摘 要：隨著科技的持續(xù)進步與廣泛應用，智能化灌溉已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要趨勢。在此背景下，介紹一種基于LoRa技術的農(nóng)業(yè)土壤調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)方法，并對該系統(tǒng)的功能、總體架構、網(wǎng)絡通信過程、硬件開發(fā)設計、Android移動客戶端和Web端軟件開發(fā)設計等方面進行深入分析。該系統(tǒng)基于LoRa無線傳輸技術，實現(xiàn)了對土壤濕度數(shù)據(jù)的實時采集與水泵的智能控制。測試結果表明，該系統(tǒng)所采用的設計策略在智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景，能夠顯著增強自動化信息服務的效能與水平。

關鍵詞：LoRa；物聯(lián)網(wǎng)技術；智慧農(nóng)業(yè)；土壤調(diào)節(jié)；智能化灌溉；智云服務器

中圖分類號：TP391.44；TN929.5；S365 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）05-00-05

0 引 言

目前，我國的灌溉方式主要依賴農(nóng)民的生產(chǎn)經(jīng)驗，存在水資源浪費和灌溉不均等弊端[1]。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)急需向智能化、信息化的智慧農(nóng)業(yè)轉型，而物聯(lián)網(wǎng)技術的興起，為農(nóng)業(yè)的智能化發(fā)展提供了極大的便利[2]。

物聯(lián)網(wǎng)技術的核心思想是借助無線傳感器網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)，將現(xiàn)實世界的事物和數(shù)字信息相聯(lián)結，實現(xiàn)智能化、自動化管理[3]。物聯(lián)網(wǎng)涵蓋感知、傳輸、處理、控制等多個環(huán)節(jié)，具有強大的傳感識別與智能嵌入能力[4]。

針對ZigBee網(wǎng)絡在智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)應用中存在的單跳傳輸距離短、多跳組網(wǎng)結構復雜、信號易干擾、丟包率和誤碼率高、實用性差等缺點[5]，提出一種基于LoRa技術的農(nóng)業(yè)土壤調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設計方案。該系統(tǒng)利用LoRa的超高速、低時延、多通道的優(yōu)勢并結合物聯(lián)網(wǎng)相關技術，能夠?qū)崟r采集和監(jiān)測溫度、濕度和土壤水分等數(shù)據(jù)。系統(tǒng)能夠通過搭建的網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)服務器，協(xié)助管理人員進行數(shù)據(jù)分析和處理，從而顯著提升管理人員的工作效率。通過對通信技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、云平臺的綜合應用，管理人員可以遠程實時調(diào)控設備，進行溫度調(diào)節(jié)、水泵控制等操作，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)環(huán)境的智能調(diào)控。

1 系統(tǒng)功能及架構設計

1.1 農(nóng)業(yè)土壤調(diào)節(jié)系統(tǒng)功能

農(nóng)業(yè)土壤調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠?qū)崟r控制水泵的開關，并將控制結果即時反饋給相關節(jié)點。同時，該系統(tǒng)還能實時收集溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)推送至智云數(shù)據(jù)中心，使得用戶可以通過Android移動客戶端和Web端隨時隨地了解土壤狀態(tài)。系統(tǒng)功能說明見表1。

1.2 系統(tǒng)總體架構設計

農(nóng)業(yè)土壤調(diào)節(jié)系統(tǒng)基于智云物聯(lián)網(wǎng)項目架構進行設計，并根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的四層架構模型進行深入分析，具體如圖1所示。

感知層：主要包含采集類、控制類傳感器。由STM32F103

單片機實現(xiàn)溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)采集與繼電器的控制。

網(wǎng)絡層：感知層節(jié)點同網(wǎng)關之間的無線通信借助LoRa技術實現(xiàn)，網(wǎng)關同智云服務器、上層應用設備間通過無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸。

平臺層：平臺層主要負責提供基于互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)存儲、交換、分析功能。同時，該層還支持物聯(lián)網(wǎng)設備通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、遠程訪問及有效控制。

應用層：應用層主要是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的人機交互接口，通過PC端、移動端為用戶提供界面友好、操作交互性強的應用。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡通信過程

農(nóng)業(yè)土壤調(diào)節(jié)系統(tǒng)傳輸過程分為三部分：傳感節(jié)點，網(wǎng)關，客戶端（Android、Web），其通信流程如圖2所示。

（1）傳感器節(jié)點通過LoRa網(wǎng)絡與網(wǎng)關的協(xié)調(diào)器進行組網(wǎng)，網(wǎng)關的協(xié)調(diào)器通過串口與網(wǎng)關進行數(shù)據(jù)通信。

（2）底層節(jié)點的數(shù)據(jù)通過 LoRa網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口將數(shù)據(jù)轉發(fā)給網(wǎng)關服務，通過實時數(shù)據(jù)推送服務將數(shù)據(jù)推送給所有連接網(wǎng)關的客戶端。

