CN217821297U - 基于LoRa的枸杞生长环境参数监测与智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了基于LoRa的枸杞生长环境参数监测与智能控制系统，所述近地环境参数信息检测获取系统包括：传感器组件、感知层组件、电源组件、网络层组件和应用层组件，所述感知层组件内设有LoRa无线发送装置，所述网络层组件内设有LoRa数据接收装置，所述传感器组件设置在待测近地位置，LoRa无线发送装置一端连接传感器组件，另一端通过LoRa数据接收装置连接应用层组件，所述电源组件同时连接传感器组件、感知层组件和网络层组件，本实用新型设计与实现大田枸杞环境监测系统，解决我区枸杞种植业面临的技术难题，提高我区枸杞种植业的信息化与智能化水平。

Description

基于LoRa的枸杞生长环境参数监测与智能控制系统

【技术领域】

本实用新型涉及环境参数获取技术领域，尤其涉及基于LoRa的枸杞生长环境参数监测与智能控制系统。

【背景技术】

一、国外发展现状

美国农业灌溉的节水主要是针对输水、灌水、田间三个环节，地面灌溉特别强调通过提高田间入渗均匀度，实现节水，同时做到输水管道化。地面灌水技术在美国农业灌溉中占主导地位，60%以上的农业灌溉采用这种灌水技术，其方法主要有沟灌、畦灌。无论是沟灌或畦灌，其田间大部分都是采用管道输水，水通过管道直送沟、畦，因此，输水过程的水损失相当少。田间通过激光平整、脉冲灌水、尾水回收利用等技术，灌水均匀度很高，水流均匀入渗，从而提高灌水效率。输水防渗、田间改造加之相应的配套设备，构成美国地面灌溉节水的三个核心内容。

美国特别重视微灌系统的配套性、可靠性和先进性的研究，将计算机模拟技术、自控技术、先进的制造成模工艺技术相结合开发高水力性能的微灌系列新产品、微灌系统施肥装置和过滤器。在水管理节水技术方面，美国将作物水分养分的需求规律和农田水分养分的实时状况相结合，利用自控的滴灌系统向作物同步精确供给水分和养分，既提高了水分和养分的利用率，最大限度地降低了水分养分的流失和污染的危险，也优化了水肥耦合关系，从而提高了农作物的产量和品质。美国已大量使用热脉冲技术测定作物茎杆的液流和蒸腾，用于监测作物水分状态，并提出土壤墒情监测与预报的理论和方法，将空间信息技术和计算机模拟技术用于监测土壤墒情。

以色列研发出一系列适合各种地形、气候、作物的节水灌溉设备，水利用率最高可达95%；例如，低压滴灌实现统一灌水量，在水平地面或稍有坡度的地面，能够确保每个滴头的出水量整齐划一，在坡度较大或远距离灌溉时，压力补偿技术仍然使滴头保持一致的出水量；真正实现了水肥一体化，化肥经过滴管到达作物根部，和水一起直接被作物根系吸收，大幅提高水肥利用率；地下埋管技术开始大面积应用，在地下50厘米处侧向水平埋管，可保持滴管寿命在10年以上，省工省力；实现智能监测与控制，将计算机控制与智能计量、自清洗过滤、防漏监测等技术有机结合，建立智能节水灌溉系统，实现节水农业的自动化与精准化。

以色列在农业节水的应用实践主要面向温室大棚与无土栽培，很多技术不适合我国大田种植模式；智能化监测与控制的核心技术也存在着不转让或转让费用昂贵。目前，以色列主要以出口农业节水灌溉成套设备和农产品为主，如向我国出售节水灌溉设备，向欧洲瓜果瓜果、蔬菜、花卉等。

