基于GPRS和LORA的大棚智能灌溉系統(tǒng)探索與設(shè)計(jì)

摘 要：相比于傳統(tǒng)的種植田地方式，大棚是個(gè)封閉的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施。自然降雨不能被直接利用，大棚內(nèi)農(nóng)作物需要的水分完全依靠人工灌溉措施來保證。而傳統(tǒng)的灌溉方式效率低、人工成本高，亟需向自動(dòng)化、智能化轉(zhuǎn)變。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的逐步應(yīng)用，智能灌溉已經(jīng)成為大棚灌溉的發(fā)展趨向。本文主要探討了基于GPRS和LORA的大棚智能灌溉系統(tǒng)的探索與設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：GPRS技術(shù)；LORA技術(shù)；大棚智能灌溉

中圖分類號(hào)：S126；S274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2018）11-0189-03

The Exploration and Design of Greenhouse Intelligent Irrigation System

Based on GPRS and LORA

FENG Jun，WANG Xiaodong，SHEN Zhihui，YANG Yang

（Talent Cloud Information Technology Co.，Ltd.，Nanning 530007，China）

Abstract：Greenhouse is a closed agriculture facilities compared with the traditional planting fields. The requisite moisture for crops in greenhouse completely depends on artificial irrigation，because the natural rainfall can’t be absorbed by the crops directly. As the efficiency of traditional irrigation is very low and the cost of labor is very high，so the traditional irrigation urgently needed to be more automated and more intelligent. With the development of science and technology，especially the internet of things has been using in agricultural production gradually，the intelligent irrigation has been a trend in the developing of greenhouse irrigation. The purpose of this study was to explore and design a greenhouse intelligent irrigation system based on GPRS and LORA.

Keywords：general packet radio service technology；LORA technology；greenhouse intelligent irrigation

0 引 言

近些年來，我國(guó)大棚種植面積不斷提高。大棚農(nóng)業(yè)是根據(jù)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育需求，通過人工調(diào)節(jié)改變局部氣象環(huán)境，為農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育提供適宜的環(huán)境條件，一定程度上擺脫了對(duì)自然因素依賴的新型農(nóng)業(yè)。它改變了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的種植生產(chǎn)模式，打破了農(nóng)作物生長(zhǎng)在地域和時(shí)空上的界限，推動(dòng)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。但由于大棚是個(gè)相對(duì)封閉的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施，大棚內(nèi)作物不能直接吸收自然降雨，所需要的水分完全依靠人工灌溉。而農(nóng)作物的生長(zhǎng)的土壤需要保持一定程度的濕度，并且不同的生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)水分的需求往往不同。人們通常是通過觀察土壤濕度情況、農(nóng)作物生長(zhǎng)狀態(tài)并結(jié)合自己在種植中的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行灌溉。這種人工灌溉方式不能及時(shí)或者準(zhǔn)確地控制灌溉水量，因此不能滿足農(nóng)作物的最佳適宜濕度，同時(shí)也會(huì)對(duì)水資源造成浪費(fèi)。

智能灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過對(duì)大棚土壤濕度情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)農(nóng)作物對(duì)土壤濕度情況的需求來設(shè)定自動(dòng)灌溉條件，當(dāng)大棚內(nèi)土壤濕度低于設(shè)定值，就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)灌溉系統(tǒng)對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行澆水灌溉，當(dāng)達(dá)到農(nóng)作物適宜的土壤濕度時(shí)，就會(huì)自動(dòng)停止灌溉。同時(shí)通過部署在大棚內(nèi)的傳感器可以實(shí)時(shí)觀察土壤濕度情況。在大棚內(nèi)部的硬件設(shè)備通過LORA無線組網(wǎng)，實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)指令發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過GPRS連接到云服務(wù)器，通過云服務(wù)器對(duì)大棚灌溉系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。從而保證對(duì)大棚農(nóng)作物灌溉的及時(shí)性、準(zhǔn)確性并能實(shí)時(shí)了解大棚內(nèi)的土壤濕度情況。

1 GPRS技術(shù)簡(jiǎn)介

GPRS（General Packet Radio Service）是通用分組無線服務(wù)技術(shù)的簡(jiǎn)稱，它是一種基于GSM無線系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，可以提供設(shè)備終端到設(shè)備終端或設(shè)備終端到互聯(lián)網(wǎng)之間的無線IP連接。GPRS網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)：

（1）采用分組交換技術(shù)，通信效率高；

（2）數(shù)據(jù)傳輸率高，并且采用雙向通信，接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)間短；

（3）網(wǎng)絡(luò)資源合理，可以讓用戶“永遠(yuǎn)在線”；

（4）費(fèi)用低廉，僅按數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)；

（5）投資小，可靠性高，后期維護(hù)簡(jiǎn)單。

GPRS網(wǎng)絡(luò)的以上特點(diǎn)，可以很好地應(yīng)用在網(wǎng)關(guān)與云服務(wù)器的通信中，尤其是智能灌溉系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大棚內(nèi)土壤濕度情況及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。在偏遠(yuǎn)地區(qū)的農(nóng)業(yè)大棚中，GPRS也具有信號(hào)覆蓋范圍廣的優(yōu)勢(shì)，可以很好地滿足系統(tǒng)對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的需求。

