碳中和背景下基于LoRa组网的智能化无土栽培种植系统的设计*
*项目来源：郑州工商学院科研创新项目，项目编号：2021-KYFH-04
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202204/433470.htm摘要：同时对每个子系统节点加入了光伏发电技术和低功耗LoRa组网功能，光伏发电技术可以利用太阳能清洁能源产生电能供一部分设备工作，低功耗LORA组网技术则使产品间可以实现远距离通信，为大规模种植提供了技术支持，也能够适应未来更加复杂的应用场景。
1 引言
1.1 研究背景及意义
随着碳达峰与碳中和双碳相关政策的提出，社会各界也已开始在各项领域中对碳中和政策进行进一步落实。基于此，本文提出了基于碳中和背景与LoRa（远距离无线电，Long Range Radio））组网技术的智能化无土栽培种植系统，该系统是在之前的研究成果文献[1]的基础上，对实现的功能进行更进一步的优化与设计。本文作者在文献[1]中设计了一套基于计算机视觉技术与物联网云技术实现的，具有对无土栽培营养液浓度自动配比、对植物生长温湿度、光照等条件进行智能化管理的种植系统。该系统通过计算机视觉技术以及各个传感器的数值达到自动管理无土栽培过程中蔬菜生长所必需的变量，始终将数值控制在合理范围内，令蔬菜不受季节限制、天气影响、虫害影响，同时也提高了作物的安全系数，为蔬菜安全生产提供技术支持。而本文将在前文的基础上考虑对设计增加光伏发电技术和低功耗LoRa 通信网络，以使得该设计能够适应更多更广泛的应用前景。
其中光伏发电技术与低功耗LoRa 组网技术，在智能化无土栽培种植系统中的应用，具有一定的创新性和实用性，体现在：（1）低功耗LoRa 通信网络的设计充分利用了LoRa 通信模组的低功耗特性，使得可以在多个不同的地点同时布置多个种植设备，并对其进行实时监测，使其多点大规模种植得以实现。（2）利用太阳能，能够在一定程度上降低该系统的能源消耗，本设计将太阳能转化为电能储存到同步充放电移动电源SoC（系统级芯片）当中，从而可以一边获取太阳能一边为系统进行辅助供电。
1.2 主要研究内容
综上，本文的主要研究内容有如下两点：
1) 低功耗LoRa 通信网络的组成与部署，包括:LoRa 硬件设备的选型，通信方式的设计，低功耗LoRa通信网络的实现。
2) 光伏发电技术的应用与如何降低设备的能源消耗，包括光伏发电如何与该种植系统进行有机结合，以及如何有效降低系统的能源消耗。
2 系统的总体设计与方案选择
2.1 系统的总体设计
该智能化无土栽培种植系统，首先通过控制蠕动泵将水和营养浓缩液按比例调配为适宜植物生长浓度的营养液，同时蠕动泵通过利用市电以及同步充放电移动电源SoC 所放出的电能，将培养液抽至种植层的最上层，这里的移动电源SoC 起到了一个将光伏板采集到的电能进行存储的作用。
同时由于受到重力的作用，营养液会连续流经其它种植层，最终到达底部盛有培养液的容器内，形成一个循环。图1 为该系统总体设计结构图。在该系统工作过程中，配合计算机视觉与传感器技术对植物生长过程进行监测，同时进一步反馈给控制终端，对植物生长的环境进行调制。每一套种植架，作为一个种植节点，接入LoRa 网络进行数据收集和处理。
图1 系统结构图
2.2 LORA设备的选择
LORA 组网最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3-5 倍。
本文中选择使用正点原子的LoRa 模块ATKLORA-01 作为通信模组基础单元，该模块与MCU（微控制器）之间可采用串口进行通信，使用起来较为方便。同时，该模块具有低功耗，传输距离远，抗干扰性强的特点。模块支持AT 指令配置，使用方法简单。在数据发送方面：集成32 位高性能MCU，在算法加成的条件下可以达到数据自动分包发送，发送字节可达512 B。
2.3 LoRa组网方式的选择与设计
LoRa 模块的传输方式可以分为两大块，分别是透明传输与定向传输。[2]
