碳中和背景下基于LoRa組網(wǎng)的智能化無(wú)土栽培種植系統的設計*

*項目來(lái)源：鄭州工商學(xué)院科研創(chuàng )新項目，項目編號：2021-KYFH-04

摘要：同時(shí)對每個(gè)子系統節點(diǎn)加入了光伏發(fā)電技術(shù)和低功耗LoRa組網(wǎng)功能，光伏發(fā)電技術(shù)可以利用太陽(yáng)能清潔能源產(chǎn)生電能供一部分設備工作，低功耗LORA組網(wǎng)技術(shù)則使產(chǎn)品間可以實(shí)現遠距離通信，為大規模種植提供了技術(shù)支持，也能夠適應未來(lái)更加復雜的應用場(chǎng)景。

關(guān)鍵詞：碳中和；無(wú)土栽培；LoRa組網(wǎng)；光伏發(fā)電

1   引言

1.1 研究背景及意義

隨著(zhù)碳達峰與碳中和雙碳相關(guān)政策的提出，社會(huì )各界也已開(kāi)始在各項領(lǐng)域中對碳中和政策進(jìn)行進(jìn)一步落實(shí)?；诖?，本文提出了基于碳中和背景與LoRa（遠距離無(wú)線(xiàn)電，Long Range Radio））組網(wǎng)技術(shù)的智能化無(wú)土栽培種植系統，該系統是在之前的研究成果文獻^[1]的基礎上，對實(shí)現的功能進(jìn)行更進(jìn)一步的優(yōu)化與設計。本文作者在文獻^[1]中設計了一套基于計算機視覺(jué)技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)實(shí)現的，具有對無(wú)土栽培營(yíng)養液濃度自動(dòng)配比、對植物生長(cháng)溫濕度、光照等條件進(jìn)行智能化管理的種植系統。該系統通過(guò)計算機視覺(jué)技術(shù)以及各個(gè)傳感器的數值達到自動(dòng)管理無(wú)土栽培過(guò)程中蔬菜生長(cháng)所必需的變量，始終將數值控制在合理范圍內，令蔬菜不受季節限制、天氣影響、蟲(chóng)害影響，同時(shí)也提高了作物的安全系數，為蔬菜安全生產(chǎn)提供技術(shù)支持。而本文將在前文的基礎上考慮對設計增加光伏發(fā)電技術(shù)和低功耗LoRa 通信網(wǎng)絡(luò )，以使得該設計能夠適應更多更廣泛的應用前景。

其中光伏發(fā)電技術(shù)與低功耗LoRa 組網(wǎng)技術(shù)，在智能化無(wú)土栽培種植系統中的應用，具有一定的創(chuàng )新性和實(shí)用性，體現在：（1）低功耗LoRa 通信網(wǎng)絡(luò )的設計充分利用了LoRa 通信模組的低功耗特性，使得可以在多個(gè)不同的地點(diǎn)同時(shí)布置多個(gè)種植設備，并對其進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，使其多點(diǎn)大規模種植得以實(shí)現。（2）利用太陽(yáng)能，能夠在一定程度上降低該系統的能源消耗，本設計將太陽(yáng)能轉化為電能儲存到同步充放電移動(dòng)電源SoC（系統級芯片）當中，從而可以一邊獲取太陽(yáng)能一邊為系統進(jìn)行輔助供電。

1.2 主要研究?jì)热?/strong>

綜上，本文的主要研究?jì)热萦腥缦聝牲c(diǎn)：

1) 低功耗LoRa 通信網(wǎng)絡(luò )的組成與部署，包括:LoRa 硬件設備的選型，通信方式的設計，低功耗LoRa通信網(wǎng)絡(luò )的實(shí)現。