二、国内发展现状

查阅大量文献资料发现，我国现有智能化农作物环境参数监测与节水灌溉系统主要面向温室大棚栽培。我国是世界上的农业大国，种植模式以大田种植为主。对于如此庞大的农业国必须要因地制宜，根据不同种植模式的需求采用不同的监控手段。农业环境监测传统的监测手段有卫星遥感监测，完成农业的大规模墒情、降水量、病虫害等监测，主要是国家层面的全国范围内的农业环境监测；飞机农业环境监测，这类监测主要完成局部的、短期内的重点地域的农业环境监测；人工监测主要完成小范围内优势农作物种植产业的监测，比如：人参、灵芝、冬虫夏草、无毒洋芋、西洋参、红景天、何首乌、沉香等。现代农业环境监测技术：利用传感器、各种微控制器及远程控制设备实现农作物生长环境参数的监测，数据传输模式分为有线和无线。有线模式通过RS485总线进行，完成短距离、小范围的检测，但存在着布线多、信号传输距离有限、成本高，并且抗干扰能力差，对大规模的机械化、机器人化田间操作产生很多不利的影响。无线的农业环境监测主要有4种方式，GPRS、Zigbee、NB-IoT和LoRa无线通信技术的物联网环境监测，GPRS基于2G/3G逐渐退网；Zigbee技术由于通信距离相对较短（100m左右），需布设的节点数多、投资大、开发周期长、后期维护成本高，不适合大田农业种植模式。目前，我国农业环境参数监测与自动水肥一体化系统应用的无线通信技术有NB-IoT与LoRa。NB-IoT是工信部、中国电信提倡的主流的物联网通信技术，适合于NB信号覆盖的智慧城市、智慧家居、智慧农业项目；LoRa技术主要应用于无NB信号覆盖的沙漠、河道、湖泊及偏原地区的农业环境监测与自动水肥控制等。

三、实际生产现状

宁夏作为枸杞的地道产地和原产地，枸杞栽培已有600多年的历史，民间俗称枸杞园为“茨园”，种植枸杞的农民为“茨农”。如今，枸杞种植业已成为宁夏回族自治区九大重点产业之首，在促进地方经济发展和实现农民增收中发挥了重要作用。

走访多家枸杞种植园，经过实地考察、与技术人员交流发现，目前，几乎所有的枸杞种植园无环境参数监测系统、无自动水肥控制措施，灌溉采用大水漫灌，施肥依据传统经验花费大量人力定期进行，不经济、不科学。生产模式粗放、原始，枸杞鲜果的品质无法进行有效控制，年产量不稳定，经济效益低下，与现代智慧农业、精细化农业的有较大差距。

因此，有必要研究基于LoRa的枸杞生长环境参数监测与智能控制系统来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

【实用新型内容】

有鉴于此，本实用新型提供了基于LoRa的枸杞生长环境参数监测与智能控制系统，针对大田作物种植的环境监测与自动水肥一体化控制装备研究中的科学难题和技术挑战，以基于LoRa的农业物联网为研究对象，采用理论分析—实地调研—系统设计—系统仿真—实验验证的研究方法，充分应用传感及检测、移动通信技术、数字信号处理与信号分析、嵌入式系统设计和云平台技术等前沿理论和技术成果，将理论、实验与应用相融合，设计与实现大田枸杞环境监测与自动水肥一体化节水灌溉系统，解决我区枸杞种植业面临的技术难题，提高我区枸杞种植业的信息化与智能化水平。

一方面，本实用新型提供基于LoRa的枸杞生长环境参数监测与智能控制系统，所述近地环境参数信息检测获取系统包括：传感器组件、感知层组件、电源组件、网络层组件和应用层组件，所述感知层组件内设有LoRa无线发送装置，所述网络层组件内设有LoRa数据接收装置，所述传感器组件设置在待测近地位置，LoRa无线发送装置一端连接传感器组件，另一端通过LoRa数据接收装置连接应用层组件，所述电源组件同时连接传感器组件、感知层组件和网络层组件。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述感知层组件还包括STM32微控制器、GPS定位模块和继电器控制模块，所述STM32微控制器一端连接传感器组件，另一端同时连接GPS定位模块、LoRa无线发送装置和继电器控制模块。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述网络层组件包括LoRa数据接收装置、协议转换模块和上传数据模块，所述LoRa数据接收装置一端连接LoRa无线发送装置，另一端通过协议转换模块连接上传数据模块，所述上传数据模块连接应用层组件。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述应用层组件包括云服务器、数据库和前端展示模块，所述云服务器一端连接上传数据模块，另一端通过数据库连接前端展示模块，所述前端展示模块与PC或手机连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述电源组件包括电源模块和太阳能充电模块，所述太阳能充电模块为太阳能充电装置，所述电源模块为蓄电池，蓄电池同时连接传感器组件、感知层组件和网络层组件。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述传感器组件包括风力传感器、风向传感器、CO₂传感器、土壤水分传感器、土壤盐分传感器、大气温度湿度传感器、土壤温湿度传感器、气压传感器和光照传感器，所述风力传感器、风向传感器、CO₂传感器、土壤水分传感器、土壤盐分传感器、大气温度湿度传感器、土壤温湿度传感器、气压传感器和光照传感器同时连接STM32微控制器。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述上传数据模块为4G/5G/WIFI信号传输器。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述前端展模块为PC端或手机端的通信串口。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述协议转换模块为协议转换器，所述GPS定位模块为GPS定位装置。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述近地环境参数信息检测获取系统还包括灌溉控制组件，所述灌溉控制组件包括灌溉设备、定时控制单元、现场控制单元和远程控制单元，所述灌溉设备同时连接定时控制单元、现场控制单元和远程控制单元，所述现场控制单元连接继电器控制模块，所述远程控制单元连接PC端或手机端，所述现场控制单元为具有预设阈值的继电器开关，定时控制单元为设置在STM32微控制器上或PC端/手机端上的定时器。

