的信息采集传输。

Description

一种基于LoRa通信技术的农田信息采集灌溉系统
技术领域
本实用新型涉及数据传输领域，具体是一种基于LoRa通信技术的农田信息采集灌溉系统。
背景技术
水资源是人类赖以生存的源泉。现阶段水资源短缺已经严重影响农业的生产，节水灌溉迫在眉睫。目前，人们越来越重视把现代科学技术与农业技术相结合，用以提升农业生产的效率，减少浪费。如何能够提高农作物产量又不浪费水资源的关键在于更准确、及时的获取农田的相关信息，进而指导节水灌溉。当下，在大多数农田灌溉系统中，一部分采用自动化滴灌技术可以实现一体化滴灌，但是装置不能采集农田相关信息，无法为滴灌提供科学的参照。另外一些农田信息采集系统运用Zigbee、WiFi、蓝牙等无线传输技术将农田采集信息进行无线传输。这种方法只适用于小型农田中短距离传输，若针对大型农田系统，就必须加入中继节点，这样就增加了系统的复杂度，造价很高。另外传统的无线传输技术还存在着功耗较高和同频干扰等缺点。
实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种基于LoRa通信技术的农田信息采集灌溉系统。
本实用新型解决所述技术问题的技术方案是，提供一种基于LoRa通信技术的农田信息采集灌溉系统包括滴灌设备，其特征在于该系统还包括汇总节点、终端采集节点和人机交互触摸屏；所述汇总节点通过串口线与人机交互触摸屏连接；若干个终端采集节点通过LoRa无线网络与汇总节点连接；若干个滴灌设备与各自的终端采集节点通过串口线连接；
所述汇总节点包括汇总节点LoRa通信模块、汇总节点串口通信模块、汇总节点控制模块、汇总节点供电模块和汇总节点操作模块；所述汇总节点LoRa通信模块与汇总节点控制模块连接；所述汇总节点串口通信模块分别与汇总节点控制模块和人机交互触摸屏连接；所述汇总节点控制模块分别与汇总节点供电模块和汇总节点操作模块连接；
所述终端采集节点包括终端采集控制模块、终端采集供电模块、终端采集控制驱动模块、终端采集LoRa通信模块、终端采集操作模块、CO2浓度传感器、土壤温湿度传感器、光照度传感器和空气温湿度传感器；所述终端采集LoRa通信模块与汇总节点LORA通信模块连接；所述终端采集控制模块分别与终端采集供电模块、终端采集控制驱动模块、终端采集LoRa通信模块、终端采集操作模块、CO2浓度传感器、土壤温湿度传感器、光照度传感器和空气温湿度传感器连接；所述终端采集控制驱动模块与滴灌设备连接。
与现有技术相比，本实用新型有益效果在于：
1、本实用新型采用LoRa无线通信技术，系统设定工作中心频率在433MHz，避免了2.4GHz的同频干扰，并且组网方式灵活多样，稳定无线传输距离在3000米以上，可以实现大型农田的信息采集传输；
2、系统终端采集节点均采用低功耗设计并使用蓄电池供电，避免了农田系统中布线困难、功耗过高等问题；
3、系统通过比较采集的农田信息参数是否在设定的阈值范围内来进行自动化滴灌，可以确保农作物在不同时期都处于最适宜生长的土壤湿度，一方面节约了水资源，另一方面有利于农作物生长；
4、采用人机交互触摸屏，人机界面具有实时显示采集数据、设定自动灌溉阈值范围、参数过高报警、密码保护等功能，可以使得系统操作更加安全、高效、简便，实现农田的自动灌溉。
5、该系统能够实现农田信息采集、无线传输、实时显示，智能灌溉、及时报警、远程控制等功能，是一种低成本、低能耗的农田信息采集灌溉系统。
附图说明
图1为本实用新型基于LoRa通信技术的农田信息采集灌溉系统一种实施例的整体结构框图；
图2为本实用新型基于LoRa通信技术的农田信息采集灌溉系统一种实施例的汇总节点结构框图；