2 LORA技術(shù)簡(jiǎn)介

LORA是美國(guó)Semtech公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案，是低功耗局域網(wǎng)（Low Power Wide Area Network，LPWAN）通信技術(shù)中的一種。作為低功耗物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)中的典型技術(shù)，LORA技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

（1）支持超遠(yuǎn)距離傳輸，最高可達(dá)無遮擋15公里，市區(qū)8公里；

（2）超低功耗待機(jī)，可靈活調(diào)整功率等級(jí)，適配傳輸中對(duì)距離和速率的要求，支持多種休眠和待機(jī)模式；

（3）多節(jié)點(diǎn)，支持點(diǎn)到點(diǎn)通訊、串口數(shù)據(jù)雙向通訊；

（4）低成本，維護(hù)簡(jiǎn)單。

在大面積的大棚種植中，智能灌溉系統(tǒng)需要安裝部署大量的傳感設(shè)備、控制設(shè)備，不可能每臺(tái)設(shè)備使用GPRS直接與無線網(wǎng)連接，這樣會(huì)造成不必要的成本浪費(fèi)。因?yàn)長(zhǎng)ORA技術(shù)具有以上特點(diǎn)，尤其是無線覆蓋范圍廣，可以在傳感設(shè)備、控制設(shè)備和網(wǎng)關(guān)之間采用LORA無線通訊，再通過網(wǎng)關(guān)GPRS模塊將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到云服務(wù)器。這樣可以極大地節(jié)省成本，同時(shí)也便于設(shè)備維護(hù)。

3 智能灌溉系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

智能灌溉系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)智能灌溉系統(tǒng)包括環(huán)境數(shù)據(jù)采集部分、灌溉控制部分、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)部分、云服務(wù)器部分和客戶端部分，包括手機(jī)客戶端和電腦客戶端。

其中數(shù)據(jù)采集部分主要通過安裝在土壤中的土壤濕度傳感器，將土壤濕度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上報(bào)給采集器。灌溉控制部分由安裝在各個(gè)灌溉節(jié)點(diǎn)的電磁閥和控制器組成，兩者之間使用有線連接，當(dāng)控制器收到指令就通過內(nèi)部繼電器動(dòng)作，打開電磁閥，從而對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行灌溉，并能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)電磁閥的運(yùn)行狀態(tài)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)部分主要由網(wǎng)關(guān)完成，通過將采集器、控制器的上報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并下發(fā)云服務(wù)器對(duì)各個(gè)設(shè)備的指令，從而將部署在大棚內(nèi)的各設(shè)備與云服務(wù)器連接起來。云服務(wù)器通過軟件平臺(tái)搭建，將大棚內(nèi)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，用戶通過手機(jī)客戶端或電腦客戶端能實(shí)時(shí)查看大棚內(nèi)土壤濕度情況及各設(shè)備運(yùn)行情況，可以根據(jù)農(nóng)作物對(duì)土壤水分的不同需求來設(shè)定智能灌溉條件，滿足灌溉需求。

3.2 系統(tǒng)硬件組成

（1）土壤濕度傳感器。采用基于介電理論并運(yùn)用頻域測(cè)量技術(shù)的土壤濕度傳感器，測(cè)量參數(shù)為土壤容積含水率，測(cè)量范圍為0～100%。當(dāng)土壤濕度傳感器插入到土壤中時(shí)，通過信號(hào)線將檢測(cè)到的信號(hào)以4-20mA制式傳輸給采集器；

（2）采集器。采用LORA無線通信模塊和單片機(jī)設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)接收土壤濕度傳感器上傳數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)。可以根據(jù)大棚土壤實(shí)際情況調(diào)整數(shù)據(jù)上報(bào)時(shí)間；

（3）電磁閥。采用DC 12V脈沖信號(hào)電磁閥，當(dāng)接通+12V脈沖信號(hào)時(shí)，電磁閥打開，當(dāng)接通-12V脈沖信號(hào)時(shí)，電磁閥關(guān)閉。使用脈沖信號(hào)控制，能有效減少設(shè)備功耗；

（4）控制器。采用LORA無線通信模塊和單片機(jī)設(shè)計(jì)，通過內(nèi)部繼電器來控制電磁的打開與關(guān)閉。并通過網(wǎng)關(guān)將電磁閥運(yùn)行狀態(tài)上報(bào)至云服務(wù)器，保持對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)掌握；

（5）網(wǎng)關(guān)。采用GPRS和LORA無線通信模塊，GPRS無線模塊用來與云服務(wù)器進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)采集器和控制器上報(bào)數(shù)據(jù)。LORA無線模塊用來與采集器、控制器進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)云服務(wù)器給采集器與控制器的指令。

