董 慧，黃世震

(福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350108)

基于LoRa技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

董 慧，黃世震

(福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州350108)

為實現(xiàn)更好地解放生產(chǎn)力，提高生產(chǎn)效率，提出了一種基于LoRa技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，實現(xiàn)種植場地的環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測及科學(xué)調(diào)控。系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層組成，首先利用傳感器采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并通過LoRa傳輸模塊，將傳感器數(shù)據(jù)傳輸至應(yīng)用層，進(jìn)行控制管理，并實時將數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)界面展示給用戶，從而降低種植成本，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的智慧管理。

智慧農(nóng)業(yè)；遠(yuǎn)程監(jiān)測；科學(xué)調(diào)控；LoRa

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)進(jìn)行農(nóng)田間信息的采集，已成為我國農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)研究和發(fā)展的必然趨勢[1]。目前我國的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)主要進(jìn)行一些簡單的機械操作，但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還需要很多環(huán)境參數(shù)作為科學(xué)管理的依據(jù)，比如土壤的溫濕度、空氣的溫濕度、PH值、光照強度等。智慧農(nóng)業(yè)在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)上綜合應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)等多種現(xiàn)代信息技術(shù)[2]，實現(xiàn)了更加精準(zhǔn)的種植管理。目前絕大多數(shù)農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)都采用ZigBee技術(shù)，雖然ZigBee技術(shù)的通信頻率高，但信號傳輸中衰減非常快[3]，而且極易受到其他信號的干擾。

為了解決上述問題，本文設(shè)計了一種基于 LoRa(Long Range)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)種植場地的環(huán)境參數(shù)的實時采集以及科學(xué)預(yù)警，從而實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智慧化。 LoRa作為低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)(Low-Power Wide-Area Network，LPWAN)的一種長距離通信技術(shù)，解決了傳統(tǒng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸距離遠(yuǎn)與低功耗不能兼得的問題[4]。智能農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)利用種植場地內(nèi)的各類傳感器節(jié)點采集環(huán)境信息，實現(xiàn)無線采集、無線傳輸、異地監(jiān)控等功能，提高了生產(chǎn)率[5-6]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植無法實時獲取種植場地的各環(huán)境參數(shù)，需要耗費大量的人力物力獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)并進(jìn)行調(diào)控。本文采用先進(jìn)的LoRa技術(shù)實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息的遠(yuǎn)程采集與監(jiān)控，總體架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

(1)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

①系統(tǒng)感知層

系統(tǒng)感知層是整個系統(tǒng)最基礎(chǔ)且最重要的部分，由各個傳感器采集節(jié)點組成，各傳感器節(jié)點被放在不同的區(qū)域，用來采集環(huán)境信息，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層，供用戶進(jìn)行管理。

②系統(tǒng)傳輸層

系統(tǒng)傳輸層主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)各節(jié)點的要求不同，采用不同的網(wǎng)絡(luò)部署。從數(shù)據(jù)節(jié)點至匯聚節(jié)點，可采用LoRa技術(shù)；從匯聚節(jié)點到用戶管理節(jié)點，可采用移動通信網(wǎng)絡(luò)或LoRa技術(shù)。

③系統(tǒng)應(yīng)用層

系統(tǒng)應(yīng)用層主要用于接收下端模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，進(jìn)行存儲分析后，判斷當(dāng)前生長環(huán)境是否適宜。若不適宜，則進(jìn)行科學(xué)預(yù)警。如：若判定溫度過高，則開啟預(yù)警，提示可采用降溫設(shè)備，溫度過低則打開加熱器；若土壤濕度過低，則開啟噴灌等。

(2)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)相比，LoRa WAN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是較為典型的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[7]，如圖2所示，具有結(jié)構(gòu)簡單和低功率等特點，因此在農(nóng)業(yè)信息采集中采用星型、鏈型網(wǎng)絡(luò)，就可以滿足實際需求。理論上，LoRa網(wǎng)絡(luò)中，一個父節(jié)點最多可容納30萬個終端節(jié)點。但是在實際使用中，情況并非如此，隨著終端采集節(jié)點的增多，協(xié)調(diào)器的負(fù)擔(dān)也會增大，以至于引起網(wǎng)絡(luò)癱瘓或誤碼率增加[8]。因此，本系統(tǒng)通過對SX1278模塊的通信通道進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，將一片種植區(qū)域的LoRa網(wǎng)絡(luò)分為若干個小網(wǎng)絡(luò)，以此來降低通信鏈路的開銷。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

本系統(tǒng)對同一場地內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行分區(qū)，設(shè)置為不同頻道，降低信號間相互干擾的影響。同時 LoRa模塊可在線監(jiān)聽射頻空中信道，對于解決周圍其他同頻信號干擾有一定的作用。大區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)分組方法有效地降低了誤碼率，有助于增強網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1微控制器

本系統(tǒng)的主控芯片均采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM-32F103 系列微控制器。應(yīng)用管理節(jié)點采用的型號為 STM32F103VET6，數(shù)據(jù)采集節(jié)點采用的型號為 STM32F103RBT6。 兩者的部分參數(shù)如表1所示。該系列芯片的性能可以完全滿足本系統(tǒng)的設(shè)計需求。

2.2無線收發(fā)器

本系統(tǒng)采用SX1278模塊。SX1278是以SEMTECH公司最新研制的LoRa技術(shù)為基礎(chǔ)的無線傳輸模塊。它具有通信距離遠(yuǎn)、使用壽命長、支持眾多節(jié)點、價格低廉的特性，可滿足本系統(tǒng)對廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