透明传输分为点对点和点对多。点对点：两个模块之间的传输，地址相同，信道相同，无线速率相同，一个发送一个接收；点对多：多个模块之间的传输：一个发送，N 个接收。透明传输的要求为：地址相同，信道相同，无线速率相同。在透明传输中每个模块都可以做发送或者接收，数据完全透明，所发及所得。
定向传输能够在发送数据时修改地址和信道就可以指定数据发送到任意的地址和信道。同时，在定向传输过程中模块地址可变，信道可变，也速率相同。因此，本系统中采用定向传输实现组网功能。定向传输方式如图2 所示。
图2 定向传输（点对点）
3 关键方案设计
3.1 低功耗LoRa通信网络的设计
在LoRa 通信网络中，将LoRa 模块分为子节点与终端节点，其中子节点装在每一个智能化无土栽培种植架单元中，由多个子种植架单元通过LoRa 组网技术组成低功耗通信网络。每个LoRa 模块的子节点都通过串口与单元种植架上的STM32 单片机相连接，STM32 单片机读取到单元种植架上各个外设传感器的数值之后，将数据通过串口并经由LoRa 子节点，通过定向传输的方式将数据分包发送到终端节点控制中心。
终端节点设计了一套额外的数据接收和存储电路，其在该系统中的功能是收集所有子节点所发来的数据。在接收到所有子节点发送的数据后， 每过一段时间， 终端节点会将这些数据经由串口发送给与MCU 对数据进行打包处理，再将数据通过ESP8266 Wi-Fi通信模块，发送到云服务器，从而实现数据的远距离传输，对于云端数据的采集和处理，具体实现方式可见文献[1]。云端对收集到的数据进行分析和计算，并根据此来分析植物的生长状态，以及生长环境等信息，一旦出现偏离预定值的情况，云端会将修正命令，通过这一网络分发给各个种植子系统节点，并逐一对其进行修正。图3 为低功耗LoRa 通信网络的结构框图。
图3 低功耗LoRa通信网络结构框图
3.2 光伏发电方案的设计
光伏发电板所发出来的电并不能直接被同步充放电移动电源SOC 所利用，因此该系统设计了一个缓冲电路，将光伏板采集到的电能，转换成能够给移动电源SOC 充电的电信号。经过查阅资料最终确定使用CN3791 MPTT 光伏发电板电池充电模块。整个系统在光伏发电板给同步充放电移动电源SOC 充电的同时，同步充放电移动电源SOC 也可以给水泵和植物补光灯灯进行供电。如图4 所示。
图4 光伏板给移动电源充电电路
经过实验计算，在对该系统采用光伏辅助供电方式后，在日照时长6 小时，环境温度20℃的前提下，每单位面积内，相比较之前不加光伏发电板，设备的总用电量减少了约21%，能够在一定程度上节省了能源。达到了充分利用清洁能源的目的。
4 总结
本设计将光伏发电与低功耗LoRa 通信网络，与智能化无土栽培种植系统进行有机结合，是一个较为新颖的尝试。并且在一定程度上做到了落实双碳政策的要求。由于时间原因，该系统还存在一些不足，需在后续研究过程中在以下方面进一步优化。①在光伏发电方面，将会扩大发电板进行完全太阳能供电尝试，进一步优化低功耗系统。②在低功耗LoRa 通信网络方面，会进一步优化STM32 单片机中的程序算法，使其接收数据更加快速，准确，并尝试组建更大的低功耗LoRa 通信网络适用于现代农业。③提升本系统的容错率。与此同时，也将继续结合该系统自身特点，寻求更多的可以将该智能化无土栽培种植系统实现碳中和概念为目的的，可行性方案的研究工作。
参考文献：
[1] 祝朝坤,谷会斌.基于计算机视觉技术的无土栽培蔬菜种植系统的研究与设计.[J].电子产品世界,2021,28(12):95-98.
[2]] 肖灿,任鹏,唐立军.LoRa组网的数据传输速率与距离均衡性研究[J].单片机与嵌入式系统应用,2020,20(08):16-20.
[3] 丁乾.新能源光伏发电技术应用的思考[J].智能城市,2021,7(24):76-77.
[4] 郭子兴.储能技术在光伏发电系统中的应用[J].电子产品世界,2021,28(11):83-85.
[5] 冯驰,吴丽莎,丁蕾,陈山,陈智鸣.基于LoRa自组网无线传输技术实现用电信息采集系统设计[J].计算机测量与控制,2021,29(04):175-179.
（本文来源于《电子产品世界》杂志2022年4月期）
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