蔡紹博 蔡紹碩 張 軍 夏志波

1.長江大學(xué)園藝園林學(xué)院 湖北荊州 434025；2.武漢市春曉曲農(nóng)業(yè)科技有限公司 湖北武漢 430211；3.青島海紋智慧農(nóng)業(yè)科技有限公司 山東青島 266001；4.武漢菜佰仟數(shù)字農(nóng)業(yè)科技有限公司 湖北武漢 430074；5.武漢建春科技有限公司 湖北武漢 430074

在傳統(tǒng)的種植業(yè)中，很少有過多的對種植環(huán)境參數(shù)進(jìn)行關(guān)注，更多的是依靠種植者多年種植經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行判斷，但隨著科技的進(jìn)步，通過人工經(jīng)驗(yàn)來判斷種植業(yè)的種植環(huán)境就變得不是很可靠了。更多的是根據(jù)環(huán)境參數(shù)來進(jìn)行監(jiān)測，利用傳感器以及無線傳感網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)種植環(huán)境參數(shù)的采集以及傳輸。本文設(shè)計(jì)了一種基于LoRa與MQTT通信的智慧富硒茶園環(huán)境信息智能監(jiān)測系統(tǒng)，利用LoRa通信網(wǎng)絡(luò)、傳感器以及MQTT協(xié)議來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與云端通信，來實(shí)現(xiàn)富硒茶園環(huán)境信息的智能監(jiān)測。

一、富硒茶園環(huán)境信息智能監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)分析

需要實(shí)現(xiàn)基于LoRa與MQTT通信的智慧富硒茶園環(huán)境信息智能監(jiān)測系統(tǒng)，首先需要進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的檢測，檢測節(jié)點(diǎn)以STM32F103C8T6微控制器的單片機(jī)作為終端的核心，通過傳感器來采集富硒茶園的環(huán)境參數(shù)，傳感器檢測的參數(shù)包括土壤溫濕度、土壤pH值、空氣溫濕度和光照度。檢測節(jié)點(diǎn)采集到環(huán)境參數(shù)之后，通過LoRa網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無線通信，實(shí)現(xiàn)多個LoRa終端節(jié)點(diǎn)接入LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行多節(jié)點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)采集。LoRa網(wǎng)關(guān)通信模塊在接收到終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的環(huán)境參數(shù)之后，將參數(shù)發(fā)送到LoRa通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)節(jié)UG87-LoRa網(wǎng)關(guān)，UG87-LoRa網(wǎng)關(guān)通過搭載的網(wǎng)絡(luò)通信模塊以及MQTT協(xié)議，將獲取到的環(huán)境參數(shù)發(fā)送到云端平臺，用戶通過終端設(shè)備訪問云平臺，實(shí)現(xiàn)智慧富硒茶園環(huán)境信息的智能監(jiān)測。

二、富硒茶園環(huán)境信息智能監(jiān)測系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

整個系統(tǒng)的構(gòu)成包括四個部分：檢測節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、云平臺以及客戶端，如圖1所示，具備以下功能：

(一)實(shí)時(shí)監(jiān)測

根據(jù)智慧富硒茶園環(huán)境信息智能監(jiān)測系統(tǒng)的要求，需要檢測的環(huán)境參數(shù)有土壤墑情和大氣環(huán)境，主要包括：土壤溫濕度、土壤pH值、空氣溫濕度和光照度，在傳感器檢測到數(shù)據(jù)之后，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到云平臺實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。

(二)多節(jié)點(diǎn)采集

根據(jù)智慧富硒茶園環(huán)境信息智能監(jiān)測系統(tǒng)的要求，大規(guī)模茶園環(huán)境監(jiān)測需要多個檢測節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)之間采用LoRa無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用一對多的模式，實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)采集。

(三)MQTT協(xié)議傳輸

根據(jù)智慧富硒茶園環(huán)境信息智能監(jiān)測系統(tǒng)的要求，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與One NET云平臺之間的數(shù)據(jù)傳輸采用MQTT通信協(xié)議，數(shù)據(jù)協(xié)議采用OneJson。MQTT協(xié)議是一個面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的即時(shí)通信協(xié)議，使用TCP/IP提供網(wǎng)絡(luò)連接，采用發(fā)布/訂閱(Pub/Sub)模式，通過連接服務(wù)器、訂閱和發(fā)布主題來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)設(shè)備和MQTT云端的聯(lián)系。

