基于LoRa的养猪场环境监测系统设计.pdf
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1、2023 年 10 月上71Agricultural Machinery and Agronomy农机与农艺作者简介:张玲玉(1988),女,湖南新化人,硕士研究生,讲师,研究方向为物联网技术感知层和网络层。通信作者:卿晶晶(1988),女,湖南邵阳人,硕士研究生,讲师,研究方向为物联网技术应用层。基于 LoRa 的养猪场环境监测系统设计张玲玉,卿晶晶(长沙民政职业技术学院,湖南 长沙 410004)摘要:针对大型养猪场环境监测范围大、数据量大、传输距离远和功耗高等问题,研究团队利用低功耗的广域网技术设计了一套基于LoRa的养猪场环境监测系统。本研究根据大型集约化养猪场的环境监控需求,开发能采
2、集温湿度、CO2浓度、NH3浓度的LoRa无线发射终端和LoRa网关,实时监测并转发养猪场的环境数据,并且在环境参数出现异常告警时系统能及时作出响应,为生猪打造一个更健康的生长环境,对实施高量产养殖有很重要的意义。关键词:养猪场环境;测量;LoRa中图分类号:X84;TP274 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1672-3872.2023.19.020随着经济社会的快速发展,集约化智能养殖已经成为当前生猪供应的普遍养殖方式,将生猪集中养殖在一起,利用先进的物联网技术对生猪进行统一管理,对生猪生长环境的各项参数进行精准监测。物联网由感知层、网络层及应用层构成,物联网网络层常
3、用的通信技术有蓝牙、Wi-Fi、ZigBee、LoRa和NB-IoT等1-3。在这些通信技术中,蓝牙通信距离只有10 m,ZigBee和Wi-Fi的覆盖范围在200 m左右,且工作在2.4 G频段,信号的穿透能力较弱,NB-IoT通信覆盖范围广,能满足养猪场环境监测系统的要求,但是NB-IoT工作在1 G以下的付费频段,且依赖运营商的基站网络,而LoRa工作在ISM免授权频段,不依赖运营商,可灵活自建网络4。为了更有效监测养猪场环境,本研究组建覆盖全养猪场的LoRa无线通信网络,以STM32单片机为基础开发用于CO2浓度、NH3浓度、温湿度等信号采集、发送和接收的模块。1 系统总体设计CO2浓
4、度、NH3浓度、温湿度对生猪的健康生长至关重要,养猪场的环境需以这三个信号或者更多其他信号作为参考基准,即传感器节点采集到环境数据后,经过单片机处理,并传输出去。LoRa有低功耗、广覆盖、远距离、低成本等特点5-6,因此系统的数据传输选择LoRa无线通信技术,基于LoRa的生猪养殖监测系统框图如图1所示,由LoRa终端节点、LoRa网关、手机App等部分组成。针对养猪场需要监测的位置,将养猪场分成若干个区域,每个区域部署一个网关和若干个终端节点,终端节点负责将该节点采集到的 CO2浓度、NH3浓度、温湿度借助LoRa无线通信网络发送到其对应的网关,LoRa网关将接收到的信号上传到物联网云平台,
5、监控App从物联网云平台实时获取数据,App用户可以根据获取到的数据实时评估养猪场环境,做到集中高效管理、健康智能化养殖。APPApp运营商云服务平台温湿度测量NH3浓度测量CO2浓度测量温湿度测量NH3浓度测量CO2浓度测量温湿度测量NH3浓度测量CO2浓度测量LoRa网关远程监控中心LoRa无线通信LoRa无线发射终端图1基于LoRa的生猪养殖监测系统框图2 LoRa节点设计图1的系统框图的LoRa节点分终端节点和网关汇聚节点,终端节点负责采集数据并将其发送出去,网关节点接收从终端节点发送过来的数据并转送到云平台,数据监控中心从云平台实时获取数据,进行养猪场环境的综合判断。L o R a
6、终 端 节 点 主 要 由 单 片 机 处 理 芯 片STM32F103VET6、时钟、供电电源、复位、JTAG接口、LoRa组成,外接DHT11采集温湿度数据,接722023 年 10 月上Agricultural Machinery and Agronomy农机与农艺GS-Y系列CO2浓度传感器采集CO2浓度,接NH3浓度传感器MQ137采集NH3的浓度。LoRa终端节点基本结构如图2所示。CO2浓度传感器温湿度传感器NH3浓度传感器STM32F103VET6开发板数字温湿度传感器DHT11LoRa无线模块SPIRS485温湿度CO2NH3图2LoRa终端节点基本结构LoRa终端节点中ST
7、M32F103VET6是意法半导体公司出品的32位的基础型微控制器,外设资源多,功耗最低为1.9 A。CO2浓度测量采用红外CO2气体传感器GS-Y5,工作平均电流约5.5 mA,分辨率1 ppm,测量范围400 ppm10 000 ppm,精度(50 ppm+5%读数),最大响应时间2 min。NH3浓度的测量采用传感器 MQ137,使用寿命长,成本低,对NH3的灵敏度较高,检测范围 5 ppm500 ppm,加热功耗900 mW。温湿度传感器采用DHT11,温度测量范围0 50,测量误差2,湿度测量范围 20%95%,测量误差 5%,工作电压 3.3 V5.5 V。LoRa 无线模块选择
8、SX1278,采用调频扩频技术,其工作在420 MHz450 MHz频段,发射功率为100 mW,最大发射功率20 dBm,支持多种调制模式,FIFO容量大,支持256 Byte数据缓存,接收灵敏度-148 dBm,SPI通信接口,可与STM32F103VET6直接连接7-8。LoRa 网关节点接收来自终端节点发送过来的温湿度、CO2浓度、NH3浓度等环境数据,并通过 GPRS 或者以太网将数据上传到运营商云平台。LoRa 网关节点和终端节点一样单片机处理芯片用的 STM32F103VET6,LoRa 模块用 SX1278,STM32F103VET6与SX1278通过SPI通信9-10。3 L
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