周金鑫，崔健，刘颖（通讯作者），崔静，韩乐霏，施玥
（防灾科技学院信息工程学院，河北三河，065201）
0 引言
随着“物联网+”的快速推广，让智能农业成为了可能。同样，对于畜牧业，也有着和“互联网+”结合创造广泛市场的美好前景。本系统在以低能耗低成本的LoRa 网络为基础，设计出一套合理的，高效的智慧牧场系统。从解决问题根本出发，来尝试满足问题所需，从而建立项目。
1 系统结构设计
该系统主要结构分为传感器节点，继电器控制模块，LoRa 节点，LoRa 网关以及控制中心五部分。实现了传感器对环境数据的采集和通过LoRa 模块的数据收发，完成控制中心主机与环境控制的完整通信。
本系统的结构如图1 所示。
图1 系统结构
在本系统中，传感器节点通过采集环境的各种数据，再通过LoRa 节点及LoRa 网关之间的自组织网络连接将数据以无线的方式传送至控制中心，控制中心将接收的数据存储至数据库，将数据可视化并记录，等待控制中心进行数据的处理与分析。
同时当人工需要调整牧场环境状态时，可通过控制中心下达控制命令，进而当经过LoRa 自组织网络的信息传递，最后到达继电器模块，模块根据接收的控制命令更改其自身的开关状态。
2 LoRa 自组网设计
■2.1 LoRa 简介
LoRa(LongRange)是美国Semtech 公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。LoRa 网络主要由终端(可内置LoRa 模块)、网关(或称基站)、Server组成，应用数据可双向传输[1]。其最大的特点是传输距离远，工作功耗低，组网节点多。
■2.2 LoRa 网络拓扑图
LoRa 网络是星型结构，一般通信距离可达1-2km，在没有大型建筑的空间下可达更远。星型网络拓扑具有结构简单、容易管理维护、重新配置灵活、网络延迟时间较小、传输误差较低等优点[2]。网络拓扑图如图2 所示。
图2 网络拓扑图
本系统采用LoRa 模块的透明传输模式开发，将LoRa模块设置为透传模式，在透传模式下数据传输过程不影响数据传输内容，所发即所收，透明传输模式的优势在于可实现两模块即插即用，无需任何数据传输协议[3]。
3 控制中心软件设计
■3.1 功能设计
控制中心主要是上位机服务器，上位机通过WIFI 模块或以太网网口接入网关。
控制中心软件基于.net 平台，前端使用C#，Java 语言开发，后端使用python 语言进行数据分析。控制中心提供实时牧场环境数据的显示功能，并对圈养环境能加以控制调节功能。主要界面为系统主窗体，能主观的展示和汇总关键的信息，为其子功能提供入口。主界面如图3 所示。
图3 主程序界面
系统的功能结构如图4 所示。
图4 功能结构图
■3.2 数据库设计
数据库的设计与管理是整个系统实现应用的重要核心。数据库的合理设计不仅能保证信心系统的稳定，而且可以大大的提高信息系统的工作效率[4]。
其中本系统使用的数据库会记录大量的来自于室内室外环境参数数据以及牲畜身体素质的数据，通过实时保存与更新这些数据，实现智慧牧场的数字化监控与管理。
■3.3 数据处理
数据的分析包括牧场环境参数的分析以及动物身体数据参数的分析 。牧场环境分为室外牧场环境因素与圈养环境，其中室外牧场环境包括空气温湿度，土壤温湿度，CO2浓度，大气压强，PM25 浓度等参数。圈舍环境包括空气温湿度，光照强度，CO2浓度等参数。这些环境参数通过处理以图像的方式展现出来，能更直观的读出有用的信息。同时能过通过数据及图像能对环境进行调整，从而能够获得最好的饲养状态与环境。
4 系统硬件设计
本系统硬件主要由Lora 网关与RFID 耳卡组成。LoRa节点模块的硬件由核心控制模块，存储模块，loRa 通信模块，蓝牙或wifi 模块、电源模块构成。LoRa 模块单元用于自组织网络并收发请求和响应数据；核心控制器控制所有外围模块协调工作；SDRAM 作为微控制器的内存用于临时存储运行的程序。核心控制模块为STM32F0 嵌入式微控制器，LoRa 模块采用SX1276，蓝牙或wifi 模块采用ESP32 芯片。LoRa 节点的硬件设计图如图5 所示。
图5 LoRa 节点硬件设计图
RFID 耳卡本次采用的是一种2.4G 有源电子耳标，包括电源，电源与单片机相连，单片机与温度传感器模块、无线射频模块、定位模块相连。通过单片机给温度传感器模块发出信号，定期自动检测的温度，之后将温度信号通过无线射频模块发射出去。能够定期检测牲畜温度，有利于饲养员及时知晓牲畜健康状态。定位模块可以用来防止牲畜丢失和监测牲畜的运动状况。RFID 耳卡的硬件图如图6 所示。
图6 RFID 耳卡设计图
5 总结
智慧牧场控制系统实现了在LoRa 自组网连接的情况下，完成了连接传感器的LoRa 节点模块与上位机连接的LoRa 网关模块的实时通信。完成了牧场室外及圈养的环境的实时数据采集与记录，并提供了可视化的数据信息。实现了牧场饲养环境的物联网化，提高了养殖的效率，方便了管理员的可视化管理。
智慧牧场控制平台是牧场数字化管理的重要组成部分，可广泛应用于圈养企业与畜牧业企业在各种环境下发养殖管理与检测。随着物联网技术的快速发展，本系统有着非常大的改良的可能，随着系统将来的不断完善，相信在未来会有更好发展。