(四)云平臺數(shù)據(jù)顯示

根據(jù)智慧富硒茶園環(huán)境信息智能監(jiān)測系統(tǒng)的要求，利用One NET云平臺，One NET是由中國移動打造的PaaS物聯(lián)網(wǎng)開放平臺，平臺能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備接入與設(shè)備連接。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)備完成接入，將終端節(jié)點(diǎn)檢測到的數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺。

(五)客戶端數(shù)據(jù)顯示

根據(jù)智慧富硒茶園環(huán)境信息智能監(jiān)測系統(tǒng)的要求，客戶端需要實(shí)現(xiàn)富硒茶園環(huán)境信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過Internet訪問One NET云平臺，進(jìn)行茶園環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測，并且通過爬蟲程序?qū)?shù)據(jù)爬取，存儲在本地?cái)?shù)據(jù)庫中，再對本地?cái)?shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將參數(shù)轉(zhuǎn)化為可以直接觀測的圖形。

圖1 智慧富硒茶園環(huán)境信息智能監(jiān)測系統(tǒng)

檢測節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)采用STM32F103C8T6微控制器的單片機(jī)作為終端的核心，如圖2所示。整個檢測節(jié)點(diǎn)利用電池模塊進(jìn)行供電，摒棄了傳統(tǒng)的電源布線供電，整個系統(tǒng)更為簡潔，供電電壓為2～3.6V。利用傳感器檢測富硒茶園環(huán)境參數(shù)，包括土壤墑情和大氣環(huán)境，土壤墑情需要檢測的參數(shù)有土壤溫度、土壤濕度和土壤pH值，大氣環(huán)境需要檢測的參數(shù)有空氣溫度、空氣濕度和光照度，傳感器通過單片機(jī)IO口接入STM32單片機(jī)，將檢測的模擬信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為更直觀的環(huán)境參數(shù)。STM32單片機(jī)獲取到參數(shù)后，通過LoRa通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃oRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、多節(jié)點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)的采集。LoRa通信模塊通過IO口與STM32單片機(jī)相連。

圖2 檢測測節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)采用的UG87-LoRa網(wǎng)關(guān)作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的核心，采用NXP A53處理器，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定。UG87-LoRa網(wǎng)關(guān)是一款基于LoRa低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)級戶外物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。產(chǎn)品內(nèi)置Semtech高性能收發(fā)器SX1301并可擴(kuò)展至16通道，支持超過2000個節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)關(guān)，通信距離最遠(yuǎn)可超過10千米，滿足大型項(xiàng)目和各種室內(nèi)室外應(yīng)用場景中對終端數(shù)據(jù)采集的需求。如圖3所示。UG87-LoRa網(wǎng)關(guān)可通過內(nèi)置的4G通信模塊、Wi-Fi通信模塊或有線網(wǎng)絡(luò)方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器。UG87不僅兼容多種主流LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，還可以運(yùn)用內(nèi)置的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和星縱云方案，用快速部署自己的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)定制化的智能服務(wù)。通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的LoRa無線通信模塊接收來自檢測節(jié)點(diǎn)發(fā)送的茶園環(huán)境參數(shù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，打包為MQTT通信協(xié)議的數(shù)據(jù)報(bào)文格式，UG87-LoRa網(wǎng)關(guān)的Wi-Fi模塊或4G通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到One NET云平臺，通過路由器為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)提供Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)通信。

圖3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

云平臺設(shè)計(jì)采用One NET云平臺，通過One NET云平臺的控制臺界面，創(chuàng)建產(chǎn)品，再進(jìn)行設(shè)備的添加。節(jié)點(diǎn)類型選擇網(wǎng)關(guān)設(shè)備，接入類型選擇MQTT通信協(xié)議，數(shù)據(jù)協(xié)議選擇OneJson格式，采用發(fā)布/訂閱(Pub/Sub)模式，通過連接服務(wù)器、訂閱和發(fā)布主題來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)設(shè)備和MQTT云端的聯(lián)系，MQTT連接需要三個參量：mqttClientId、mqttUsername、mqttPassword，聯(lián)網(wǎng)方式為Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。完成設(shè)備的添加之后，在設(shè)備管理界面可以查看添加的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)備。