（3）客戶端（Android、Web）應用通過調(diào)用智云數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集等功能。

3 系統(tǒng)硬件開發(fā)設計

3.1 系統(tǒng)硬件說明

農(nóng)業(yè)土壤調(diào)節(jié)系統(tǒng)中主要使用到的傳感器有以下兩種：

（1）溫濕度傳感器：型號為HTU21D，采用數(shù)字信號輸出方式，通過I2C通信接口進行數(shù)據(jù)傳輸。該傳感器的溫度測量范圍為-40～125 ℃，濕度測量范圍為5%RH～95%RH。

（2）繼電器控制模塊：輸出無線節(jié)點的兩路繼電器接口，支持5 V電源開關控制。

3.2 系統(tǒng)底層開發(fā)框架

本項目底層開發(fā)的函數(shù)名稱及功能見表2。

3.3 傳感器驅(qū)動程序流程分析

土壤溫濕度傳感器屬于采集類傳感器，設定每隔30 s（默認）主動上報傳感器數(shù)值。智能無線土壤溫濕度檢測程序邏輯如圖3所示。

水泵控制模塊屬于控制類傳感器，設定每隔30 s（默認）主動上報傳感器數(shù)值。智能無線水泵控制檢測程序邏輯如圖4所示。

4 系統(tǒng)Android移動端軟件開發(fā)設計

4.1 Android工程設計框架

Android Studio開發(fā)環(huán)境中的本項目工程目錄列表如圖5所示。

系統(tǒng)工程設計框架說明見表3。

4.2 軟件設計

智云物聯(lián)云平臺為用戶提供了實時數(shù)據(jù)推送服務的API接口，用戶根據(jù)這些API接口可以實現(xiàn)與底層傳感器的信息交互。用戶具備在底層自定義協(xié)議的能力，結合智云提供的API和自定義協(xié)議，可以輕松實現(xiàn)對底層傳感器的控制以及數(shù)據(jù)的采集。特別地，在智云Android應用編程接口的設計中，系統(tǒng)主要依賴于實時數(shù)據(jù)API接口來完成各項應用功能的設計與開發(fā)。Application程序框架如圖6所示。

5 Web頁面功能結構設計

5.1 運營首頁

Web端應用在啟動時，默認加載并展示運營首頁頁面，該頁面上設有光照數(shù)據(jù)顯示模塊、補光燈控制模塊、遮陽簾控制模塊、模式切換模塊、光照閾值設備模塊按鈕。用戶只需點擊這些按鈕，便可進入相應模塊的展示或控制頁面，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)土壤環(huán)境的調(diào)節(jié)與管理。運營首頁頁面如圖7所示。

5.2 歷史數(shù)據(jù)查詢頁面

在歷史數(shù)據(jù)頁面可以對土壤溫度、濕度數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù)進行查詢，歷史數(shù)據(jù)查詢頁面如圖8所示。

6 系統(tǒng)部署測試

6.1 硬件設備部署

系統(tǒng)的硬件構成主要依托于XLab實驗箱，其中核心組件包括經(jīng)典型無線節(jié)點ZXBeeLiteB、采集類傳感器Sensor-A、控制類傳感器Sensor-B以及Android智能網(wǎng)關。本項目需要使用采集類傳感器Sensor-A節(jié)點板、控制類傳感器Sensor-B節(jié)點板，按照實驗箱的使用說明書進行設備間的連接操作，硬件設備部署情況如圖9所示。

6.2 Web端應用測試

在瀏覽器中打開本項目的index.html文件。此時，Web端主頁面中各個設備處于離線狀態(tài)，離線顯示如圖10所示。

當系統(tǒng)設備的右上角狀態(tài)顯示為離線時，需要通過“更多信息”頁面輸入服務器ID與IDkey，以連接智云服務器。服務器連接成功后，系統(tǒng)主頁面顯示的設備狀態(tài)更新為在線。在線狀態(tài)下，即可通過“水泵”按鈕實時控制水泵的開關或通過歷史數(shù)據(jù)頁面查看土壤溫濕度曲線變化圖，具體如圖11、圖12和圖13所示。

6.3 Android移動端應用安裝與測試

6.3.1 Android移動端應用安裝

Android網(wǎng)關設備使用USB數(shù)據(jù)連接線通過OTG接口與PC的USB接口進行連接。一旦連接建立并成功識別，用戶需在電腦上打開所連接的內(nèi)存設備，拷貝“SoilRegulaion.apk”文件到Android網(wǎng)關設備中，即可在Android網(wǎng)關上成功安裝該應用。