与现有技术相比，本实用新型可以获得包括以下技术效果：

1. 本实用新型本着服务地方经济发展需求，改善传统农业耕作模式与生产技术现状的宗旨，将物联网应用与宁夏枸杞酒产业的环境监测与水肥控制措施，更好地促进宁夏枸杞种植产业的良性发展。

2. 当前智能无线环境监测系统有LoRa、LoRa和ZigBee等组网模式，与ZigBee组网相比，LoRa具有传输距离远、广覆盖、低功耗、低成本、部署方便且安全性能高等优势，可以满足物联网云平台实现农业环境监测与自动化控制的需求。

3. 本实用新型基于LoRa技术设计枸杞种植园近地环境参数监测与信息获取系统，系统采用物联网三层结构，以LoRa技术进行无线数据传输的模式，实现枸杞种植生长环境参数的大面积分散采集、集中传输、实时处理。

4. 利用LoRa技术实现枸杞种植园区现场传感器数据采集节点和无线传输节点的蜂窝组网，通讯稳定、传输距离远，有利于对枸杞种植园区多参数、全覆盖和全生长周期的实时监测。

5. 系统的设备安装简便、实用性强，可在枸杞种植园区快速部署。利用云平台，可在用户PC和手机客户端随时随地对监测数据和设备进行监控，使用便捷。

6. 本实用新型的控制策略采用STM32单片机现场控制与云平台远程控制相结合的模式，实现了枸杞种植园区的自动水肥一体化节水灌溉。

7. 对系统移植进行二次开发，可广泛推广应用于智慧茶园、果园、枸杞园以及城市绿化带自动灌溉等智慧农业、智慧林业与智慧城市等环境参数监测实用新型，具有广泛的实际应用价值。

8. 基于LoRa技术组网分散采集目标数据，无线节点收集、集中发送数据，利用Wi-Fi和4G模块上传云平台这样的设计，如果采用5G通信技术上传云平台，可以极大减少数据传输延时，可以开发应用在智慧城市、智慧工业的相关领域。

当然，实施本实用新型的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

【附图说明】

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本实用新型一个实施例提供的近地环境参数信息检测获取系统的结构图；

图2是本实用新型一个实施例提供的近地环境参数信息检测获取系统中数据采集模块软件程序流程图；

图3是本实用新型一个实施例提供的近地环境参数信息检测获取系统中终端节点软件程序流程图；

图4是本实用新型一个实施例提供的近地环境参数信息检测获取系统中集中器节点程序设计图。

其中，图中：

1-传感器组件；2-感知层组件；3-电源组件；4-网络层组件5-应用层组件；6-灌溉控制组件；61-灌溉设备；62-现场控制单元；63-定时控制单元；64-远程控制单元。

【具体实施方式】

为了更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

如图1所示，本实用新型提供了一种基于LoRa的枸杞生长环境参数监测与智能控制系统，主要针对于贺兰山东麓枸杞生长近地环境，基于数字传感器、STM32单片机、LoRa无线通信技术、WiFi/4G和OneNET云平台设计并实现符合枸杞生长应用场景需求的近地环境参数监测与自动水费一体化节水灌溉系统，系统主要性能：枸杞生长环境参数监测、自动水肥一体化节水控制、云平台数据共享。

