碳中和背景下基于LoRa組網(wǎng)的智能化無土栽培種植系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

*項(xiàng)目來源：鄭州工商學(xué)院科研創(chuàng)新項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：2021-KYFH-04

摘要：同時(shí)對每個(gè)子系統(tǒng)節(jié)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)可以利用太陽能清潔能源產(chǎn)生電能供一部分設(shè)備工作，低功耗LORA組網(wǎng)技術(shù)則使產(chǎn)品間可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，為大規(guī)模種植提供了技術(shù)支持，也能夠適應(yīng)未來更加復(fù)雜的應(yīng)用場景。

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

1   引言

1.1 研究背景及意義

隨著碳達(dá)峰與碳中和雙碳相關(guān)政策的提出，社會(huì)各界也已開始在各項(xiàng)領(lǐng)域中對碳中和政策進(jìn)行進(jìn)一步落實(shí)。基于此，本文提出了基于碳中和背景與LoRa（遠(yuǎn)距離無線電，Long Range Radio））組網(wǎng)技術(shù)的智能化無土栽培種植系統(tǒng)，該系統(tǒng)是在之前的研究成果文獻(xiàn)^[1]的基礎(chǔ)上，對實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行更進(jìn)一步的優(yōu)化與設(shè)計(jì)。本文作者在文獻(xiàn)^[1]中設(shè)計(jì)了一套基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，具有對無土栽培營養(yǎng)液濃度自動(dòng)配比、對植物生長溫濕度、光照等條件進(jìn)行智能化管理的種植系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)以及各個(gè)傳感器的數(shù)值達(dá)到自動(dòng)管理無土栽培過程中蔬菜生長所必需的變量，始終將數(shù)值控制在合理范圍內(nèi)，令蔬菜不受季節(jié)限制、天氣影響、蟲害影響，同時(shí)也提高了作物的安全系數(shù)，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(chǔ)上考慮對設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)能夠適應(yīng)更多更廣泛的應(yīng)用前景。

其中光伏發(fā)電技術(shù)與低功耗LoRa 組網(wǎng)技術(shù)，在智能化無土栽培種植系統(tǒng)中的應(yīng)用，具有一定的創(chuàng)新性和實(shí)用性，體現(xiàn)在：（1）低功耗LoRa 通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)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(shè)備，并對其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，使其多點(diǎn)大規(guī)模種植得以實(shí)現(xiàn)。（2）利用太陽能，能夠在一定程度上降低該系統(tǒng)的能源消耗，本設(shè)計(jì)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存到同步充放電移動(dòng)電源SoC（系統(tǒng)級(jí)芯片）當(dāng)中，從而可以一邊獲取太陽能一邊為系統(tǒng)進(jìn)行輔助供電。

1.2 主要研究內(nèi)容

綜上，本文的主要研究內(nèi)容有如下兩點(diǎn)：

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

2) 光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用與如何降低設(shè)備的能源消耗，包括光伏發(fā)電如何與該種植系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，以及如何有效降低系統(tǒng)的能源消耗。

2   系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)與方案選擇

2.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

該智能化無土栽培種植系統(tǒng)，首先通過控制蠕動(dòng)泵將水和營養(yǎng)濃縮液按比例調(diào)配為適宜植物生長濃度的營養(yǎng)液，同時(shí)蠕動(dòng)泵通過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(yǎng)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(chǔ)的作用。

同時(shí)由于受到重力的作用，營養(yǎng)液會(huì)連續(xù)流經(jīng)其它種植層，最終到達(dá)底部盛有培養(yǎng)液的容器內(nèi)，形成一個(gè)循環(huán)。圖1 為該系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。在該系統(tǒng)工作過程中，配合計(jì)算機(jī)視覺與傳感器技術(shù)對植物生長過程進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)進(jìn)一步反饋給控制終端，對植物生長的環(huán)境進(jìn)行調(diào)制。每一套種植架，作為一個(gè)種植節(jié)點(diǎn)，接入LoRa 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和處理。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 LORA設(shè)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線方式傳播的距離更遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一，它在同樣的功耗下比傳統(tǒng)的無線射頻通信距離擴(kuò)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(chǔ)單元，該模塊與MCU（微控制器）之間可采用串口進(jìn)行通信，使用起來較為方便。同時(shí)，該模塊具有低功耗，傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)。模塊支持AT 指令配置，使用方法簡單。在數(shù)據(jù)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(dá)到數(shù)據(jù)自動(dòng)分包發(fā)送，發(fā)送字節(jié)可達(dá)512 B。

