摘 要：近年来，随着物联网各产业相关技术的快速发展，工作生活上越来越多的事物走向信息化，大大减轻了人们的生活负担，节省了大量劳动力，也使得经济迅速发展。本项目考虑到温室作物生长环境对作物产量的影响直接关系到作物的收益，而人们在生产过程中仅仅依靠感官和简单的设备对作物生长状况进行判断，难以把控产品质量，特利用物联网相关技术帮助生产者实现温室生产的精准化管理。利用LoRa相关技术配合传感器实现植物周边环境信息的实时采集和分析，保证植物生长环境的最优化，以产出品质优良的产品，帮助人们实现较高的收益。
关键词：温室监控系统；LoRa；传感器
中图分类号：TP391.44；TN929.5 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）09-0187-03
Abstract：In recent years，with the rapid development of related technologies in various industries of the internet of things，more and more things are becoming information-based in work and life which has greatly reduced peoples burdens，saved a lot of labor，and has enabled rapid economic development. This project takes into account the impact of greenhouse crop growth environment on yield，which is directly related to crop yields. In the process of production， people only rely on sensory and simple equipment to judge the growth of crops，and it is difficult to control the quality of the products. The technology of Internet of things is used to help producers to realize the precision management of greenhouse production. The real-time collection and analysis of plant surrounding environment information are realized with LoRa related technology to ensure the optimization of plant growth environment to produce high quality products and help people achieve higher income.
Keywords：Greenhouse monitoring system；LoRa；sensors
0 引 言
LoRa是由Semtech公司在2013年发布的基于扩频技术的远距离通信调制技术，属于窄带低功耗广域网（LPWAN），经过几年的发展，伴随物联网产业规模的不断扩大，该技术在物联网产业中得到了很大范围的应用，相关产品的性能也越来越成熟稳定[1，2]。它发展至今已经拥有了一套非常完整的生态链，从芯片到服务器，大大小小的环节都有很多企业参与，能够给用户提供全方面的服务保障。其优点有通信距离长、功率损耗低、接收灵敏度高等，且用户可以自主搭建服务器而不使用运营商网络，这使用户对其更加青睐。目前LoRa通信使用的频率在无需登记的频段，例如433MHz、915MHz等，这样可以有效的节约成本，低于需要一直缴纳通信费用的运营商网络。
其通信方式类似星型拓扑结构分布，整个系统大概由LoRa模块、LoRaWAN网关、LoRaWAN服务器、用户服务器组成。LoRaWAN是基于物理层（LoRa模块）在上层数据链路层规定的一组协议，主要由程序控制来实现，其实现了通信之间的多信道通信、信道管理和切换、自适应传输速率、定时收发，节点接入校验与数据加密等功能，LoRaWAN还可以消除硬件之间的不兼容，比如同一系统中出现多种LoRa设备，这时LoRaWAN就起到关键作用。