表1 STM32F103VET6/RBT6部分參數(shù)表

2.3傳感器

本系統(tǒng)用到的傳感器如下：

(1)光照強度傳感器：采用GY-30模塊，主要是由光電元件和光電轉(zhuǎn)換電路組成，將光照強度直接轉(zhuǎn)換為電壓，經(jīng)內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器及電路補償，將電壓值直接轉(zhuǎn)換為數(shù)值，省去了人為的計算，簡便易用。

(2)空氣溫濕度傳感器：采用 Risym的DHT11模塊，包括電阻式感濕元件和NTC測溫元件，保證了其長期的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確度，具備成本低、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、精度高等特點。

(3)土壤水分溫度傳感器：采用SENSIRION 的SHT10模塊，集溫度傳感器和濕度傳感器于一體，且芯片內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器，能夠直接將檢測的溫濕度值傳送至上位機，具有接口簡便易用、尺寸小等優(yōu)點。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于LoRa技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)軟件設(shè)計部分主要包括數(shù)據(jù)采集節(jié)點軟件設(shè)計和用戶管理節(jié)點軟件設(shè)計。

3.1數(shù)據(jù)采集節(jié)點軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集的軟件運行在STM32F103RBT6上，主要完成種植場地的環(huán)境數(shù)據(jù)采集以及通過LoRa網(wǎng)絡(luò)上傳和接收數(shù)據(jù)及命令?？刂破魍姾螅M(jìn)行初始化，對所需的參數(shù)及變量進(jìn)行初值設(shè)置及內(nèi)存分配，對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)采集，間隔時間由控制器的時鐘中斷確定，一次時鐘中斷觸發(fā)一次數(shù)據(jù)采集。采集次數(shù)達(dá)到60后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行平均濾波處理。為防止數(shù)據(jù)發(fā)送過程中出錯，引入循環(huán)冗余校驗(Cyclic Redundancy Check，CRC)。在對數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤后，將采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送至用戶管理節(jié)點，其流程如圖3所示。

圖3 采集節(jié)點流程圖

3.2用戶管理節(jié)點軟件設(shè)計

用戶管理節(jié)點的軟件運行于控制器 STM32F103VET6中，在接收到采集節(jié)點的數(shù)據(jù)后，首先對收到的數(shù)據(jù)重新進(jìn)行多項式運算，得到CRC的值，并與數(shù)據(jù)末端的CRC值進(jìn)行比較[9]，若二者不同，則說明數(shù)據(jù)傳輸異常，丟棄當(dāng)前數(shù)據(jù)包；若二者相同，則進(jìn)行后續(xù)應(yīng)用管理。主要分為以下部分：

(1)實時監(jiān)測：顯示當(dāng)前種植場地中的空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、光照強度的狀態(tài)。

(2)歷史記錄：可供用戶查詢采集節(jié)點以往的環(huán)境參數(shù)，便于對作物的種植進(jìn)行科學(xué)的管理。

(3)智能預(yù)警：為不同作物的種植參數(shù)，設(shè)置了不同的最適范圍，若反饋的數(shù)據(jù)超出預(yù)設(shè)范圍，則產(chǎn)生報警信號。

(4)系統(tǒng)管理：對系統(tǒng)的一些參數(shù)進(jìn)行管理配置，包括權(quán)限管理、報警范圍調(diào)整等。

4 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

選取一種植場地，對所設(shè)計的基于LoRa技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行20×24 h的軟硬件測試。測試結(jié)果表明：

(1)數(shù)據(jù)采集節(jié)點可以較好地采集環(huán)境信息，其采集結(jié)果與標(biāo)定裝置的測量結(jié)果誤差不大，在可控精度范圍內(nèi)。

(2)在采集節(jié)點與管理節(jié)點之間，LoRa可進(jìn)行完整的數(shù)據(jù)傳輸，無連接失敗或傳輸錯誤等情況。

(3)用戶管理端運行穩(wěn)定良好，網(wǎng)絡(luò)傳輸實時性滿足要求。

5 結(jié)論

本文提出了基于LoRa技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)種植現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)的實時采集及監(jiān)測。本系統(tǒng)具有通信距離遠(yuǎn)、穩(wěn)定性好、成本低、施工簡便的優(yōu)點，對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的信息化、數(shù)字化、無人化具有一定的推動作用。

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2017-04-27)

董慧(1995-)，女，碩士，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)。

黃世震(1968-)，男，博士，高級工程師，主要研究方向:集成電路設(shè)計、嵌入式系統(tǒng)。

Design and implementation of intelligent agriculture system based on LoRa technology

Dong Hui, Huang Shizhen

(College of Physics and Information Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)

In order to achieve better liberate and improve the production efficiency, this paper puts forward a kind of intelligent agriculture system based on LoRa technology to realize planting site environment parametes remote monitoring and scientific control. Control system is composed of sensing layer, network layer and application layer. Firstly, it uses the sensor to collect field data, and then through the LoRa transmission module, the data is transmitted to the application layer to realize control and management, finally real-time data will be presented to the user through the system interface. It can reduce the cost of planting, realizing smart management of agriculture.

intelligent agriculture; remote monitoring; scientific control; LoRa

TP311.52

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.22.028

董慧，黃世震.基于LoRa技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)J.微型機與應(yīng)用，2017,36(22)：106-108.