构建基于LoRaWAN的可扩展可持续物联网水培环境监测系统

1. 项目介绍

该项目包括创建一个基于技术的解决方案，利用物联网(IoT)来监测水培栽培系统中的关键环境变量。通过无线传感器网络(LoRaWAN)，收集和传输温度、湿度、大气压力和空气质量等数据。

其目的是提高作物的性能和可持续性，减少水和能源消耗，并允许在不需要大型基础设施的情况下将系统逐步扩展到其他地区或种植模块。

LoRaWAN的使用可以实现远距离覆盖，非常适合大规模农业操作或温室，并且能耗低，使得使用太阳能作为主要能源成为可能。

该系统与物联网(TTN)完全集成，这是一个公共和免费的LoRaWAN网络，允许系统在不需要支付专有服务器的情况下进行扩展，同时也符合开放访问和技术主权的原则。

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2. 项目中使用的元素

硬件组件

RAK11300 - WisBlock核心与LoRaWAN和RP2040微控制器

RAK11300是系统的核心。它是一个可编程模块，集成：•RP2040微控制器(双核ARM Cortex-M0+在133 MHz)。•LoRa SX1262收发器兼容LoRaWAN 1.0.3。•兼容WisBlock平台：模块化和可扩展的格式。

技术优势：•功耗低，是太阳能项目的理想选择。•本地LoRaWAN远程网络能力(bbb10公里在开放领域)。•通用性：可与环境传感器，土壤湿度，光，EC， pH等一起使用。

项目角色：该模块作为传感器节点的大脑，执行收集环境数据的代码，并通过LoRaWAN将其传输到网关。

RAK19007-O - WisBlock基板

RAK19007-O是实现RAK11300模块与WisBlock其他外设模块对接的基础板。

关键功能：•提供I2C、UART、analog、GPIO传感器的连接接口。•集成了太阳能电池板和锂离子电池的JST连接器。•包括复位按钮和USB Type-C端口编程和调试。

在项目中的作用：作为结构和电气连接基础，使传感器节点的组装清洁，模块化和坚固-非常适合农业或实验室环境。

RAK1906 -环境传感器(BME680)

博世制造的多功能数字环境传感器(型号BME680)，由RAKWireless安装为RAK1906。•温度(±1°C)•相对湿度(±3%)•气压(±1 hPa)•空气质量(IAQ)通过气体阻力(检测挥发性有机化合物)

连接：通过I2C总线(3.3 V和RAK5005-O的GND引脚)。

技术优势：•体积小。•精度高。•非常低的消耗(理想的间歇操作每几分钟)。

在项目中的作用：允许监测水培作物所在的环境条件，检测可能影响生长或产生冷凝或空气不足等风险的不利条件。

RAK Edge网关Lite 2

充当LoRaWAN网关的设备，即接收LoRa节点发送的数据包并将其转发到云(在本例中为物联网)。

关键技术特点：•处理器：Raspberry Pi。LoRa调制解调器：Semtech SX1302(8路同步)。•连接：以太网和Wi-Fi。•外接LoRa天线，支持USB-C或PoE供电。•操作系统基于OpenWRT。

•作为网络的中心点，接收来自节点的信号，并使其与TTN后端保持连接。•能够同时管理数十个节点。•可位于栽培环境内部或外部。

5 V / 3-5 W太阳能电池板+ 3.7 V锂电池

自主、可持续的供电系统。•太阳能电池板：将太阳能转化为电能，通过RAK5005-O的充电控制器为电池充电。•锂离子电池：储存能量并在夜间或阴天为系统供电。

建议规格：•5 V / 3-5 W面板，带标准JST连接器。•2000-3000 毫安时电池，3.7 V锂离子，具有保护。

在项目中的作用：确保节点可以在不需要固定电力基础设施的情况下运行，符合可持续发展目标7(负担得起的清洁能源)，并允许这些系统在偏远或农业地区实施。

其他辅助元件

•868 MHz LoRa天线：用于发送和接收LoRa数据。•USB Type-C电缆：编程和调试所必需的。•螺钉，IP65或3d打印外壳：节点的物理保护。•万用表或测试仪：检查面板和电池电压。

3. 循序渐进的指导

步骤1:WisBlock节点物理组装

此步骤包括正确组装物联网节点组件，使其在物理上可操作并为编程做好准备。

详细说明:

•将RAK11300模块安装到RAK19007-O基板上：

•小心地将模块插入标有“Core”的40针连接器中。

•确保它完全插入和直。

•连接RAK1906传感器：

•该传感器插入基板上标有“IO”或“I2C”的端口之一。

•它卡在相应的插槽上。如果有固定螺钉，请将其拧紧，以提高稳定性。

•连接LoRa天线：

•将868mhz天线固定在RAK11300连接器上。

•重要：请勿在未连接天线的情况下给节点上电。

•连接锂离子电池(3.7 V)：

•将其连接到标记为“BAT”的基板上的JST连接器。

•验证极性和电压是否正确(通常在电池和数据表上注明)。

•连接太阳能电池板(可选，供自主使用)：

•将面板的电缆插入RAK5005-O上的JST“SOLAR”连接器。

•请使用兼容的5 V面板，以免损坏单板。

•验证电源:

•当连接电池或USB时，电路板的LED闪烁。

•如果没有，请检查电池连接或电量。

•外壳组件(可选)：

•如果安装在户外，请使用ip65防水外壳。

步骤2：连接到电脑

此步骤是将程序上传到节点并调试其运行所必需的。

详细步骤:

•通过USB Type-C连接节点到计算机。

•如果操作系统无法自动检测到RAK11300的COM口，请安装CP210x或CDC USB驱动程序。

•在设备管理器(Windows)或Linux上的ls /dev/tty*中检查端口是否正确显示。

•没有必要断开电池来编程设备，但为了安全起见，可以这样做。确保为天线和太阳能/电池电缆输入留出空间。

步骤3:Arduino IDE环境设置

这一步准备您的开发环境，以便正确地对RAK11300模块进行编程。

一步一步的指示:

•从Arduino .cc安装Arduino IDE。

•打开菜单File > Preferences，并将以下URL添加到“Additional Board URLs”字段：

•进入Tools > Board > Board Manager，搜索“RAKwireless”，选择“WisBlock RAK11300”。

•从库管理器安装以下库：

•Adafruit BME680(传感器)

•LoRaWAN ru3由RAKWireless (LoRa)提供

•WisBlock-API(通信和电源功能)

•重新启动Arduino IDE以应用更改。

步骤4：上传代码

硬件连接和环境准备好后，此步骤允许您上传将读取传感器并将数据发送到TTN的程序。

关键步骤:

•打开示例草图或自定义代码(例如我们准备的代码)。

•在Tools b> Board中选择“RAK11300 WisBlock”。

•在“Tools > Port”中选择对应的COM端口。

•如果使用OTAA，请输入设备密钥(DevEUI、AppEUI、AppKey)。单击Upload按钮。

如果上传成功，您将在控制台中看到：

•打开115200波特的串口监视器(Ctrl + Shift + M)，观察传感器数据和LoRa传输确认。

功能验证

如果一切正常，每隔5分钟，您将在串行监视器中看到温度，湿度，压力和空气质量指数数据，以及确认LoRa传输的消息。

节点在传输之间自动进入低功耗模式(深度睡眠)以节省能量，这在太阳能供电的操作中特别有用。

本文编译自hackster.io