3.3 系統(tǒng)軟件組成

軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)為數(shù)據(jù)中心和控制中心。數(shù)據(jù)中心用來接收土壤濕度傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和電磁閥實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。控制中心用來對(duì)電磁閥進(jìn)行遠(yuǎn)程智能控制，并通過設(shè)定灌溉條件，對(duì)電磁閥進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)智能灌溉。

3.4 智能灌溉流程

用戶根據(jù)大棚內(nèi)農(nóng)作物對(duì)土壤濕度的需求，通過客戶端訪問云服務(wù)器，設(shè)置大棚內(nèi)電磁閥的啟動(dòng)條件，當(dāng)達(dá)到該條件時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)灌溉閥門進(jìn)行灌溉。如農(nóng)作物A的最適宜土壤濕度為40%，設(shè)定此區(qū)域電磁閥啟動(dòng)條件為此區(qū)域土壤濕度低于40%就自動(dòng)啟動(dòng)，高于60%就自動(dòng)停止。當(dāng)此區(qū)域安裝的土壤濕度傳感器檢測(cè)到土壤濕度低于40%，云服務(wù)器就會(huì)下發(fā)打開指令通過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)給控制器，控制器通過內(nèi)部繼電器動(dòng)作來啟動(dòng)電磁閥，對(duì)此區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)灌溉。隨著灌溉的進(jìn)行，土壤濕度會(huì)不斷增加，當(dāng)土壤濕度傳感器檢測(cè)到土壤濕度高于60%時(shí)，云服務(wù)器就會(huì)下發(fā)停止指令并通過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)給控制器，控制器通過內(nèi)部繼電器動(dòng)作來關(guān)閉電磁閥，從而完成整個(gè)灌溉過程。

3.5 系統(tǒng)特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)

（1）及時(shí)、精準(zhǔn)性。大棚農(nóng)作物什么時(shí)候需要灌溉，需要灌多少，這些單靠種植人員的觀察和經(jīng)驗(yàn)很難保證及時(shí)性和精準(zhǔn)性。通過安裝部署在大棚土壤中的土壤濕度傳感器，可以及時(shí)知道灌溉需求。通過設(shè)定灌溉條件，自動(dòng)啟動(dòng)電磁閥進(jìn)行灌溉，能大幅提高灌溉的精準(zhǔn)性；

（2）可復(fù)制性。不同農(nóng)作物對(duì)土壤濕度的需求不相同，相同農(nóng)作物不同生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)土壤濕度的需求也不相同。傳統(tǒng)人工灌溉因人員不同難以有效記錄長(zhǎng)期灌溉信息。本系統(tǒng)可以根據(jù)歷史灌溉記錄分析不同農(nóng)作物不同時(shí)期的灌溉需求，據(jù)此可以整理為有效灌溉參考依據(jù)，加以復(fù)制運(yùn)用；

（3）管理可移動(dòng)性。大棚內(nèi)土壤濕度和灌溉閥門運(yùn)行狀態(tài)都通過GPRS網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到云服務(wù)器，用戶可以通過手機(jī)客戶端或電腦客戶端隨時(shí)隨地了解大棚內(nèi)農(nóng)作物灌溉情況，對(duì)生產(chǎn)管理進(jìn)行統(tǒng)籌協(xié)調(diào)；

（4）節(jié)省人力成本。由于大棚種植對(duì)人工灌溉的依賴，在農(nóng)作物生長(zhǎng)期間需要不斷灌溉保持大棚內(nèi)土壤濕度。一個(gè)人可以管理10畝大棚灌溉，當(dāng)大棚種植面積到100畝、1000畝甚至上萬畝的時(shí)候，人工成本將會(huì)很大。通過本系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)智能灌溉，只需要少量人員即可管理整個(gè)種植區(qū)域的灌溉。

4 結(jié) 論

中國(guó)是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大國(guó)，隨著大棚種植在國(guó)內(nèi)的不斷推廣，如何有效提高灌溉效率對(duì)大棚生產(chǎn)具有巨大的意義。本文主要探討了基于GPRS和LORA技術(shù)的大棚智能灌溉系統(tǒng)的探索與設(shè)計(jì)。在大棚內(nèi)安裝部署土壤濕度傳感器及灌溉控制設(shè)備，通過GPRS和LORA技術(shù)將部署在大棚內(nèi)的各設(shè)備與云服務(wù)器連接起來，組成智能灌溉系統(tǒng)。用戶通過智能灌溉系統(tǒng)可以隨時(shí)隨地掌握大棚內(nèi)作物灌溉情況，更加及時(shí)、準(zhǔn)確對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行灌溉。大幅提高灌溉的精準(zhǔn)度，實(shí)施合理的灌溉制度，提高水資源的利用率。同時(shí)在大面積大棚種植中可以大幅減少人力成本，提高生產(chǎn)效益。在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向智慧農(nóng)業(yè)的逐步轉(zhuǎn)型中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展并應(yīng)用于各行各業(yè)，大棚智能灌溉也將不斷發(fā)展完善，在中國(guó)智慧農(nóng)業(yè)中產(chǎn)生更大的價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：馮軍（1988-），男，湖北人，售后服務(wù)工程師，本科。研究方向：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。