LoRa的前景非常可观，因为相比与其他物联网通信技术而言，其发展时间长、技术相对成熟，同时在各个环节能够产生大量利润，从而吸引了许多公司加盟。中国LoRa应用联盟（China Lora Application Alliance，简称CLAA）在LoRa Alliance支持下，由中兴通讯发起，吸引各行业物联网合作伙伴加入并制定相关发展和建设规划。伴随着全球物联网发展的大趋势，再加上政策引导，我们周围将出现越来越多的事物加入物联网行列，即便经过一段时间，也并不会出现衰弱趋势。
1 系统整体设计
1.1 要求
植物生长期间，周边环境因素对植物的产量和品质有很大的影响。对于温室植物种植中高利益收入的植物来说，物理环境不利，将对植物产量和品质产生消极影响，从而导致农民的有效收益大大减少。因此需要一套监测设备来监测植物生长的必要因素（二氧化碳、光照、温度、土壤湿度、空气湿度等），并将数据发送至上位机进行分析，根据分析的结果对风扇通风、补光设备、补热设备以及滴灌设备进行控制，实现作物生长环境的精准测量，并根据理论精准控制，以此达到创造最优化生长环境，且人们不用耗费过多精力，节省了大量劳动力，并可以实现规模化生产。
1.2 系统设计说明
如图1所示，MCU端布置在温室内，用以控制各种执行设备和传感器，传感器将环境对敏感元件产生的变化生成相应的数据发送给MCU，MCU将数据传送给基于LoRa技术的通信模块并发送到网关，网关将数据上传到上位机显示、记录、分析，上位机根据分析结果将执行指令发给MCU用以控制设备，以此构成一个物联网温室监控系统。
2 硬件电路设计
2.1 MCU系统电路
MCU采用的是STC89C52芯片，使用5V供电，内置8K字节ROM，512字节RAM，需要使用外部时钟电路，一个机器周期大约为1.08ms，主要利用的片内外设有UART、32个双向或准双向I/O口和定时计数器。
2.2 AS32-TTL-100LoRa通信模块
AS32-TTL-100模块的功率为100mW（20dBm），接收灵敏度为-130dBm，天线增益为5dBi，频率为410-441MHz，共提供32个信道，可配置地址65536个，传输距离理想状态下为3000m，采用TTL串口输入输出，波特率为1200-115200bps，有四种通信模式，即通用模式、唤醒模式、省电模式和睡眠模式。
它采用的SX1278扩频调制主控芯片，结合高效的循环交错纠错编码算法，能够应对突发干扰情况，并内置用于保存LoRaWAN协议的芯片，通过上位机参数配置软件，将参数烧入模块中，调整通信信道和地址。其内置的LDO电路使当模块大于5V供电时，也可稳定输出3.3V电压，这样就出现了无法与5V MCU通信的问题。因此应在RXD/TXD引脚接入10K上拉电阻，将电压拉至5V，以使模块与MCU之间能够正常通信。其M0/M1引脚用于控制工作模式，AUX引脚非通信下处于低电平，每次发送和接收会被拉至高电平，以此进行通信校验。
网关连接上位机需要进行USB转换后连接上位机，采用CP2102芯片，将通过USB端口发送或接收的数据转换为UART串行端口进行发送或接收，且需要搭配上位机的驱动程序一起完成工作。
2.3 相关传感器
2.3.1 MG811二氧化碳传感器
MG811二氧化碳模拟传感器采用原电池原理，化学反应如下：
该传感器的敏感元件需要进行加热才能发生化学反应，当加热到较高温度时，两电极产生的化学反应构成一个原电池，两端会输出电流信号，通过电阻后产生电压，根据传感器特性曲线显示浓度越低输出电压越高，随后通过阻抗变换运算放大器CA3140将信号放大，然后进行电压信号的读取，再转换成有直接意义的二氧化碳浓度值[3]。该传感器对二氧化碳的读取范围是350-10000 ppm，并不适用于高浓度二氧化碳的测定，而温室当中的二氧化碳浓度属于常见浓度，所以比较合适。
将MG811引脚输出的模拟电压值送至ADC0809，MCU控制ADC0809转换并通过端口P1读取转换后的值。下面使用相同过程的TEMT6000和FC-28不再一一介绍。
2.3.2 TEMT6000光照强度传感器