图3为本实用新型基于LoRa通信技术的农田信息采集灌溉系统一种实施例的终端采集节点结构框图；(图中：1、汇总节点；101、汇总节点LoRa通信模块；102、汇总节点串口通信模块；103、汇总节点控制模块；104、汇总节点供电模块；105、汇总节点操作模块；2、终端采集节点；201、终端采集控制模块；202、终端采集供电模块；203、终端采集控制驱动模块；204、终端采集LoRa通信模块；205、终端采集操作模块；206、CO2浓度传感器；207、土壤温湿度传感器；208、光照度传感器；209、空气温湿度传感器；3、滴灌设备；4、人机交互触摸屏)
具体实施方式
下面将对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型提供了一种基于LoRa通信技术的农田信息采集灌溉系统(参见图1-3，简称系统)包括滴灌设备3，其特征在于该系统还包括汇总节点1、终端采集节点2和人机交互触摸屏4；所述汇总节点1基于Modbus协议通过串口线与人机交互触摸屏4连接，进行数据通信；若干个终端采集节点2通过LoRa无线网络与汇总节点1连接，进行数据传输；若干个滴灌设备3与各自的终端采集节点2通过串口线连接，进行滴灌控制；终端采集节点2作为农田数据信息的直接获取者，通过不同种类和不同数量的传感器，可以实现对农田数据信息的多角度采集；
所述汇总节点1包括汇总节点LoRa通信模块101、汇总节点串口通信模块102、汇总节点控制模块103、汇总节点供电模块104和汇总节点操作模块105；所述汇总节点LoRa通信模块101与汇总节点控制模块103连接；所述汇总节点串口通信模块102分别与汇总节点控制模块103和人机交互触摸屏4连接；所述汇总节点控制模块103分别与汇总节点供电模块104和汇总节点操作模块105连接；当人机交互触摸屏4与汇总节点1通信时，汇总节点串口通信模块102将RS232协议的负逻辑电平转换为汇总节点控制模块103内部通信接口UART(通用异步收发传输器)可识别的LVTTL标准，实现将人机交互触摸屏4与汇总节点1之间的通信；
所述汇总节点串口通信模块102的型号是PL2303，采用MAX232芯片；
所述汇总节点控制模块103采用STM8L105型号的单片机，进行数据收发控制、数据处理等；
所述终端采集节点2包括终端采集控制模块201、终端采集供电模块202、终端采集控制驱动模块203、终端采集LoRa通信模块204、终端采集操作模块205、CO2浓度传感器206、土壤温湿度传感器207、光照度传感器208和空气温湿度传感器209；所述终端采集LoRa通信模块204与汇总节点LORA通信模块101无线连接，完成汇总节点1与终端采集节点2之间的组网；所述终端采集控制模块201分别与终端采集供电模块202、终端采集控制驱动模块203、终端采集LoRa通信模块204、终端采集操作模块205、CO2浓度传感器206、土壤温湿度传感器207、光照度传感器208和空气温湿度传感器209连接；所述终端采集控制驱动模块203与滴灌设备3连接，完成滴灌设备的起停功能；
所述终端采集控制模块201的型号是stm32f103zet6；
所述汇总节点供电模块104和终端采集供电模块202的型号均为AMS1117-3.3，将5V直流电压转换为稳定的3.3V直流电压，为汇总节点1或终端采集节点2供电；
所述终端采集控制驱动模块203由光耦芯片EL817S和继电器HLS8L-DC24V组成；
所述汇总节点操作模块105和终端采集操作模块205的型号均为VS-04K拨码开关；
所述CO2浓度传感器206的型号是MG811；所述土壤温湿度传感器207的型号是SHT11-O1D；所述光照度传感器208的型号是BH1750FV；所述空气温湿度传感器209的型号是DHT22。
