基于LoRa的智能灌溉系統(tǒng)設計

，中華，冬雪， ，岳煬

(濟南大學 自動化與電氣工程學院，濟南 250022)

0 引言

我國人均水資源占有量僅為世界平均水平的1/4，被聯(lián)合國列為13個貧水國家之一[1]。每年農(nóng)業(yè)用水占全國用水總量的60%以上，其中用于灌溉方面的用水量超過90%[2-3]。水資源嚴重短缺、浪費，地區(qū)分布不均衡以及灌溉自動化水平較低的現(xiàn)狀嚴重制約著我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展，因此提高灌溉效率，發(fā)展節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)，實現(xiàn)灌溉智能化顯得尤為重要。

節(jié)水灌溉技術發(fā)展比較好的是地區(qū)是美國、以色列、澳大利亞、印度等國家，這些國家積極推進農(nóng)業(yè)節(jié)水體系建立，根據(jù)水資源的地區(qū)分配，大力推廣滴灌、噴灌和地面節(jié)水灌溉技術，其水資源利用率高達70%[4-5]。相對于一些發(fā)達國家，我國部分地方正在大力推廣節(jié)水灌溉技術。智能化半變量節(jié)水管理系統(tǒng)在中國科學院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)實驗站建成，成為地方高新技術與成果示范交流的基地。江蘇省率先試用節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)，在節(jié)水示范方面為地方經(jīng)濟建設做出貢獻[6]。雖然近年來取得了不小的進步，但是我國的節(jié)水灌溉技術并沒有得到太多普及，水資源利用率僅為43%，與發(fā)達國家依然存在較大的差距[7]。

隨著科技的不斷進步，物聯(lián)網(wǎng)技術越來越多運用在農(nóng)業(yè)方面，常見的無線技術主要分為局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)[8]。局域網(wǎng)通信主要包括WiFi、ZigBee、藍牙等通信協(xié)議，廣域網(wǎng)主要包括2G/3G/4G蜂窩通信技術[9-10]。WiFi技術的傳輸速率約為6 M/s，傳輸數(shù)據(jù)快，產(chǎn)品成本低，但是安全性不高，穩(wěn)定性比較弱，功耗相對比較大。ZigBee功耗低，組網(wǎng)容量大，但是傳輸距離短，最遠傳輸距離不超過75 m，只適用于小范圍、短距離組網(wǎng)[11]。藍牙技術早期用于手機之間的文件傳輸，其功耗介于WiFi與ZigBee之間，但是傳輸距離最短。以上3種通訊方式均不適用于大規(guī)模農(nóng)田灌溉無線組網(wǎng)。2 G/3 G/4 G主要依賴于移動運營商提供的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，不但會產(chǎn)生額外的費用，對基站的信號強度也有較高的要求，不適合偏遠地區(qū)的農(nóng)作物的監(jiān)控。

LoRa是美國Semtech公司推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案，作為LPWAN(low power wide area network)技術的一種，與以上通訊技術相比，可以最大程度地兼顧遠距離傳輸、低功耗和抗干擾性能[12]。LoRa最大鏈路預算可達168 dB，靈敏度超過-148 dBm，傳輸速率為0.018～37.5 kbps。接收電流僅9.9 mA，休眠電流小于200 nA，一節(jié)普通5號電池理論上可以使用5～10年，延長電池更換周期。LoRa融合了擴頻調(diào)制和前向糾錯編碼技術(Forward Error Correction，F(xiàn)EC)，擴大了數(shù)據(jù)傳輸距離，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_性。在寬闊地帶，通過LoRa技術傳輸數(shù)據(jù)的距離超過15 km[13]。另外，該技術支持標準的FSK、MSK及OOK等調(diào)制方式，可在全球免費頻段(包括433、868、915 MHz)內(nèi)使用。