6.3.2 Android移動端應用測試

Android移動端應用操作同Web端應用操作流程基本一致，其主頁面如圖14所示。

7 系統(tǒng)應用的優(yōu)勢

本文系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢：

（1）自動化：基于LoRa技術的農(nóng)業(yè)土壤調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠自動監(jiān)測溫濕度參數(shù)，并自動控制水泵灌溉設備，減少人工干預和操作，提高灌溉效率。

（2）智能化：通過對溫濕度環(huán)境數(shù)據(jù)的分析，系統(tǒng)能夠根據(jù)作物的生長需求和土壤狀況，智能控制灌溉設備的運行時間和水量，實現(xiàn)精準灌溉。

（3）遠程化：通過云平臺和互聯(lián)網(wǎng)技術，用戶可以在任何地點對系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控和管理，方便快捷。

（4）可移動性強：由于采用無線通信技術，系統(tǒng)可以隨時移動和重新配置，適應不同的環(huán)境和作物需求。

（5）抗干擾能力強：LoRa無線通信技術具有較低的功耗和較強的抗干擾能力，可以在各種環(huán)境條件下穩(wěn)定工作。

（6）提高水資源利用率：通過智能化灌溉控制，可以避免灌溉過量或不足，減少水資源浪費，提高水資源利用率。

（7）提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量：農(nóng)業(yè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的精準灌溉可以為作物提供最佳的生長環(huán)境，提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。

8 結 語

當前，基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧農(nóng)業(yè)正成為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和可持續(xù)發(fā)展的重要引擎[6]。本文針對大田農(nóng)業(yè)所面臨的面積廣闊、布線困難及運維成本高昂等問題，聚焦于農(nóng)田土壤環(huán)境的監(jiān)測與調(diào)控，依托物聯(lián)網(wǎng)與LoRa無線通信技術，提出了一套基于LoRa的農(nóng)業(yè)土壤調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)方案。該系統(tǒng)通過精準灌溉，最大限度地減少水資源浪費，并提升灌溉用水效率。為確保系統(tǒng)的可靠性，本文對基于LoRa技術的農(nóng)業(yè)土壤調(diào)節(jié)系統(tǒng)做了整體測試[7]。測試結果表明，現(xiàn)場部署的采集設備能夠準確采集土壤溫濕度數(shù)據(jù)，服務器端能夠順利接收并處理這些數(shù)據(jù)，控制端能夠精確控制水泵的開啟與關閉[8]。此外，Android移動客戶端與Web端均能夠?qū)崟r監(jiān)測數(shù)據(jù)、查詢歷史記錄等，為用戶提供了便捷的操作體驗。該系統(tǒng)功能穩(wěn)定、操作簡便且實時性高，使用戶能夠輕松實現(xiàn)對設施農(nóng)業(yè)環(huán)境的遠程實時監(jiān)控[9]。通過設置合理的閾值，系統(tǒng)能夠智能控制水泵的運行，從而自動調(diào)節(jié)土壤溫濕度?？傮w而言，該系統(tǒng)有效解決了傳統(tǒng)灌溉方法存在的諸多問題，在節(jié)水、提效及生態(tài)保護等方面均展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了全新的解決方案。相信該系統(tǒng)能在更多農(nóng)業(yè)灌區(qū)中得到廣泛應用，為推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化與可持續(xù)發(fā)展貢獻力量[10]。未來，將進一步擴展系統(tǒng)功能，通過增加更多傳感器來豐富操作體驗，提升系統(tǒng)的智能化水平。

參考文獻

[1]畢千千，方朝曦.基于ZigBee和多種傳感器的智能灌溉系統(tǒng)研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2023，13（4）：34-36.

[2]鐘衛(wèi)連.基于物聯(lián)網(wǎng)的“智慧農(nóng)業(yè)”構建探究[J].現(xiàn)代農(nóng)機，2021（6）：4-5.

[3]李東，呂爽. 物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術在農(nóng)業(yè)中的應用研究[J]. 現(xiàn)代農(nóng)機，2024（2）：11-13.

[4]曹征.物聯(lián)網(wǎng)技術在農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)中的應用[J].中國果樹，2022（8）：125.

[5]陳彪，揭晶方，張偉，等.基于LoRa的智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制，2018，26（10）：128-131.

[6]馬翔.基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展路徑分析[J].農(nóng)業(yè)工程技術，2023，43（32）：22-23.

[7]師喏，王宇成，馬麗華，等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術的農(nóng)業(yè)大棚數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2023，13（7）：37-40.

[8]王魯淮，胡必玲，王添，等.基于ZigBee和WiFi的土壤監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2023，13（11）：13-16.

[9]田莉，左恒，郝雯娟，等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術的設施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2024，14（1）：18-21.

[10]李華，劉斌，陳亮，等.農(nóng)業(yè)灌區(qū)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)設計與應用[J].農(nóng)業(yè)與技術，2024，44（2）：20-22.