TEMT000光强模拟传感器由一个光敏三极管构成，采用的是5V供电，光强照射传感器的敏感元件时，将会在三极管基极产生一个与光强相对应的电流，这时三极管的导通度不同，其集电极输出的电压也将根据光照强度发生变化，可读取的光强范围为1-1000 Lux，输出电压为0V-5V，呈线性比例变化，可直接根据读取到的电压值转换成光强数据输出。TEMT6000对光照强度的反应范围也是人们经常可以遇到的，比较适合农业生产上的应用和常规测量。
2.3.3 FC-28土壤湿度传感器
FC-28土壤湿度模拟传感器根据土壤的湿度变化时电阻也将发生变化，这样传感器探头与假想电阻构成回路，假想电阻的变化与电流成反比、与电压成正比，由此输出范围为0V-5V，呈比例变化。因没有具体数值可以衡量土壤湿度，可以采用相对湿度的表示方法，使用百分比表示湿度大小。
2.3.4 DHT11温湿度传感器
DHT11数字温湿度传感器是一款数字输出型温湿度传感器，它内部集成了两个敏感元件用以感受温湿度的变化，并添加了单总线设备进行通讯[4]。单总线是Dallas公司推出的串行总线技术，这种通信方式使系统的总线接口减少，适合一些需要减少接线的场合。单总线的工作时序也与其他总线有天壤之别，单总线空闲时一直由主机拉高总线，等到需要唤醒时，主机拉低总线20ms，从机内部的芯片读取到总线拉低，等待主机拉高总线后，从机开始控制总线进行通信，从机先发出80μs给主机表示从机存在响应，主机和从机进入等待接收或发送数据模式。
因为本传感器只使用到了从机发送数据，所以不再对主机写时序进行阐述。从机高电平持续时间的长短决定该数据位是1还是0，当高电平持续时间为28μs时表示0，当高电平持续时间为70μs时表示1，根据此时序，使主机在30μs和70μs之间进行检测，以此判断该位为1还是0，每传送一位数据都会有50μs的低电平间隙，当最后一位数据传送完后，从机产生间隙后，控制权返回给主机，主机将总线拉高进入空闲模式。该传感器需在上电1s后才可进入工作状态，需要在数据线上接入4.7K上拉电阻，以保证通信的稳定性，随后主机发送开始信号，从机响应完后即开始传送40位温湿度数据。
3 软件程序语言编写
3.1 测量端
MCU程序用C语言编写，使用KEIL软件编译并生成HEX文件，并通过串口烧写软件将HEX文件烧入ROM中[5]。MCU上电后，先对寄存器进行配置。
当特殊功能寄存器PCON的SMOD位取0，TMOD值为0x22，SCON值为0x50，TH1和TL1同为0xfd时，定时器溢出率为307200，串行端口波特率为9600bps，随后持续等待上位机指令，接收到指令后开始运行程序以完成相应的功能。
ADC0809采用逐次逼近原理，ABC引脚为三位地址，用以控制一个模拟量输入引脚有效，ALE用以将地址存入寄存器，ST为启动AD转换，EOC为检测转换是否结束，OE控制输出。
ADC0809需要一个时钟信号输入以进行AD转换，本程序利用定时/计数器T0产生中断，由中断函数通过P2^1向外产生时钟信号。
3.2 上位机
上位机使用Visual Basic进行用户界面设计，Visual Basic是基于Windows系统的程序设计语言，程序首先对串口参数进行配置，以保证可以和MCU正常通信，然后根据按钮提示，发出指令控制MCU。
当MCU将数据发送至上位机后，会将当前数据记录到上位机文本中，并且可以根据选择的农作物不同提供不同的作物生长数据库，用以匹配出最佳的控制方案。
4 结 论
整个系统成本低、简单、易于维护，可以实时对农场进行监控。系统共提供了5项信息的检测和4项执行器的控制，可以完成作物生长环境上基础的管理，并保留了可扩展性，可以在此之上完成更高科技含量、更现代化的产品。
参考文献：
[1] 王阳，温向明，路兆铭，等.新兴物联网技术——LoRa [J].信息通信技术，2017，11（1）：55-59+72.
[2] 郑华开.LoRa技术给未来物联网产品带来新的起点 [J].电子世界，2016，24（15）：146.
[3] 陈玉伟，张丛.压电传感器放大电路设计 [J].环境技术，2017，35（3）：68-70.
[4] 王庆春，何晓燕.基于FPGA的温湿度测量系统设计 [J].电子测量技术，2016，39（12）：113-117.
[5] 王然升，陈兆梅，廉亚囡.软件在单片机开发中的应用 [J].消费电子，2014，12（14）：201.
作者简介：张攀（1996.11-），男，河北邯郸人，本科。研究方向：自动控制；杨扬（1986.05-），女，山东东营人，硕士。研究方向：自动控制。