本文提出一種基于LoRa的智能灌溉系統(tǒng)設計，旨在提高用水效率，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉精準化，智能化。本文的第1部分為系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構，包括LoRa網(wǎng)絡框架、終端的分類以及LoRa傳輸模式分類。第2部分為數(shù)據(jù)采集節(jié)點硬件設計，包括微控制器，采集單元，水閥控制單元，數(shù)據(jù)傳輸單元，電源單元以及灌溉模式指示。第3部分為軟件設計，包括數(shù)據(jù)采集節(jié)點以及PC端灌溉控制平臺的開發(fā)。第4部分為實驗結果與分析，搭建模擬生態(tài)系統(tǒng)，隨機選取幾個節(jié)點，對本設計的功能性以及操作性進行實際測試及演示。最后是關于本設計的總結和對智能灌溉技術的展望。

1 網(wǎng)絡架構

圖1 LoRa的網(wǎng)絡框架

1)LoRa網(wǎng)絡架構，采用典型的星型網(wǎng)絡拓撲結構，主要包括終端、網(wǎng)關、云服務器以及應用服務。LoRa的網(wǎng)絡框架如圖1所示。終端包括各種溫度、濕度、光照等傳感器，完成對相應數(shù)據(jù)的采集，并通過LoRa擴頻技術傳輸。同時，接收上一級設備的命令信息，進行灌溉作業(yè)。網(wǎng)關負責終端設備上行數(shù)據(jù)的接收和下行數(shù)據(jù)的發(fā)送，并通過TCP/IP協(xié)議與云服務器通訊。LoRa網(wǎng)關融合了速度自適應調(diào)整(adaptive data rate，ADR)，根據(jù)網(wǎng)關與節(jié)點的距離，自動調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)傳輸速率[14]。當距離比較近時，終端節(jié)點將采用較高傳輸速率，反之，傳輸速率降低，有效提高了網(wǎng)絡吞吐量。云服務器實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)和操作命令信息的處理，存儲，加密以及發(fā)布，與傳統(tǒng)的服務器相比較，具有集約化程度高，資源配置速度快，容量無限大以及對用戶端的設備要求低等優(yōu)勢。應用服務主要通過各種設備，比如手機，平板或者PC等利用蜂窩數(shù)據(jù)或者以太網(wǎng)從云服務器獲取數(shù)據(jù)。擁有管理員權限，還可以對指定終端進行遠程操作，方便高效。

2)終端設備分類，根據(jù)終端設備與網(wǎng)關之間通訊模式的不同，將終端設備分為3類，分別為Class A，Class B和Class C[16]。

Class A(雙向通訊終端設備)：終端節(jié)點每次發(fā)送一個上行信號后，按照一定時間間隔定期開放兩個下行接收窗口。接收窗口的時間長短可以根據(jù)數(shù)據(jù)量的大小進行調(diào)整，所以Class A功耗最低。只有終端發(fā)送上行信號，網(wǎng)關才能進行下行數(shù)據(jù)傳輸。Class A應用最為廣泛。

Class B(具有預設接收槽的雙向通訊終端設備)：工作模式與Class A類似，不同之處在于終端設備開放多余的接收窗口，同時通過Beacon信號與網(wǎng)關保持時間同步。Class B功耗大于Class A。

3)LoRa傳輸模式分類，主要分為透明廣播模式和定向傳輸模式。透明廣播模式就是地址相同、信道相同的模塊，任意一個發(fā)送，其余的都能可以收到，接收方收到是數(shù)據(jù)。定向傳輸模式指的是發(fā)送模塊在發(fā)送的數(shù)據(jù)前面需要增加“目標地址+目標信道”，接收方收到的是數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點硬件設計

數(shù)據(jù)采集節(jié)點硬件設計主要包括微控制器，采集單元，水閥控制單元，數(shù)據(jù)傳輸單元，電源單元以及灌溉模式指示，實現(xiàn)對光照強度，空氣溫、濕度以及土壤的濕度等數(shù)據(jù)的采集，處理以及傳輸。通過控制電磁閥的通斷，進而控制農(nóng)作物灌溉水量。

