朱明 曹越

摘 要 随着农业现代化程度的不断提高，设施农业已成为当前经济作物种植的主要手段。设施农业温室大棚中种植的作物虽然经济价值高，但面临着生产环境要求严格、农村劳动力日益下降以及设施农业温室大棚智能化程度不高等困难。因此，通过智能控制系统来解决当前设施农业温室大棚生产中面临的问题逐渐受到重视。基于此，通过LoRa无线传感网络阐述设施农业温室大棚智能控制系统的设计与实现。

关键词 LoRa技术;设施农业;温室大棚;智能控制系统

中图分类号：TP312 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.27.088

1 设施农业温室大棚智能控制系统设计的关键技术

1.1 LoRa技术简介

LoRa全称为Long Range Radio，即远距离无线电。LoRa联盟于2015年3月宣布成立，是一个开放的、非盈利性组织，其目的在于将LoRa推向全球，实现LoRa技术的商用。该联盟由Semtech牵头，发起成员还有法国Actility，中国AUGTEK和荷兰皇家电信KPN等企业。目前，联盟成员数量达330多家，其中不乏IBM、思科、法国Orange等重量级厂商[1]。

作为LPWAN（Low-Power Wide-Area Network，低功耗廣域网）的典型代表技术之一，LoRa凭借其网络连接的高度可靠性、2 km以上（与环境有关）的连接距离以及独特的信号传输时间测距机制等优势，近年来在多个应用领域获得了蓬勃发展，其特点尤其适合农业物联网的应用场景。

在信号方面，LoRa使用线性调频扩频调制技术，获得了类似于FSK（Frequency-Shift Keying，频移键控）调制相同的低功耗特性，而又明显提高了通信距离并消除了干扰，同时LoRa网络协调器又拥有并行多信道数据处理能力。

1.2 JavaScript简介

JavaScript（Java脚本语言）是一种用来开发Internet上客户与服务器程序的基于对象的弱类型脚本编程语言，是主要用来制作网页前台的技术，在层次上介于HTML与Java语言之间[1]。由于其大部分语法规范取自于Java语法规范，所以取名为JavaScript，是由Netscape公司的Brendan Eich在浏览器上首次设计实现而成。作为一种解释性脚本语言，JavaScript不需要编译，只需嵌入到HTML代码中逐行加载解释执行[2]。

2 智能控制系统软硬件设计

2.1 智能控制系统组网设计

设施农业大棚的智能管理需要对大棚内的空气温度、温度等参数进行监测与控制。智能控制系统在设计时主要采用3种类型的节点，分别为数据采集节点、控制节点和网关节点。采集节点、控制节点与网关之间通过LoRa组网，网关通过4G或WiFi接入Internet。系统组网示意图如图1所示。

2.2 智能控制系统软件功能设计

管理平台以Web方式供不同用户访问。提供前后台两种模式：前台类似信息网站，向所有用户推广智能化农业的特点，以及公司产品的技术优势、应用场景、合作案例等;后台供登录用户使用，以便动态地配置运行参数，监控硬件的运行状态、各种数据报表、与其他第三方平台的集成等。Web后台可进行权限划分，不同角色用户可以看到不同的操作栏目。每个用户只能看到本企业相关的产品数据，可以保护用户数据隐私。各功能模块如图2所示。

2.3 通信协议设计

节点与传感器之间使用modbus协议，modbus基本命令格式为：[设备地址][功能码][起始地址：2字节][数据长度：2字节][CRC16校验]，其意义分别如下。1）设备地址：设备地址范围为1～35;2）功能码：不同的应用需求功能码不同;3）起始地址：查询或操作寄存器起始地址;4）数据长度：读取的长度;5）CRC校验：CRC16校验。

节点与网关之间使用私有的通信协议，协议设计中基本命令格式为包头+数据域+校验。简要功能码如表1所示。

3 系统软件详细设计

3.1 节点程序设计

3.1.1 传感器节点程序设计

传感器节点采用STM8芯片，通过LoRa模块接入网关，主要功能有定时采集传感器数据、主动上传至网关。具体设计如图3所示。

3.1.2 控制节点程序设计

控制节点采用STM8芯片，通过LoRa模块接入网关，主要功能有接收服务器的控制指令、控制电磁阀和电动阀等执行机构、定时检测执行机构的开关状态并上传至网关。具体设计如图4所示。

3.1.3 网关节点程序设计

网关节点采用STM8芯片，通过LoRa模块与节点组网，并通过4G或WiFi接入工控机。主要功能有数据转发、将节点主动上传的数据发送至上位机、将上位机下发的指令发送至节点。具体设计如图5所示。

3.2 关键模块详细设计

3.2.1 数据管理模块

数据管理模块主要负责展示传感器的事实数据、历史数据、设备操作日志、生成数据曲线图等功能。具体实现代码如图6所示（以传感器数据列表为例）。

3.2.2 控制规则设定模块

为了实现设施农业温室大棚的智能化管理，系统提供3种控制方式，分别是手动控制、时间控制、阀值控制。其中阀值控制规则为复杂控制规则，允许用户自定义设备与传感器进行多对多绑定，从而实现自动灌溉、自动加湿、自动抽风等效果。具体实现代码如7所示（以时间控制代码为例）。

4 系统运行效果

基于LoRa的设施农业温室大棚智能化控制系统实现后的运行效果如图8所示。

5 结论

本文设计了一种基于LoRa技术的设施农业温室大棚智能化控制系统，通过传感器实时反馈温室大棚内生产环境数据并按用户需求进行多种生产设备的智能化控制，可以在农业温室大棚推广应用，以取得较好的社会效益与经济效益。

参考文献：

[1] 张惠芬.JavaScript的理论分析及其应用[J].衡水学院学报，2006，8（1）：45-46.

[2] 余起怡.基于JavaScript的三维智慧校园电子地图系统开发[J].黑龙江工程学院学报，2018，32（4）：32-35.

（责任编辑：赵中正）