碳中和背景下基于LoRa組網的智能化無土栽培種植系統的設計*

*項目來源：鄭州工商學院科研創新項目，項目編號：2021-KYFH-04

摘要：同時對每個子系統節點加入了光伏發電技術和低功耗LoRa組網功能，光伏發電技術可以利用太陽能清潔能源產生電能供一部分設備工作，低功耗LORA組網技術則使產品間可以實現遠距離通信，為大規模種植提供了技術支持，也能夠適應未來更加復雜的應用場景。

關鍵詞：碳中和；無土栽培；LoRa組網；光伏發電

1   引言

1.1 研究背景及意義

隨著碳達峰與碳中和雙碳相關政策的提出，社會各界也已開始在各項領域中對碳中和政策進行進一步落實。基于此，本文提出了基于碳中和背景與LoRa（遠距離無線電，Long Range Radio））組網技術的智能化無土栽培種植系統，該系統是在之前的研究成果文獻^[1]的基礎上，對實現的功能進行更進一步的優化與設計。本文作者在文獻^[1]中設計了一套基于計算機視覺技術與物聯網云技術實現的，具有對無土栽培營養液濃度自動配比、對植物生長溫濕度、光照等條件進行智能化管理的種植系統。該系統通過計算機視覺技術以及各個傳感器的數值達到自動管理無土栽培過程中蔬菜生長所必需的變量，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、蟲害影響，同時也提高了作物的安全系數，為蔬菜安全生產提供技術支持。而本文將在前文的基礎上考慮對設計增加光伏發電技術和低功耗LoRa 通信網絡，以使得該設計能夠適應更多更廣泛的應用前景。

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

1.2 主要研究內容

綜上，本文的主要研究內容有如下兩點：

1) 低功耗LoRa 通信網絡的組成與部署，包括:LoRa 硬件設備的選型，通信方式的設計，低功耗LoRa通信網絡的實現。

2) 光伏發電技術的應用與如何降低設備的能源消耗，包括光伏發電如何與該種植系統進行有機結合，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

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

同時由于受到重力的作用，營養液會連續流經其它種植層，最終到達底部盛有培養液的容器內，形成一個循環。圖1 為該系統總體設計結構圖。在該系統工作過程中，配合計算機視覺與傳感器技術對植物生長過程進行監測，同時進一步反饋給控制終端，對植物生長的環境進行調制。每一套種植架，作為一個種植節點，接入LoRa 網絡進行數據收集和處理。

圖1 系統結構圖

2.2 LORA設備的選擇

LORA 組網最大特點就是在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠，實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線射頻通信距離擴大3-5 倍。

本文中選擇使用正點原子的LoRa 模塊ATKLORA-01 作為通信模組基礎單元，該模塊與MCU（微控制器）之間可采用串口進行通信，使用起來較為方便。同時，該模塊具有低功耗，傳輸距離遠，抗干擾性強的特點。模塊支持AT 指令配置，使用方法簡單。在數據發送方面：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分包發送，發送字節可達512 B。

2.3 LoRa組網方式的選擇與設計

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]

透明傳輸分為點對點和點對多。點對點：兩個模塊之間的傳輸，地址相同，信道相同，無線速率相同，一個發送一個接收；點對多：多個模塊之間的傳輸：一個發送，N 個接收。透明傳輸的要求為：地址相同，信道相同，無線速率相同。在透明傳輸中每個模塊都可以做發送或者接收，數據完全透明，所發及所得。

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

圖2 定向傳輸（點對點）

3   關鍵方案設計

3.1 低功耗LoRa通信網絡的設計

在LoRa 通信網絡中，將LoRa 模塊分為子節點與終端節點，其中子節點裝在每一個智能化無土栽培種植架單元中，由多個子種植架單元通過LoRa 組網技術組成低功耗通信網絡。每個LoRa 模塊的子節點都通過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外設傳感器的數值之后，將數據通過串口并經由LoRa 子節點，通過定向傳輸的方式將數據分包發送到終端節點控制中心。

終端節點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所發來的數據。在接收到所有子節點發送的數據后， 每過一段時間， 終端節點會將這些數據經由串口發送給與MCU 對數據進行打包處理，再將數據通過ESP8266 Wi-Fi通信模塊，發送到云服務器，從而實現數據的遠距離傳輸，對于云端數據的采集和處理，具體實現方式可見文獻[1]。云端對收集到的數據進行分析和計算，并根據此來分析植物的生長狀態，以及生長環境等信息，一旦出現偏離預定值的情況，云端會將修正命令，通過這一網絡分發給各個種植子系統節點，并逐一對其進行修正。圖3 為低功耗LoRa 通信網絡的結構框圖。

圖3 低功耗LoRa通信網絡結構框圖

3.2 光伏發電方案的設計

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

圖4 光伏板給移動電源充電電路

經過實驗計算，在對該系統采用光伏輔助供電方式后，在日照時長6 小時，環境溫度20℃的前提下，每單位面積內，相比較之前不加光伏發電板，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

本設計將光伏發電與低功耗LoRa 通信網絡，與智能化無土栽培種植系統進行有機結合，是一個較為新穎的嘗試。并且在一定程度上做到了落實雙碳政策的要求。由于時間原因，該系統還存在一些不足，需在后續研究過程中在以下方面進一步優化。①在光伏發電方面，將會擴大發電板進行完全太陽能供電嘗試，進一步優化低功耗系統。②在低功耗LoRa 通信網絡方面，會進一步優化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 通信網絡適用于現代農業。③提升本系統的容錯率。與此同時，也將繼續結合該系統自身特點，尋求更多的可以將該智能化無土栽培種植系統實現碳中和概念為目的的，可行性方案的研究工作。

參考文獻：

[1] 祝朝坤,谷會斌.基于計算機視覺技術的無土栽培蔬菜種植系統的研究與設計.[J].電子產品世界,2021,28(12):95-98.

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（本文來源于《電子產品世界》雜志2022年4月期）