1)微控制器，采集節(jié)點采用STM32F103C8T6單片機為控制核心，其內(nèi)核為ARM32位的Cortex-M3 CPU。最高73 MHz工作頻率，64 K閃存的程序存儲器，內(nèi)嵌8 MHz的RC振蕩器，2個12 bit模數(shù)轉(zhuǎn)化器， 2個I2C，3個USART，3個通用定時器，1個高級定時器。STM32F103C8T6具有較強的數(shù)據(jù)處理能力及外設接口，可以滿足系統(tǒng)需求。

2)信息采集單元，主要包括光照模塊，空氣溫、濕度模塊以及土壤濕度模塊。光照模塊采用BH1750FVI光照傳感器，可以計算1.1lx到l00000Ix馬克斯/分鐘的范圍。空氣溫、濕度模塊采用DHT11數(shù)字傳感器，測量范圍：濕度20～90%RH，溫度0～50 ℃，測量精度：濕度±5%RH，溫度±2 ℃。采用土壤傳感器做土壤濕度的檢測，表面采用鍍鎳處理，延長使用壽命。

3)水閥控制單元，水閥控制單元電路圖如圖2所示。U1為光耦合器，Q1為三極管，K1為繼電器。當光耦合器導通，繼電器工作，電磁閥打開，水泵開始抽水。同時，藍色指示燈RELAY LED長亮。灌溉作業(yè)結束時，電磁線圈突然斷電，產(chǎn)生反向電動勢。為防止反向電動勢的電壓值超過串聯(lián)回路上元器件的反向擊穿電壓，對元器件造成嚴重損壞，在線圈兩端反向并聯(lián)二極管D1，用于電磁線圈的能量快速泄放，增加繼電器動作的可靠性。

4)數(shù)據(jù)傳輸單元，數(shù)據(jù)傳輸方面采用SX1278無線模塊，LoRa擴頻傳輸，匹配高增益膠棒全向天線，工作頻率為410～441 MHz，共32個信道，每個信道有65536個地址。MD0與MD1進行高低電平組合，確定4種工作模式，包括一般模式，喚醒模式，省電模式和休眠模式。TXD、RXD引腳分別接單片機的USART2。AUX用于無線收發(fā)緩沖指示和自檢指示。AUX引腳一般輸出高電平，當模塊發(fā)送或者接收打包好的數(shù)據(jù)過程中或者上電復位時，開始硬件自檢并初始化配置，AUX輸出低電平，然后恢復為高電平。設計AUX指示燈，LoRa模塊進行數(shù)據(jù)傳輸時，黃色LED燈長亮，數(shù)據(jù)傳輸完畢，黃色LED燈熄滅。

圖2 水閥控制單元電路圖

5)電源單元，采用DC24V/1A的電源適配器為采集節(jié)點提供外部電源，主要為繼電器提供電源。經(jīng)過LM2576開關穩(wěn)壓集成電路，將DC24V穩(wěn)壓到5 V，主要為LoRa模塊提供持續(xù)穩(wěn)定的電源。之后采用AMS1117芯片，為微處理器及各種傳感器提供3.3 V直流電源。打開采集節(jié)點電源，綠色電源指示燈長亮。

6)灌溉模式指示，為了驗證PC端灌溉控制平臺的設定模式，采集節(jié)點配置了灌溉模式SET紅色指示燈，配合繼電器工作藍色指示燈D1，用于顯示不同的設定模式。灌溉模式的設定指示如表1所示。當系統(tǒng)處于自動灌溉模式中，每次調(diào)整灌溉條件后，紅色LED燈亮1 s后熄滅，然后再根據(jù)D1的亮滅，判斷該區(qū)域是否處于灌溉作業(yè)中。當系統(tǒng)處于手動模式中，如果選擇緊急停止，紅燈長亮，灌溉作業(yè)緊急停止；如果選擇手動澆灌，紅燈長滅，開始灌溉作業(yè)。數(shù)據(jù)采集節(jié)點的PCB板如圖3所示。