2) 光伏發(fā)電技術(shù)的應用與如何降低設備的能源消耗，包括光伏發(fā)電如何與該種植系統進(jìn)行有機結合，以及如何有效降低系統的能源消耗。

2   系統的總體設計與方案選擇

2.1 系統的總體設計

該智能化無(wú)土栽培種植系統，首先通過(guò)控制蠕動(dòng)泵將水和營(yíng)養濃縮液按比例調配為適宜植物生長(cháng)濃度的營(yíng)養液，同時(shí)蠕動(dòng)泵通過(guò)利用市電以及同步充放電移動(dòng)電源SoC 所放出的電能，將培養液抽至種植層的最上層，這里的移動(dòng)電源SoC 起到了一個(gè)將光伏板采集到的電能進(jìn)行存儲的作用。

同時(shí)由于受到重力的作用，營(yíng)養液會(huì )連續流經(jīng)其它種植層，最終到達底部盛有培養液的容器內，形成一個(gè)循環(huán)。圖1 為該系統總體設計結構圖。在該系統工作過(guò)程中，配合計算機視覺(jué)與傳感器技術(shù)對植物生長(cháng)過(guò)程進(jìn)行監測，同時(shí)進(jìn)一步反饋給控制終端，對植物生長(cháng)的環(huán)境進(jìn)行調制。每一套種植架，作為一個(gè)種植節點(diǎn)，接入LoRa 網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據收集和處理。

圖1 系統結構圖

2.2 LORA設備的選擇

LORA 組網(wǎng)最大特點(diǎn)就是在同樣的功耗條件下比其他無(wú)線(xiàn)方式傳播的距離更遠，實(shí)現了低功耗和遠距離的統一，它在同樣的功耗下比傳統的無(wú)線(xiàn)射頻通信距離擴大3-5 倍。

本文中選擇使用正點(diǎn)原子的LoRa 模塊ATKLORA-01 作為通信模組基礎單元，該模塊與MCU（微控制器）之間可采用串口進(jìn)行通信，使用起來(lái)較為方便。同時(shí)，該模塊具有低功耗，傳輸距離遠，抗干擾性強的特點(diǎn)。模塊支持AT 指令配置，使用方法簡(jiǎn)單。在數據發(fā)送方面：集成32 位高性能MCU，在算法加成的條件下可以達到數據自動(dòng)分包發(fā)送，發(fā)送字節可達512 B。

2.3 LoRa組網(wǎng)方式的選擇與設計

LoRa 模塊的傳輸方式可以分為兩大塊，分別是透明傳輸與定向傳輸。^[2]

透明傳輸分為點(diǎn)對點(diǎn)和點(diǎn)對多。點(diǎn)對點(diǎn)：兩個(gè)模塊之間的傳輸，地址相同，信道相同，無(wú)線(xiàn)速率相同，一個(gè)發(fā)送一個(gè)接收；點(diǎn)對多：多個(gè)模塊之間的傳輸：一個(gè)發(fā)送，N 個(gè)接收。透明傳輸的要求為：地址相同，信道相同，無(wú)線(xiàn)速率相同。在透明傳輸中每個(gè)模塊都可以做發(fā)送或者接收，數據完全透明，所發(fā)及所得。

定向傳輸能夠在發(fā)送數據時(shí)修改地址和信道就可以指定數據發(fā)送到任意的地址和信道。同時(shí)，在定向傳輸過(guò)程中模塊地址可變，信道可變，也速率相同。因此，本系統中采用定向傳輸實(shí)現組網(wǎng)功能。定向傳輸方式如圖2 所示。

圖2 定向傳輸（點(diǎn)對點(diǎn)）

3   關(guān)鍵方案設計

3.1 低功耗LoRa通信網(wǎng)絡(luò )的設計

在LoRa 通信網(wǎng)絡(luò )中，將LoRa 模塊分為子節點(diǎn)與終端節點(diǎn)，其中子節點(diǎn)裝在每一個(gè)智能化無(wú)土栽培種植架單元中，由多個(gè)子種植架單元通過(guò)LoRa 組網(wǎng)技術(shù)組成低功耗通信網(wǎng)絡(luò )。每個(gè)LoRa 模塊的子節點(diǎn)都通過(guò)串口與單元種植架上的STM32 單片機相連接，STM32 單片機讀取到單元種植架上各個(gè)外設傳感器的數值之后，將數據通過(guò)串口并經(jīng)由LoRa 子節點(diǎn)，通過(guò)定向傳輸的方式將數據分包發(fā)送到終端節點(diǎn)控制中心。