所述近地环境参数信息检测获取系统包括：传感器组件、感知层组件、电源组件、网络层组件和应用层组件，所述感知层组件内设有LoRa无线发送装置，所述网络层组件内设有LoRa数据接收装置，所述传感器组件设置在待测近地位置，LoRa无线发送装置一端连接传感器组件，另一端通过LoRa数据接收装置连接应用层组件，所述电源组件同时连接传感器组件、感知层组件和网络层组件。

所述感知层组件还包括STM32微控制器、GPS定位模块和继电器控制模块，所述STM32微控制器一端连接传感器组件，另一端同时连接GPS定位模块、LoRa无线发送装置和继电器控制模块。

所述网络层组件包括LoRa数据接收装置、协议转换模块和上传数据模块，所述LoRa数据接收装置一端连接LoRa无线发送装置，另一端通过协议转换模块连接上传数据模块，所述上传数据模块连接应用层组件。

所述应用层组件包括云服务器、数据库和前端展示模块，所述云服务器一端连接上传数据模块，另一端通过数据库连接前端展示模块，所述前端展示模块与PC或手机连接。

所述电源组件包括电源模块和太阳能充电模块，所述太阳能充电模块为太阳能充电装置，所述电源模块为蓄电池，蓄电池同时连接传感器组件、感知层组件和网络层组件。

所述传感器组件包括风力传感器、风向传感器、CO₂传感器、土壤水分传感器、土壤盐分传感器、大气温度湿度传感器、土壤温湿度传感器、气压传感器和光照传感器，所述风力传感器、风向传感器、CO₂传感器、土壤水分传感器、土壤盐分传感器、大气温度湿度传感器、土壤温湿度传感器、气压传感器和光照传感器同时连接STM32微控制器。

所述上传数据模块为4G/5G/WIFI信号传输器。所述前端展模块为PC端或手机端的通信串口。所述协议转换模块为协议转换器。

所述近地环境参数信息检测获取系统还包括灌溉控制组件6，所述灌溉控制组件包括灌溉设备61、定时控制单元63、现场控制单元62和远程控制单元64，所述灌溉设备同时连接定时控制单元、现场控制单元和远程控制单元，所述现场控制单元连接继电器控制模块，所述远程控制单元连接PC端或手机端，所述现场控制单元为具有预设阈值的继电器开关，定时控制单元为设置在STM32微控制器上或PC端/手机端上的定时器。

本实用新型中英文缩写有中文译文和英文原词解释如下：

WiFi(Wireless Fidelity，无线保真)，LoRa（Long Range Radio，远距离无线电），GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线服务），NB-IoT（Narrow BandInternet of Things，窄带物联网），LPWAN（Low-Power Wide-Area Network，低功耗广域网）。

本实用新型针对大田作物种植的环境监测与自动水肥一体化控制装备研究中的科学难题和技术挑战，以基于LoRa的农业物联网为研究对象，采用理论分析—实地调研—系统设计—系统仿真—实验验证的研究方法，充分应用传感及检测、移动通信技术、数字信号处理与信号分析、嵌入式系统设计和云平台技术等前沿理论和技术成果，将理论、实验与应用相融合，设计与实现大田枸杞环境监测与自动水肥一体化节水灌溉系统，解决我区枸杞种植业面临的技术难题，提高我区枸杞种植业的信息化与智能化水平。

本实用新型系统的总体架构在枸杞园近地环境数据采集系统所采集的地理环境信息数据应为准确有效的信息。根据多年地理环境信息数据的历史记录，确定数据采集系统的性能指标及精度。测量对象包括大气温湿度、风速、风向、大气压强、日照强度、经纬度、土壤温湿度等。各类信息所要求的探测范围及精度如表1-1所示：

表1-1各参数测量范围及精度

测量信息	测量范围	误差	分辨率
				风速	0～40m/s	0.3m/s	0.2m/s
风向	0～360<sup>o</sup>	±1<sup>o</sup>	2<sup>o</sup>
				大气压强	10～100hPa	±0.5hPa	0.2hPa
空气温度	-30o～70<sup>o</sup>C	±0.5<sup>o</sup>C	0.05<sup>o</sup>C
				空气湿度	0～100%RH	±2%RH	0.5%RH
日照强度	0～200Klux	±5%	1lux
				土壤温度	-40～80 <sup>o</sup>C	±0.5<sup>o</sup>C	0.05<sup>o</sup>C
土壤湿度	0～100%RH	±5%	0.5%RH
				土壤盐分	0～0.45mol/L	±3%	0.05 mol/L
土壤水分	0～100%	±2%	1%
				CO<sub>2</sub>浓度	400～2000ppm	±40ppm+3% F.S	1 ppm