所述汇总节点LoRa通信模块101和终端采集LoRa通信模块204的芯片均采用SX1278射频芯片；
所述光照度传感器208的时钟线(SCL)与数据线(SDA)引脚连接终端采集控制模块201的P6_0和P6_1引脚，完成数据传输；所述CO2浓度传感器206的模拟信号输出(AOUT)、TTL电平信号输出(DOUT)和温度补偿(TCM)分别连接终端采集控制模块201的P7_0、P7_1和P7_2引脚，完成数据传输；所述土壤温湿度传感器207的时钟线(SCL)与数据线(SDA)分别连接终端采集控制模块201的P8_0和P8_1引脚，完成数据传输；所述空气温湿度传感器209连接终端采集控制模块201的P9_0引脚，完成数据传输；所述终端采集LoRa通信模块204通过SPI总线连接终端采集控制模块201，完成数据传输；所述终端采集驱动模块203的PA0引脚连接终端采集控制模块201的PG0引脚，完成通信；
所述汇总节点1的功能是在远端接收终端采集节点2采集的农田现场的环境和开关量信息，通过汇总节点控制模块103分析处理这些信息并基于阈值更改开关量数值然后返回给终端采集节点2，另一方面汇总节点1将信息经汇总节点串口通信模块102传输至人机交互触摸屏4；
所述终端采集节点2的功能一是在农田现场通过CO2浓度传感器206、土壤温湿度传感器207、光照度传感器208和空气温湿度传感器209采集农田的CO2浓度、土壤温湿度、光照度和空气温湿度的信息以及终端采集控制驱动模块203的开关量信息，然后将这些信息打包传输给汇总节点1；二是通过终端采集控制驱动模块203控制滴灌设备3的启动和停止；
所述滴灌设备3的型号选用滴灌系统专用节水电磁阀FCD-90C，功能是在农田现场的滴水灌溉；
所述人机交互触摸屏4的型号是显控公司的sk035ae，功能包括农田CO2浓度、土壤温湿度、光照度、空气温湿度、开关量状态的实时显示，设定基于土壤湿度进行灌溉的阈值范围以及更改显示节点的功能。
本实用新型基于LoRa通信技术的农田信息采集灌溉系统的工作原理和工作流程是：
汇总节点1是LoRa组网的发起端，汇总节点1在软硬件初始化后，通过人机交互触摸屏4设置需要组网的从机号。汇总节点控制模块103将请求指令封装成Modbus协议数据包通过无线模块广播出去，然后监视汇总节点LoRa通信模块101是否收到回传的数据，如果没有则继续发送。当汇总节点LoRa通信模块101接收到数据以后，汇总节点控制模块103解析数据包检查数据包中的从机号、功能码和CRC是否全部正确，不正确则重新执行，正确则汇总节点控制模块103将数据通过汇总节点串口通信模块102传输至人机交互触摸屏4进行显示。
终端采集节点2上电后进行软硬件初始化确定唯一的从机号。然后不断的监测CO2浓度传感器206、土壤温湿度传感器207、光照度传感器208和空气温湿度传感器209是否有数据传入，等待有数据传入将数据存入缓存后再监测终端采集LoRa通信模块204是否有数据传入，这样可以有效的避免向主机回传空的数据包。当检测到终端采集LoRa通信模块204传入主机广播的数据包后，通过Modbus协议解析数据包中的地址是否与自身设定地址一致、功能码是否有效，确定无误后将串口接收的数据通过Modbus协议封装成数据包回传给主机。
在人机交互触摸屏4上可以显示土壤温度值、土壤湿度值、空气温度值、CO2浓度值、光照强度值以及设定土壤湿度的阈值范围。以土壤湿度为例，当信息采集完毕后，比较采集的土壤湿度数值是否低于初始化设定的阈值范围下限；当低于下限时，终端采集节点2通过控制终端采集控制驱动模块203的开关量打开滴灌设备3的电磁阀控制农田滴灌；当高于初始化阈值范围的上限时，则关闭电磁阀，停止滴灌。通过设定农作物生长各个阶段最适宜的土壤湿度，可以进行有效的农田滴灌，最大化的利用水资源，确保农作物更好的生长。
