基于LORA通信的山地果園灌溉系統

龍曉明，王躍亭，俞 龍，張健濤

(1.華南農業大學電子工程學院，廣州 510642；2.廣州市農情信息獲取與應用重點實驗室，廣州 510642； 3.廣東省農情信息監測工程技術研究中心，廣州 510642)

0 引 言

水果因富含維生素、纖維素等眾多人體必需的營養物質，成為了健康生活不可或缺的一部分。我國南方的山地丘陵，因其具有排水好、光照充足、通風好以及環境適宜[1,2]等特點，產有眾多高品質的水果。起伏的山勢雖然為果樹的生長提供了適宜的條件，但也為果園的管理造成了人力成本過高、交通不便等眾多問題[3,4]。

為克服山地、丘陵對果園管理帶來的不便，保證果農的增產增收，研究人員對果園管理各個環節進行了研究：果樹種植方面，馮曉龍等[5-9]通過研究氣候、土壤、套種以及地貌等信息，為不同果樹的生長提出不同的指導建議；果樹生長監測、控制方面，余國雄等[10-13]利用信息化技術，搭建果園通信網絡、引入專家系統等，實現果樹墑情采集、灌溉控制；果樹收獲、采摘方面，李建平等[14-16]設計新的農業機械，實現對山地果園收獲的機械化設計，減輕了果農負擔，減少人力管理成本。LORA作為一種新的通信方式，具有通信覆蓋面積廣、星型網絡等特點，適合于野外大范圍、長距離等應用場景，李瀟楊[17-20]等利用LORA進行農情、灌溉、水情等方面監測、研究。LORA通信技術在野外通信等方面有著重要的應用。

本文針對山地果園灌溉管理過程中灌溉面積大、人力管理成本較高等問題，提出了一套基于LORA通信的山地果園灌溉系統。系統利用LORA通信模塊通信距離遠、繞射能力強等特點[21-23]，實現了山地果園長距離、大面積的無線灌溉操作。系統利用LORA通信方式，實現大范圍、長距離的野外通信；同時，通過太陽能供電、低功耗運行模式，以及定點傳輸等低功耗策略，一方面實現了山地果園內的精準灌溉控制，另一方面則實現了野外通信的可靠、持久，系統具有一定的創新意義。

1 系統總體設計

本系統主要包括山地通信控制網絡，遠程云服務器和用戶信息交互平臺三部分組成，其示意圖如圖1所示。

圖1 系統整體示意圖

山地通信控制網絡分為2部分，主要是終端節點和通信控制節點。終端節點根據實際使用場景，部署于果園之中，用于果園不同地點的信息采集和灌溉；通信控制節點則位于果農家中或者其他通信條件較好的場所，用于實現山地果園環境條件、控制操作等信息的“上傳下達”。

遠程云服務器作為遠端控制單元，一方面用來接受各個通信控制節點發送的數據，并進行存儲、轉發至客戶端；另一方面用來接受來自客戶端的控制命令，并對其進行存儲、下達至對應通信控制節點。用戶交互平臺則為用戶提供人機交互，方便果農了解、管理山地果園。

2 山地果園通信、控制網絡設計

2.1 通信方式選擇與網絡拓撲設計

山地果園具有面積大、多起伏、植被多等特點，為適應山地果園的上述特點，解決山地野外通信，本文設計有“LORA+GPRS”的雙通信方式。其中，LORA的遠距離、強繞射等特點能夠解決山地果園長距離、多植被的問題；GPRS通信方式的引入，解決了果園本地信息與云服務器遠端信息的交互。

為保證山地果園的精準灌溉、分片管理，山地果園灌溉設施常常對不同區域設置不同灌溉控制開關。根據實際應用需求，系統設計采用星形網絡，將終端節點部署于灌溉開關附近，通信控制節點位于通信條件較好的場所，可以較好的實現山地果園分片分區的灌溉需求。

2.2 終端節點設計

終端節點主要由充/供電電路和處理控制單元兩部分組成，其結構示意圖如圖2所示，終端節點實物圖和封裝圖如圖3所示。

圖2 終端節點結構圖

圖3 終端節點實物與電路封裝圖

考慮到終端節點部署于果園實地，供電基礎設施建設配套缺失，系統通過太陽能進行供能，將太陽能轉化為節點工作的正常工作電壓。同時，引入GPS/北斗定位模塊，能夠實現對終端節點的快速定位，方便對節點的精確管理。

終端節點選用意法半導體公司的STM32F103C8T6作為主控芯片，其性能高、功耗低、成本低等特點，適合于山地果園應用場景。無線通信模塊選用LORA模塊，模塊因消除了同步開銷和跳數，具有低功耗、結構簡單等特點；同時，采用擴頻技術，終端與網關之間的通信可以使用不同的頻率和數據傳輸速率，而不會相互干擾，理論上可配置65536個地址，完全能夠滿足山地果園實際使用需求。