客戶端通過PC端和手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)富硒茶園環(huán)境信息智能監(jiān)測，如圖4所示。PC端通過Internet訪問One NET云平臺即可以實(shí)時(shí)查看檢測節(jié)點(diǎn)檢測到的環(huán)境參數(shù)，并且PC端將從云平臺獲取到的數(shù)據(jù)存入MySQL數(shù)據(jù)庫，MySQL數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)包括兩張數(shù)據(jù)表，一張為土壤墑情信息表，主要數(shù)據(jù)字段有時(shí)間、土壤溫度、土壤濕度和土壤pH值，另一張為大氣環(huán)境信息表，主要數(shù)據(jù)字段有時(shí)間、空氣溫度、空氣濕度和光照度。

圖4 客戶端

三、硒茶園環(huán)境信息智能監(jiān)測系統(tǒng)的分析實(shí)驗(yàn)

在完成該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)后，本文對該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境的測試。首先需要進(jìn)行檢測節(jié)點(diǎn)的傳感器環(huán)境參數(shù)檢測功能的測試。通過電池對終端STM32單片機(jī)進(jìn)行供電，設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行；通過GPIO口將傳感器連接到STM32單片機(jī)上，再通過上位機(jī)串口助手對檢測到的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測試，通過串口將檢測節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)進(jìn)行連接，發(fā)現(xiàn)可以在上位機(jī)串口助手上面進(jìn)行土壤溫濕度、土壤pH值、空氣溫濕度和光照度等參數(shù)的顯示，當(dāng)改變環(huán)境因素時(shí)，傳感器檢測到的數(shù)值也發(fā)生相應(yīng)的改變，檢測節(jié)點(diǎn)的檢測功能可以實(shí)現(xiàn)。測試結(jié)果如表1所示。

表1 傳感器測試參數(shù)

再通過對LoRa無線通信網(wǎng)絡(luò)的測試，如表2所示，在合理范圍內(nèi)，將檢測節(jié)點(diǎn)的LoRa通信模塊與UG87-LoRa網(wǎng)關(guān)的通信模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，將檢測發(fā)送指定的數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)能夠進(jìn)行正常接收，沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)包、數(shù)據(jù)幀的丟失，沒有發(fā)生信道碰撞以及沖突。LoRa網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行正常通信。

表2 LoRa通信測試

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)之后，將數(shù)據(jù)上傳到云端，使用MQTT協(xié)議，云端與終端設(shè)備之間可以實(shí)現(xiàn)主題的訂閱和發(fā)布，并且可以實(shí)時(shí)觀測到富硒茶園的各種環(huán)境參數(shù)。

客戶端通過PC以及手機(jī)APP可以進(jìn)行云端平臺的訪問，并且可以實(shí)時(shí)獲取茶園的環(huán)境參數(shù)，且PC端將從云平臺獲取到的數(shù)據(jù)存入MySQL數(shù)據(jù)庫，并且可以轉(zhuǎn)化為更直觀的數(shù)據(jù)圖像。

通過一系列的模擬環(huán)境測試，該系統(tǒng)在監(jiān)測數(shù)據(jù)變化和動態(tài)監(jiān)控中，均表現(xiàn)出了良好的適用性，能夠?qū)崿F(xiàn)富硒茶園環(huán)境參數(shù)的采集與實(shí)時(shí)查詢，并且終端服務(wù)器通過訪問云平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測。因此當(dāng)這個測試系統(tǒng)持續(xù)擴(kuò)容，運(yùn)用到更大范圍內(nèi)的實(shí)際生活生產(chǎn)中，具有一定的可實(shí)現(xiàn)性。

結(jié)語

文章利用傳感器、LoRa通信網(wǎng)絡(luò)以及MQTT通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)了智慧富硒茶園環(huán)境信息智能監(jiān)測系統(tǒng)，并且通過一系列的測試實(shí)驗(yàn)證明了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理。本系統(tǒng)的涵蓋性高，可通過檢測節(jié)點(diǎn)更換其他環(huán)境參數(shù)的傳感器，并且對單片機(jī)進(jìn)行不同傳感器驅(qū)動的燒錄，可以廣泛運(yùn)用于果園、菜園和農(nóng)田等其他農(nóng)業(yè)環(huán)境的場景監(jiān)測中。