本系统采用物联网三层架构，分为传感器数据采集节点（感知层）、无线传输节点（网络层）和远程监测云平台（应用层）3部分。其中传感器数据采集节点分布于枸杞园的不同位置，获得近地环境参数并通过LoRa无线发送。无线传输节点通过LoRa网络接收传感器数据采集节点的监测数据，并经过4G模块发送至远程监测云平台。云平台对接收到的数据进行分析、存储，提供给专家组PC或微信实现数据共享。充分利用“互联网+专家项目论证”、“互联网+专家咨询”、“互联网+评价系统”等互联网技术，将园区参数发送至专家模块中的各位气象专家、林业专家和农业专家及团队，经专家评估后的结果借助互联网的线上线下功能实现信息的交互，确定科学的枸杞种植项目型的论证、实施、评估与后期管理。

本系统采用锂电池供电，锂电池由太阳能光伏发电充电。将太阳能的标准电压24V转化为各电子器件的额定工作电压，系统需要提供3.3V、5V 、12V、12V四种不同的电压源，测量系统只在每天每间隔4小时测量一次。为此，由STM342定时器在特定时间发送一个低电平给电源控制开关，触发电源管理模块导通，系统总电源导通，实现系统的供电并启动系统开始测量。所有参数测量完毕后，由STM32单片机发出负脉冲，再次是触发电源控制开关，使系统处于空置状态，直到再次被唤醒，如此循环。STM32单片机、LoRa通信模块工作电压3.3V，分别选择MIC29300-5.0实现5V，3.3V选择LM1117-3.3V实现。传感器工作电压12和15V选择LM2596-ADJ提供实现。LM2596-ADJ是AD公司生产的开关集成稳压芯片，内部采用150KHz振荡器和1.23V基准参考电压实现稳压。

为了简化系统设计、降低功耗，传感器均选择满足要求的低功耗、数字串口输出的传感器，工作电压动态范围DC5～24V。输出的传感器，工作电压动态范围DC5～24V。微处理器模块采用STM32F103CBT6单片机，负责根据指令控制数据采集、信号调解、数据处理和缓存等。无线传输模块采用SX1278无线串口LoRa模块，Wifi模块采用模块采用ESP8266，适应性强。

本系统的软件设计部分主要包含四个部分：一是数据采集模块的传感器数据采集与存储，通过软件程序设计来完成传感器数据的采集和STM32处理保存数据等；二是串口通信程序设计，包含了数据采集端与LoRa无线模块的串口通信，将采集到的数据传输给无线模块以及LoRa无线模块与PC端的串口通信；三是无线终端节点与集中器之间的通讯，将终端节点的数据通过LoRa无线方式发送给集中器；四是云平台实时数据的展示设计。

①数据采集端程序主流程

数据采集模块的程序设计，主要是对微处理STM32F429的编程。通过初始化、数据采集、数据处理存储等三部分程序设计搭建了数据采集模块的程序总体框架。数据采集模块总体程序流程图如图2所示。

如图3所示，可以直观的看到整个数据采集端程序的设计。系统上电后，执行初始化操作，对定时器、系统时钟、SD卡、IIC和SPI总线等初始化参数配置，为后续系统使用这些功能提供起始条件，随后设计两个分别为1分钟和10分钟的定时函数，为系统数据采集提供时间标准，系统每十分钟循环一次程序，在十分钟内，系统数据采集每隔一分钟进行一次，并在结构体数组内临时保存数据，十次采集结束后对采集数据进行处理，将平均值保存到SD卡中，并通过串口通信交给无线通信模块。当执行完数据处理后，系统重新循环等待下一程序命令。整个主程序的编程逻辑十分清晰，程序可靠。

②终端节点软件设计

终端节点在组网时其地位是平等的，根据具体的用途可以实现终端节点的发送和接收的相互转化，在软件功能设计上分为发送和接收两个功能，根据组网通信设计，终端节点收发数据是在节点入网成功之后。在发送模式下，需要对发送数据进行处理，添加帧头、标识符、包头包长、数据类型、设备地址、校验、帧尾等；在接收模式下，需要对接收到的数据进行解帧操作，拆除无效字符数据，然后将数据交给处理器进行判断，最终根据数据位内容进行相对应的操作。