2.3 LoRa組網(wǎng)方式的選擇與設(shè)計(jì)

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，無線速率相同，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?shù)囊鬄椋旱刂废嗤?，信道相同，無線速率相同。在透明傳輸中每個(gè)模塊都可以做發(fā)送或者接收，數(shù)據(jù)完全透明，所發(fā)及所得。

定向傳輸能夠在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)修改地址和信道就可以指定數(shù)據(jù)發(fā)送到任意的地址和信道。同時(shí)，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(tǒng)中采用定向傳輸實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)

3.1 低功耗LoRa通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

在LoRa 通信網(wǎng)絡(luò)中，將LoRa 模塊分為子節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)，其中子節(jié)點(diǎn)裝在每一個(gè)智能化無土栽培種植架單元中，由多個(gè)子種植架單元通過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(jié)點(diǎn)都通過串口與單元種植架上的STM32 單片機(jī)相連接，STM32 單片機(jī)讀取到單元種植架上各個(gè)外設(shè)傳感器的數(shù)值之后，將數(shù)據(jù)通過串口并經(jīng)由LoRa 子節(jié)點(diǎn)，通過定向傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)分包發(fā)送到終端節(jié)點(diǎn)控制中心。

終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了一套額外的數(shù)據(jù)接收和存儲(chǔ)電路，其在該系統(tǒng)中的功能是收集所有子節(jié)點(diǎn)所發(fā)來的數(shù)據(jù)。在接收到所有子節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)后， 每過一段時(shí)間， 終端節(jié)點(diǎn)會(huì)將這些數(shù)據(jù)經(jīng)由串口發(fā)送給與MCU 對數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理，再將數(shù)據(jù)通過ESP8266 Wi-Fi通信模塊，發(fā)送到云服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，對于云端數(shù)據(jù)的采集和處理，具體實(shí)現(xiàn)方式可見文獻(xiàn)[1]。云端對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算，并根據(jù)此來分析植物的生長狀態(tài)，以及生長環(huán)境等信息，一旦出現(xiàn)偏離預(yù)定值的情況，云端會(huì)將修正命令，通過這一網(wǎng)絡(luò)分發(fā)給各個(gè)種植子系統(tǒng)節(jié)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(jié)構(gòu)框圖。

圖3 低功耗LoRa通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框圖

3.2 光伏發(fā)電方案的設(shè)計(jì)

光伏發(fā)電板所發(fā)出來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(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)緩沖電路，將光伏板采集到的電能，轉(zhuǎn)換成能夠給移動(dòng)電源SOC 充電的電信號(hào)。經(jīng)過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(tǒng)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(bǔ)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)過實(shí)驗(yàn)計(jì)算，在對該系統(tǒng)采用光伏輔助供電方式后，在日照時(shí)長6 小時(shí)，環(huán)境溫度20℃的前提下，每單位面積內(nèi)，相比較之前不加光伏發(fā)電板，設(shè)備的總用電量減少了約21%，能夠在一定程度上節(jié)省了能源。達(dá)到了充分利用清潔能源的目的。

4   總結(jié)

本設(shè)計(jì)將光伏發(fā)電與低功耗LoRa 通信網(wǎng)絡(luò)，與智能化無土栽培種植系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)結(jié)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(tǒng)還存在一些不足，需在后續(xù)研究過程中在以下方面進(jìn)一步優(yōu)化。①在光伏發(fā)電方面，將會(huì)擴(kuò)大發(fā)電板進(jìn)行完全太陽能供電嘗試，進(jìn)一步優(yōu)化低功耗系統(tǒng)。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(jī)中的程序算法，使其接收數(shù)據(jù)更加快速，準(zhǔn)確，并嘗試組建更大的低功耗LoRa 通信網(wǎng)絡(luò)適用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。③提升本系統(tǒng)的容錯(cuò)率。與此同時(shí)，也將繼續(xù)結(jié)合該系統(tǒng)自身特點(diǎn)，尋求更多的可以將該智能化無土栽培種植系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)碳中和概念為目的的，可行性方案的研究工作。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年4月期）