基于LoRa技術山區茶園環境監測系統

程艷明，徐嘉欣，牛 晶

（1.北華大學電氣與信息工程學院，吉林省吉林市 132021；2.吉林化纖集團有限責任公司規劃發展部，吉林省吉林市 132011）

1 概述

基于物聯網實現的茶園環境整體監測系統是通過在茶園從空氣到土壤的環境里安裝各類茶園所需的傳感器，實時監控茶園上空的大氣壓力、風速風向、溫度濕度、光照輻射總量以及土壤成份等茶樹生長情況。通過運用這些傳感器組成的無線傳感器網絡實時為專業的茶葉種植人員提供詳細的監測數據，為專業人員及時調整和控制茶園培育環境提供專業依據，也為質檢部門提供可靠的數據。但是由于監測設備安裝于山區野外環境，氣象條件和地理環境相對比較惡劣，通信網絡的覆蓋情況也比較不理想，如果在傳統的山區茶園監測系統的采集層和數據傳輸層中引入LoRa技術，可極大提高茶園環境監測的實時性和可靠性，保障全天24h實時監測，及時、準確為茶園耕作管理提供有效依據。

2 LoRa無線技術

LoRa是LPWAN通信技術中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案。目前，LoRa主要在全球免費ISM頻段運行，包括433、868、915 MHz等；協議標準采用IEEE 802.15.4g；調制方式采用基于擴頻技術的線性調制擴頻（CSS），該技術具有前向糾錯（FEC）能力；在容量方面，一個LoRa網關可以連接上千上萬個LoRa節點；電池壽命可長達10年以上；安全加密技術采用AES128加密；傳輸速率從幾百到幾十Kbps；LoRa的名字由來即遠距離無線電（Long Range Radio），它最大特點就是在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠，實現了低功耗和遠距離的統一，它在同樣的功耗下比傳統的無線射頻通信距離擴大3-5倍。經測試驗證LoRa網關在高山、峽谷地形的衍射、反射能力較強，覆蓋效果良好。在多網關部署的情況下，對盲區會有很好補充覆蓋效果。即使在山區，LoRa網關的平均覆蓋距離也能保證在5千米左右。因此，LoRa技術比較適合應用到山區茶園檢測系統中。

3 系統設計

整個茶園LoRa網絡監測系統主要由LoRa終端即帶有各檢測功能的傳感器設備、LoRa網關（或稱基站）、網絡服務器以及應用服務器組成。應用數據可雙向傳輸。具體如下：

（1）系統采用分層分布式結構，第一層為遠程數據采集。采集茶園各監測點監測數據。第二層為遠程無線傳輸網絡。通過LoRa或衛星（如果需要）通訊方式，平臺可向監測站發送上傳數據命令，監測站可即時上報實時數據或歷史數據。第三層為數據匯聚平臺，通過網絡連接監測中心站實現數據共享。

（2）系統采用信息無線采集、軟件工程設計、網絡傳輸協議、無線通信技術等先進技術。可實現快速采集和存儲茶園各個測點的大氣壓、空氣溫濕度，光照、雨量、土壤營養成份等實時數據及監測設備工作電壓和環境溫度數據。

（3）前端采集數據的傳感器與數據傳輸的終端均集成LoRa通訊模塊上，適應于高海拔山區復雜地形、高低溫環境下工作，具有低功耗、穩定性高、便于安裝等特點，完全滿足惡劣的野外工作條件。

（4）監測系統可支持GPRS/4G/衛星等通訊方式發送至多個遠程監測中心，并滿足通過LoRa無線傳感網絡，傳感器節點、終端節點以及中心節點之間可相互通信。網關與網絡服務器之間通過TCP/IP協議通信。

4 系統特點

基于LoRa技術實現的山區茶園環境監測系統具有如下優點：

（1）一體化設計理念。數據采集LoRa終端采用模塊化思路設計，具有低功耗和低成本的特點。LoRa網關可對傳感器節點進行集中管理和控制，并將采集到的傳感數據進行處理和存儲。

（2）網絡具有較強的自愈性。在無需人工干預的情況下，LoRa網絡節點能夠感知其他節點的存在，并確定鏈接關系，然后組成結構化的網絡；當節點位置發生變化或故障時，網絡可自我進行修復，并對網絡拓撲結構進行相應的調整，保證系統穩定正常工作。

（3）具有較高兼容性。LoRa網關具備協調器功能，除完成接收終端節點發送過來的請求和數據，終端節點的入網管理，負責網絡結構的維護，實現網絡自組織功能，如果需要遠程數據實時監測，可鏈接GPRS/4G網絡，完成與監控中心之間的數據傳輸和命令管理，完全滿足茶園環境監測系統的數據傳輸要求。

（4）具有較強的抗干擾性。為保證監測中心可以隨時正確獲取監測站數據、讀取任意時段數據或各監測點工作狀態等信息，數據到達監測中心服務器后，首先由通訊程序接收數據，通訊程序負責對數據包進行拆包、解碼，對數據進行糾檢錯處理，這一過程減少了數據的誤碼率、提高了數據完整率。監測數據合成后被存入數據庫中并存入日志文件中。

（5）具有較低的功耗設計。系統采用定時喚醒的模式來管理各級節點，當需要采集數據時，由監控中心下發命令給中心節點，中心節點再來喚醒各個終端節點，開始數據的采集和傳輸。

（6）具有較低運維成本。相比ZigBee/WiFi數據傳輸，LoRa數據傳輸，具有相對較少的監測節點并且功耗很低，這樣可大幅降低項目后期的運營維護成本。

5 結論

隨著基于物聯網的智慧農業進一步發展，本論文通過對現有基于ZigBee/WiFi技術實現的智慧茶園的分析，特別是在高海拔山區復雜地貌的茶園，基于ZigBee/WiFi的無線傳感器網絡已經不能很好的進行信號無死角的全覆蓋，甚至采集數據在傳輸過程丟失。因此本論文將LoRa無線網絡傳感技術引入到茶園環境監測系統中，最主要的是提高了信號的完全覆蓋，保證了各監測點所采集的數據準確可靠的傳輸。同時降低了整體系統的功耗，節約了系統成本，提高了茶園監測系統的實時性和可靠性，可在茶園環境監測中加以推廣。