表1 灌溉模式設定指示

圖3 數(shù)據(jù)采集節(jié)點PCB板(a)微處理器 ;(b) BH1750FVI光照傳感器; (c) DHT11空氣溫、濕度傳感器; (d)土壤濕度傳感器及其探頭; (e)繼電器及其接口; (f)LoRa模塊。

3 軟件設計

3.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點

利用Keil uVision5開發(fā)平臺，對采集節(jié)點進行C語言編程，增強了程序的可讀性，可以實現(xiàn)系統(tǒng)軟件在線調(diào)試，方便程序移植、優(yōu)化、二次開發(fā)。數(shù)據(jù)采集節(jié)點的工作流程如圖4所示。采集節(jié)點上電初始化為最后一次正確配置的自動灌溉模式，定期向PC端灌溉控制平臺發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送結束后自動進入休眠狀態(tài)，此時功耗最低。間隔一定時間后，開放下行接收窗口，如果接收到PC端指令，執(zhí)行相應灌溉模式設定以及灌溉作業(yè)。每次作業(yè)結束為工作一次，繼續(xù)定時發(fā)送數(shù)據(jù)，循環(huán)進行檢測工作。

圖4 數(shù)據(jù)采集節(jié)點的工作流程圖

3.2 PC端灌溉控制平臺

PC端灌溉控制平臺的開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2010，使用C#語言，實現(xiàn)智能灌溉系統(tǒng)人機界面設計。數(shù)據(jù)庫選用微軟的SQL server2012，實現(xiàn)對各種數(shù)據(jù)的實時存儲與分析。使用.NET Framework提供的Serial Port類，設定串口通信波特率，數(shù)據(jù)位、校驗位和停止位，選擇串口號，實現(xiàn)PC端灌溉控制平臺LoRa節(jié)點與PC端之間的數(shù)據(jù)傳輸，再將自動打包好的數(shù)據(jù)經(jīng)過LoRa擴頻傳輸，最終實現(xiàn)PC端灌溉控制平臺與采集節(jié)點之間的通訊。為了方便灌溉作業(yè)的管理與維護，設定游客權限和管理員權限。擁有游客權限的用戶無法自主設定灌溉模式和閾值，系統(tǒng)灌溉模式默認為自動模式，用戶只能看到實時顯示值，而擁有管理員權限的用戶進行相應管理。為了方便演示，僅展示A，B兩個灌溉區(qū)域的監(jiān)控界面，并隨機設定了兩個區(qū)域光照強度，空氣溫、濕度，土壤濕度的閾值。只有配置為自動模式，同時滿足4個條件，相應區(qū)域才能自動進行灌溉作業(yè)。PC端灌溉控制平臺自動灌溉模式監(jiān)控界面和手動灌溉模式監(jiān)控界面分別如圖5和圖6所示。

圖5 自動灌溉模式監(jiān)控界面

圖6 手動灌溉模式監(jiān)控界面

PC端灌溉控制平臺處的LoRa節(jié)點通過USB接口與PC端進行硬件連接。PC端灌溉控制平臺的工作流程如圖7所示。通過LoRa-USB通信網(wǎng)關，電腦自動識別串口號，點擊“打開串口”按鈕，相應按鈕自動變?yōu)椤瓣P閉串口”，此時，開始接收數(shù)據(jù)。首先，PC端將接收到的串口數(shù)據(jù)存在到定義的buf數(shù)組中，然后判斷數(shù)據(jù)的來源與數(shù)據(jù)的完整性。最后將處理后的數(shù)據(jù)顯示在相應位置。輸入管理員用戶名和密碼，驗證無誤后，各地區(qū)灌溉閾值變成可編輯狀態(tài)，此時，手動模式不可操作。重新設定最優(yōu)灌溉條件，點擊“確認”按鈕，即可實現(xiàn)指定區(qū)域自動灌溉。點擊“手動控制”，系統(tǒng)切換到手動模式，此時，自動模式不可操作。手動模式可以實現(xiàn)對指定區(qū)域的手動灌溉以及突發(fā)狀況的緊急停止。