LoRa 模块与集中器之间，都需要在相关工作参数配对的前提下才能正常通信，如任何一方有参数设置错误，都将无法进行通信。所以 LoRa 模块初始化时需要先读取模块工作参数，然后针对与集中器配对进行工作参数配置。终端节点的处理任务分为时钟同步任务、数据处理任务和网络处理任务，时钟同步任务包含 RTC 及定时器初始化、中断响应，数据处理任务分为数据解析和数据上传，包括网络数据包、网络应答包、时间同步包的解析，入网信息和数据信息的上传；网络处理任务则包括随机时间的获取、时间片的获取、网络的加入。

对于终端节点数据的收发，程序设计流程图如图2-3所示，包括终端节点入网跟无线数据收发。对终端节点的工作模式概括为当初始化完成、定时时间到达后，当有发送需求时，响应发送中断，发送需求为定时器每隔十分钟进行一次发送请求。中断发生后，MCU 将需要发送的数据以规定的通信协议格式组成数据包，通过 SPI 总线写入SX1278 的 FIFO数据存储区，同时开启发送模式，进行数据发送。对于终端节点数据的接收，当终端节点完成数据发送后，在延时一段时间内，是否有下行命令发送，其他时间为节约节点的功耗处于休眠状态。在延时时间内接收到下行数据包时响应接收中断请求，无效则继续等待。接收中断请求响应后，配置 SX1278 接收模式寄存器，判断数据包的正确性。如果正确，则读入该数据，执行集中器下行命令；如果数据包的格式及校验不正确，则丢弃数据包，不进行读入操作。

③集中器软件设计

集中器节点的处理任务与终端节点类似，分为时钟同步任务、数据处理任务和网络处理任务，时钟同步任务则是为保证节点可以准确的加入网络，在本实用新型中每隔4个小时开启一次时间同步事件，数据处理任务分为主机协议解析和数据下行、上传，包括终端节点网络数据包和入网请求的解析、与云平台连接的上传数据包解析、下行数据包解析，网络处理任务包括等待终端节点入网完成、数据上传云平台服务器、数据下行终端节点等。集中器节点数据收发软件设计的程序流程图如4所示。

集中器上电后，系统进行初始化操作，使能接收函数，调用主机解析函数事件，依据网络类型对终端数据进行判断，检查是否有节点入网请求、网络数据包和时钟同步时间事件是否开始。接收标志位未完成则继续等待，接收标志位完成后对数据帧类型进行判断，当数据帧为网络数据包则进行数据处理解帧，然后按 MQTT 协议上行发送数据给服务器，服务器接收到数据后，实时地推送给应用层平台；当数据帧类型为入网请求则进行入网操作，对所有终端节点重新分配时间片；服务器下行数据时，对数据进行解析，延时一段时间，开启发送中断，将数据组包成上述通讯协议格式发送给终端节点，通过对集中器软件程序的设计，可以作为云平台与终端节点的枢纽。

本实用新型中控制组件的控制方式主要有现场控制、定时控制与远程控制等。现场控制是指利用传感器检测到的土壤湿度值或水份含量与程序设定的阈值比较，当检测值小于阈值时启动灌溉系统实行滴灌或喷灌作业；定时控制是指利用微控制器的定时器或远程控制端的定时器，在规定的时刻自动启动灌溉系统；远程控制是指利用云平台等远程控制设备发送下行指令给物联网的终端节点设备启动灌溉系统。由于宁夏地处大西北，多风沙，枸杞种植多处在干旱半干旱地区，降水季节分布极不均匀，定时控制使得枸杞的灌溉可能出现过灌溉或者缺水，所以宁夏大田枸杞种植不适合采用定时控制。因此，本系统的自动水肥一体化节水灌溉系统的控制策略采用现场控制与OneNET云平台远程指令控制。

（1）现场控制。是指土壤湿度传感器的检测值与程序设定的阈值相比较，当检测值小于阈值时，STM32微控制器的的PC6脚发送低电平信号，使直流继电器导通开启控制系统的直流设备如C51组成的水位控制器、指示灯打开，同时STM32微控制器的PD15引脚发送低电平信号，使交流继电器导通，启动水肥一体化的主水泵实现水肥滴灌或喷灌，同时水位检测器打开监测水肥箱的水位。当水位检测器检测到水肥箱的水位低于警戒水位时，C51控制的补水及补肥泵启动，向水肥箱自动补水、补肥。此处的水肥配比建议使用配置好的液体肥料，由水箱水泵和肥料箱水泵根据流量比补给水肥，这样操作简单、可靠且成本低。

