基于LoRa的养猪场环境监测系统设计.pdf

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，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 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STM32F103VET6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 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 LoRa通信程序设计LoRa终端节点每隔固定时间向LoRa网关节点发送养猪场的环境数据，与网关节点通信的请求帧设计如表1所示。LoRa网关节点接收到终端节点发送过来的数据后将其转发到物联网云平台，网关节点接收到终端节点数据的响应帧设计如表2所示。4 结语综上所述，集约化健康养殖已经成为当今较为普遍的养殖方式，将物联网技术融入生猪养殖的日常管理工作，LoRa终端节点采集并发送数据到LoRa网关，LoRa网关收到数据后将其发送到物联网云平台，数据管理中心即手机App从云平台获取养猪场各位置的数据，养殖人员能精准地掌握生猪所处的各项环境参数。当温湿度、CO2浓度、NH3浓度等环境参数超过理想的阈值时，猪场管理人员能及时采取干预措施，保证生猪健康成长的同时实施高产量养殖。参考文献：1 蒋鹏.基于LoRa无线通信的煤矿矿井环境智能监测系统设计J.煤炭技术，2023，42(7)：206-208.2 王纪刚，袁红兵，张相田.无线温湿度数据采集板的设计J.机械制造与自动化，2013，42(6)：113-117.3 纪华志，袁江南，兰冠杰.基于LoRa的环境质量检测系统J.科技风，2023(8)：74-76.表1请求命令结构HEADCMDNET_ID_HNET_ID_LLORA_ADDRLENDATACHK0123456(n-1)n1字节1字节1字节1字节1字节1字节n-6字节1字节0 x55命令编码网络ID高字节网络ID低字节LORA地址数据域长度数据域SUM表2响应命令结构HEADCMDNET_ID_HNET_ID_LLORA_ADDRACKLENDATACHK01234567(n-1)n1字节1字节1字节1字节1字节1字节1字节n-7字节1字节0 x55命令编码网络ID高字节网络 ID低字节LORA地址响应数据域长度数据域SUM（下转第103页）2023 年 10 月上乡村振兴103Rural Revitalization5.4 改善农村购物软环境农村的购物场所一般是家庭式的小商店，其进货渠道不明确、产品种类不齐全、产品质量良莠不齐、服务质量欠缺，同时市场的监管力度较小，上述任何一种因素都会打击农村居民在农村甚至是乡镇的消费积极性。因此，需要建立一种现代科学的购物场所，改善农村的购物软环境。5.4.1设立符合农村居民消费的二级市场和三级市场乡镇的二级市场需要根据每个乡镇村子数量多少和消费能力的强弱来建立，精心选择适合农村居民消费的产品种类、质量、品牌、价格。三级市场的建立则是在二级市场的基础之上，三级市场的特点为数量较多，但规模小。5.4.2二级市场与三级市场从属于一级市场二、三级市场的商品统一由一级市场提供，采用同样的价格和结算方式。一级市场有权对二、三级市场的销售情况及产品质量进行核查，定期处理销售情况较差和即将过期的产品，避免食品安全问题的出现。5.5 完善网上购物各环节衔接与安全问题解决农村居民网购信心不足的问题，需要从商家信用、支付方式以及物流三个方面着手。5.5.1建立明确的信用评价体系大多数商家为了提高销量，夸大产品效果、以次充好、假冒生产厂商，甚至通过刷单获得好评来吸引消费者，导致商家与消费者之间容易出现信息不对称的现象。为了打消消费者的顾虑，需要将商家的相关信息暴露在大众眼光之下。5.5.2采取农村居民信任的支付方式大数据营销使得商家能够进行精准销售，而消费者面临的是信息泄露的危机。随着电子支付越来越便捷，随之而来的是对电子支付安全性的考验。为了打消农村居民对电子支付的疑虑并满足其网购的需求，商家可以提供满足消费者需求的购物方式，如农村居民普遍接受的货到付款的方式，若有退款情况发生，则由快递公司进行代收。5.5.3扩大分散物流范围物流服务面积越广，则享受到物流服务的人群越多。因此，应尽可能地在农村进行区域划分，使得快递公司能够进村服务，农村居民在家门口就可以取寄包裹，提高农村居民物流使用率。参考文献：1 国家统计局.中华人民共和国2022年国民经济和社会发展统计公报R/OL.（2023-02-28）.http:/ 王静.浅议农民收入不确定性对消费的影响J.价格理论与实践，2011(8)：76-77.3 方松海，王为农，黄汉权.增加农民收入与扩大农村消费研究J.管理世界，2011(5)：66-80+187-188.4 凡勃伦.有闲阶级论 M.钱厚默，译.海口：南海出版社，2007：102.5 BAUDRILLARD J.For a Critique of the Political Economy of the SignM.New York:Telos Press,1981:38.6 孙虹乔.农村基础设施建设与消费需求的增长：基于1978-2009年经验数据的实证J.消费经济，2011，27(5)：33-36.7 刘伦武.农村基础设施发展与农村消费增长的相互关系：一个省际面板数据的实证分析J.江西财经大学学报，2010(1)：77-81.8 国家统计局.2022中国统计年鉴M.北京：中国统计出版社，2022.9 范和生，刘凯强.符码消费镜像中的心理异化及实践逻辑：兼论鲍德里亚的消费社会学J.宁夏社会科学，2016(2)：104-109.10 汤飞飞.农村电商与居民消费耦合发展的问题与对策J.农业经济，2021(9)：68-70.11 王宸圆.农村电商与农村居民消费升级协同发展J.商业经济研究，2020(15)：82-85.12 苗娜娜.我国农村物流末端配送的机遇、挑战及优化J.农业经济，2020(2)：140-141.4 张立志.基于LoRa的猪舍环境多元参数监测系统D.武汉：华中农业大学，2022.5 崔文岩，康明，梁书溢，等.基于LoRa的室外环境监测系统设计J.物联网技术，2022，12(6)：16-19.6 赖双亮，姚继红.数据管理软件在养猪生产中的应用J.畜禽业，2022，33(8)：36-38.7 车守全，张盼，杨欢，等.基于LoRa的智能农业灌溉监测系统的设计与实现J.山东工业技术，2020(1)：110-114.8 李文豪，陈仲生，方乡.面向环境监测的LoRa自组网网关设计J.电工电气，2023(4)：53-59.9 陈小利，黄戌霞，林静.LoRa和NB-IoT通信技术在环境监测中的应用J.电子技术，2023，52(1)：16-18.10 李欣敏.基于LoRa物联网技术的城市环境中水质监测系统的设计与实现J.中国新技术新产品，2022(24)：27-29.（上接第72页）