4 實驗結果與分析

為了測試節(jié)點之間的傳輸距離，隨機選取A，B兩個LoRa節(jié)點，在相對空曠的地區(qū)進行實驗測試。兩節(jié)點均配置為定向傳輸，通信信道433 MHz，波特率9 600 bps，空中速率19.2 kbps，發(fā)射功率20 dBm，F(xiàn)EC功能打開，匹配可彎折全向膠棒天線。利用串口調(diào)試助手進行數(shù)據(jù)傳輸測試，發(fā)送端每組發(fā)送約100次數(shù)據(jù)，每次發(fā)送12個字節(jié)(與數(shù)據(jù)采集節(jié)點實際工作時發(fā)送最大數(shù)據(jù)長度相同)，發(fā)送間隔1 s。因配置為定向傳輸，正確接收時，每次數(shù)據(jù)長度僅為9個字節(jié)。

圖7 PC端灌溉控制平臺的工作流程圖

A，B兩個節(jié)點同時匹配增益為6 dBi或3 dBi全向天線時，傳輸距離測試數(shù)據(jù)分別如表2，表3所示。對上述實驗數(shù)據(jù)進行分析：

表2 傳輸距離測試數(shù)據(jù)(6 dBi)

表3 傳輸距離測試數(shù)據(jù)(3 dBi)

1)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率與傳輸距離有關。隨著傳輸距離的不斷增加，信號強度逐漸削弱，丟包率逐漸增加。

2)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率與天線增益有關。當天線增益為6 dBi時，傳輸距離遠達1千米；當天線增益為3 dBi時，傳輸距離僅為600米。

3)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率與障礙物有關。受測試場地限制，當測試距離超過600米，傳輸信號陸續(xù)受到高樓，樹林等障礙物影響。

若選用表2中的LoRa節(jié)點，可以實現(xiàn)方圓1千米范圍內(nèi)的土地灌溉。如果灌溉區(qū)域?qū)掗?，合理匹配天線，灌溉范圍更加廣泛。實驗表明，LoRa擴頻傳輸可以實現(xiàn)遠距離無線傳輸，能夠較好的滿足系統(tǒng)需要。

5 總結

本系統(tǒng)采集節(jié)點設計以STM32單片機為控制核心，采用模塊化的設計方案，由LoRa-USB通信網(wǎng)關，信息采集單元，水閥控制單元，數(shù)據(jù)傳輸單元，電源單元以及灌溉模式指示組成。實現(xiàn)了多元信息及時上傳以及灌溉作業(yè)的快速響應，從而達到提高水資源利用率，實現(xiàn)精細化灌溉的目的。利用C#，設計PC端灌溉控制平臺界面，用戶可以隨時查看農(nóng)作物生長的環(huán)境參數(shù)，同時自由選擇灌溉模式。自動模式可以根據(jù)農(nóng)作物在不同階段的生長情況，靈活設定相應的灌溉條件；手動模式可以實現(xiàn)對指定區(qū)域的快速灌溉以及突發(fā)狀況的緊急停止。選用SQL server 2012作為數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了各種環(huán)境參數(shù)讀取、設定，灌溉模式選擇等重要數(shù)據(jù)的及時存儲。對后期數(shù)據(jù)的處理分析，特別是在農(nóng)作物不同生長時期，灌溉閾值與灌溉時間的最優(yōu)設定與選取等方面，具有深遠意義。數(shù)據(jù)傳輸方面采用SX1278芯片，LoRa擴頻傳輸，使該系統(tǒng)既可以滿足溫室大棚進行短距離灌溉，也可以滿足戶外大面積、遠距離灌溉要求，應用場景廣泛，成本低廉，操作簡單，可擴展性強。

本設計未來發(fā)展的方向如下所示：

1)采集節(jié)點供電方面可以采用太陽能板等可再生資源供電，對能源轉(zhuǎn)化、存儲與消耗做系統(tǒng)分析；

2)與計劃灌溉做對比實驗，定量分析水資源利用率；

3)對SQL存儲的數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)分析，規(guī)劃各種農(nóng)作物不同時期最優(yōu)灌溉閾值和灌溉時間。