2.3 通信控制節點設計

通信控制節點同樣包括充/供電電路和處理控制單元兩部分組成，其結構示意圖如圖4所示，電路封裝圖如圖5所示。

圖4 通信控制節點結構示意圖

圖5 通信控制節點電路封裝圖

相較于終端節點，通信控制節點的穩定性要求更高，且控制方式更加靈活。因此，在供電電路中，系統中加入市電供電方式；同時，引入本地控制面板方便果農對節點的控制、操作等。

通信控制節點的通信、定位模塊選用安信可公司的A6模塊，模塊工作電壓為3.3～4.2 V，低功耗平均電流能夠保持在2 mA下，模塊可在850、900、1 800、1 900 MHz四個頻段下工作。

3 云服務器端與用戶交互平臺設計

系統選用阿里云服務器作為云服務器，服務器安裝有Ubuntu操作系統，配置有MongoDB、MYSQL兩種數據庫，可分別用于節點信息、用戶信息的存儲；同時，服務器中搭建有JAVA運行環境，能保證山地果園的數據接入、數據存儲、展示等程序的正常運行。

用戶交互平臺設計利用JAVA語言進行開發，開發工具選用IntelliJ IDEA，設計采用MVC設計模式，將控制、試圖和數據模型分開，使程序開發的更清晰、靈活。交互平臺則采用B/S(Brower/Server)模式[10]，果農通過瀏覽器連接至云服務器，經過業務解析，服務器將所需的信息、操作等結果反饋至瀏覽器。

4 實驗測試與結果

2017年12月，系統在廣西省昭平縣北陀鎮一柑橘園進行實地測試。果園占地約20 hm2，其中有5個絕對海拔約為140 m的山包，山坡上種植有柑橘，試驗場地如圖6所示。

圖6 試驗場地衛星圖和實地場景圖

4.1 通信范圍測試

為了測試系統的實地通信覆蓋范圍及其監測范圍，進行有實地通信范圍測試。試驗以果園原先部署的基于ZigBee的無線灌溉網絡為參照，對系統進通信、作用范圍測試。

圖7 ZigBee網絡節點分布圖

如圖7所示，ZigBee網絡依據果園內原有基礎設施而建，為實現對整個果園的灌溉控制，ZigBee網絡在原有的灌溉設施基礎上，搭建有21個終端節點、6個中繼節點、1個協調器節點的通信網絡，完成了對整個果園的灌溉控制覆蓋。

試驗時，LORA通信模塊空中速率設置為2.4 kbps，發送功率為30 dBm，天線為2 dB的棒狀天線。選用與ZigBee相同的拓撲布局。通信時，設定終端節點與通信控制節點的工作于定點模式下，測試時通信控制節點通過選擇指定通信地址實現與指定終端節點通信，測試結果如圖8所示。

圖8 LORA通信效果圖

LORA網絡直連的情況下，27個通信節點中正常通信節點數量可達到25個，對果園灌溉控制可達到92%以上。參照ZigBee通信網絡，LORA通信在直連的通信方式下，其通信范圍可與多級跳轉通信的ZigBee網絡相差不大；同時，LORA繞射、穿透能力強，更適應于大范圍、高密度的野外工作場景。

4.2 通信距離測試

為測試實地LORA通信距離，確定系統最佳部署設置，本文進行系統通信距離測試試驗。試驗時，通信控制節點放置于果園內，測試人員分別在果園左側、右側村莊以及可到最遠距離進行通信距離檢測，其結果如圖9所示。

圖9 LORA通信距離測試圖

在距離通信控制節點1000m、1500m的A、B兩村莊處分別能夠正常通信；系統最遠通信距離可達到距通信控制節點2600m的D處山頂處。長距離、強繞射的效果可以將部分通信節點部署于果農家內，方便果農實時、便捷了解果園信息；同時，遠距離的通信特點為同一網絡管理跨區域多果園提供技術支撐。

5 結果與討論

在通信范圍測試中，本文以ZigBee通信網絡為參照，對LORA在果園內的通信、覆蓋范圍進行了測試。試驗表明，系統利用直連方式對果園通信覆蓋率達到92%以上，系統可節省數量眾多的中繼節點。在通信距離測試中，通過測試節點在鄰近村莊、通信最遠距離等，表明系統可部署于果農家中，完成對果園內信息采集、監測。系統仍存在有不足，如系統部分節點通信信號不穩定，大范圍、多區域覆蓋需要搭建多通基站節點。