終端節點(diǎn)設計了一套額外的數據接收和存儲電路，其在該系統中的功能是收集所有子節點(diǎn)所發(fā)來(lái)的數據。在接收到所有子節點(diǎn)發(fā)送的數據后， 每過(guò)一段時(shí)間， 終端節點(diǎn)會(huì )將這些數據經(jīng)由串口發(fā)送給與MCU 對數據進(jìn)行打包處理，再將數據通過(guò)ESP8266 Wi-Fi通信模塊，發(fā)送到云服務(wù)器，從而實(shí)現數據的遠距離傳輸，對于云端數據的采集和處理，具體實(shí)現方式可見(jiàn)文獻[1]。云端對收集到的數據進(jìn)行分析和計算，并根據此來(lái)分析植物的生長(cháng)狀態(tài)，以及生長(cháng)環(huán)境等信息，一旦出現偏離預定值的情況，云端會(huì )將修正命令，通過(guò)這一網(wǎng)絡(luò )分發(fā)給各個(gè)種植子系統節點(diǎn)，并逐一對其進(jìn)行修正。圖3 為低功耗LoRa 通信網(wǎng)絡(luò )的結構框圖。

圖3 低功耗LoRa通信網(wǎng)絡(luò )結構框圖

3.2 光伏發(fā)電方案的設計

光伏發(fā)電板所發(fā)出來(lái)的電并不能直接被同步充放電移動(dòng)電源SOC 所利用，因此該系統設計了一個(gè)緩沖電路，將光伏板采集到的電能，轉換成能夠給移動(dòng)電源SOC 充電的電信號。經(jīng)過(guò)查閱資料最終確定使用CN3791 MPTT 光伏發(fā)電板電池充電模塊。整個(gè)系統在光伏發(fā)電板給同步充放電移動(dòng)電源SOC 充電的同時(shí)，同步充放電移動(dòng)電源SOC 也可以給水泵和植物補光燈燈進(jìn)行供電。如圖4 所示。

圖4 光伏板給移動(dòng)電源充電電路

經(jīng)過(guò)實(shí)驗計算，在對該系統采用光伏輔助供電方式后，在日照時(shí)長(cháng)6 小時(shí)，環(huán)境溫度20℃的前提下，每單位面積內，相比較之前不加光伏發(fā)電板，設備的總用電量減少了約21%，能夠在一定程度上節省了能源。達到了充分利用清潔能源的目的。

4   總結

本設計將光伏發(fā)電與低功耗LoRa 通信網(wǎng)絡(luò )，與智能化無(wú)土栽培種植系統進(jìn)行有機結合，是一個(gè)較為新穎的嘗試。并且在一定程度上做到了落實(shí)雙碳政策的要求。由于時(shí)間原因，該系統還存在一些不足，需在后續研究過(guò)程中在以下方面進(jìn)一步優(yōu)化。①在光伏發(fā)電方面，將會(huì )擴大發(fā)電板進(jìn)行完全太陽(yáng)能供電嘗試，進(jìn)一步優(yōu)化低功耗系統。②在低功耗LoRa 通信網(wǎng)絡(luò )方面，會(huì )進(jìn)一步優(yōu)化STM32 單片機中的程序算法，使其接收數據更加快速，準確，并嘗試組建更大的低功耗LoRa 通信網(wǎng)絡(luò )適用于現代農業(yè)。③提升本系統的容錯率。與此同時(shí)，也將繼續結合該系統自身特點(diǎn)，尋求更多的可以將該智能化無(wú)土栽培種植系統實(shí)現碳中和概念為目的的，可行性方案的研究工作。

參考文獻：

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年4月期）