本实用新型未述及之处适用于现有技术。

Claims (10)

1.一种基于LoRa通信技术的农田信息采集灌溉系统，包括滴灌设备，其特征在于，该系统还包括汇总节点、终端采集节点和人机交互触摸屏；所述汇总节点通过串口线与人机交互触摸屏连接；若干个终端采集节点通过LoRa无线网络与汇总节点连接；若干个滴灌设备与各自的终端采集节点通过串口线连接；
所述汇总节点包括汇总节点LoRa通信模块、汇总节点串口通信模块、汇总节点控制模块、汇总节点供电模块和汇总节点操作模块；所述汇总节点LoRa通信模块与汇总节点控制模块连接；所述汇总节点串口通信模块分别与汇总节点控制模块和人机交互触摸屏连接；所述汇总节点控制模块分别与汇总节点供电模块和汇总节点操作模块连接；
所述终端采集节点包括终端采集控制模块、终端采集供电模块、终端采集控制驱动模块、终端采集LoRa通信模块、终端采集操作模块、CO2浓度传感器、土壤温湿度传感器、光照度传感器和空气温湿度传感器；所述终端采集LoRa通信模块与汇总节点LORA通信模块连接；所述终端采集控制模块分别与终端采集供电模块、终端采集控制驱动模块、终端采集LoRa通信模块、终端采集操作模块、CO2浓度传感器、土壤温湿度传感器、光照度传感器和空气温湿度传感器连接；所述终端采集控制驱动模块与滴灌设备连接。
2.根据权利要求1所述的基于LoRa通信技术的农田信息采集灌溉系统，其特征在于所述汇总节点串口通信模块的型号是PL2303，采用MAX232芯片。
3.根据权利要求1所述的基于LoRa通信技术的农田信息采集灌溉系统，其特征在于所述汇总节点控制模块采用STM8L105型号的单片机。
4.根据权利要求1所述的基于LoRa通信技术的农田信息采集灌溉系统，其特征在于所述终端采集控制模块的型号是stm32f103zet6。
5.根据权利要求1所述的基于LoRa通信技术的农田信息采集灌溉系统，其特征在于所述汇总节点供电模块和终端采集供电模块的型号均为AMS1117-3.3。
6.根据权利要求1所述的基于LoRa通信技术的农田信息采集灌溉系统，其特征在于所述终端采集控制驱动模块由光耦芯片EL817S和继电器HLS8L-DC24V组成。
7.根据权利要求1所述的基于LoRa通信技术的农田信息采集灌溉系统，其特征在于所述汇总节点操作模块和终端采集操作模块的型号均为VS-04K拨码开关。
8.根据权利要求1所述的基于LoRa通信技术的农田信息采集灌溉系统，其特征在于所述CO2浓度传感器的型号是MG811；所述土壤温湿度传感器的型号是SHT11-O1D；所述光照度传感器的型号是BH1750FV；所述空气温湿度传感器的型号是DHT22。
9.根据权利要求1所述的基于LoRa通信技术的农田信息采集灌溉系统，其特征在于所述汇总节点LoRa通信模块和终端采集LoRa通信模块的芯片均采用SX1278射频芯片。
10.根据权利要求1所述的基于LoRa通信技术的农田信息采集灌溉系统，其特征在于所述光照度传感器的时钟线与数据线引脚连接终端采集控制模块的P6_0和P6_1引脚；所述CO2浓度传感器的模拟信号输出、TTL电平信号输出和温度补偿分别连接终端采集控制模块的P7_0、P7_1和P7_2引脚；所述土壤温湿度传感器的时钟线与数据线分别连接终端采集控制模块的P8_0和P8_1引脚；所述空气温湿度传感器连接终端采集控制模块的P9_0引脚；所述终端采集LoRa通信模块通过SPI总线连接终端采集控制模块；所述终端采集驱动模块的PA0引脚连接终端采集控制模块的PG0引脚。
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