（2）OneNET云平台远程指令控制。远程控制是指手机APP或PC断下发控制指令到物联网感知层的STM32单片机，STM32单片经过指令解析向PC6脚发送低电平信号，使直流继电器导通开启控制系统的直流设备如C51组成的水位控制器、指示灯打开，同时STM32微控制器的PD15引脚发送低电平信号，使交流继电器导通，启动水肥一体化的主水泵实现水肥滴灌或喷灌，同时水位检测器打开监测水肥箱的水位。

本实用新型有替代方案，其中所用到的LoRa无线通信技术可以换成ZigBee无线通信技术，也可以完成环境监测和信息获取，但因为ZigBee技术不是大面积监测通信方式的首选，不能满足监测通信的需求。

以上对本申请实施例所提供的基于LoRa的枸杞生长环境参数监测与智能控制系统，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.基于LoRa的枸杞生长环境参数监测与智能控制系统，其特征在于，所述生长环境参数监测与智能控制系统包括：传感器组件、感知层组件、电源组件、网络层组件和应用层组件，所述感知层组件内设有LoRa无线发送装置，所述网络层组件内设有LoRa数据接收装置，所述传感器组件设置在待测近地位置，LoRa无线发送装置一端连接传感器组件，另一端通过LoRa数据接收装置连接应用层组件，所述电源组件同时连接传感器组件、感知层组件和网络层组件。

2.根据权利要求1所述的生长环境参数监测与智能控制系统，其特征在于，所述感知层组件还包括STM32微控制器、GPS定位模块和继电器控制模块，所述STM32微控制器一端连接传感器组件，另一端同时连接GPS定位模块、LoRa无线发送装置和继电器控制模块。

3.根据权利要求2所述的生长环境参数监测与智能控制系统，其特征在于，所述网络层组件包括LoRa数据接收装置、协议转换模块和上传数据模块，所述LoRa数据接收装置一端连接LoRa无线发送装置，另一端通过协议转换模块连接上传数据模块，所述上传数据模块连接应用层组件。

4.根据权利要求3所述的生长环境参数监测与智能控制系统，其特征在于，所述应用层组件包括云服务器、数据库和前端展示模块，所述云服务器一端连接上传数据模块，另一端通过数据库连接前端展示模块，所述前端展示模块与PC或手机连接。

5.根据权利要求1所述的生长环境参数监测与智能控制系统，其特征在于，所述电源组件包括电源模块和太阳能充电模块，所述太阳能充电模块为太阳能充电装置，所述电源模块为蓄电池，蓄电池同时连接传感器组件、感知层组件和网络层组件。

6.根据权利要求2所述的生长环境参数监测与智能控制系统，其特征在于，所述传感器组件包括风力传感器、风向传感器、CO₂传感器、土壤水分传感器、土壤盐分传感器、大气温度湿度传感器、土壤温湿度传感器、气压传感器和光照传感器，所述风力传感器、风向传感器、CO₂传感器、土壤水分传感器、土壤盐分传感器、大气温度湿度传感器、土壤温湿度传感器、气压传感器和光照传感器同时连接STM32微控制器。

7.根据权利要求3所述的生长环境参数监测与智能控制系统，其特征在于，所述上传数据模块为4G/5G/WIFI信号传输器。

8.根据权利要求4所述的生长环境参数监测与智能控制系统，其特征在于，所述前端展模块为PC端或手机端的通信串口。

9.根据权利要求3所述的生长环境参数监测与智能控制系统，其特征在于，所述协议转换模块为协议转换器，所述GPS定位模块为GPS定位装置。

10.根据权利要求8所述的生长环境参数监测与智能控制系统，其特征在于，所述生长环境参数监测与智能控制系统还包括灌溉控制组件，所述灌溉控制组件包括灌溉设备、定时控制单元、现场控制单元和远程控制单元，所述灌溉设备同时连接定时控制单元、现场控制单元和远程控制单元，所述现场控制单元连接继电器控制模块，所述远程控制单元连接PC端或手机端，所述现场控制单元为具有预设阈值的继电器开关，定时控制单元为设置在STM32微控制器上或PC端/手机端上的定时器。

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