基于LoRa的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

劉天培，戚德林，趙晨陽(yáng)

（上海電機(jī)學(xué)院 電子信息學(xué)院，上海 201204）

大型農(nóng)場(chǎng)或現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園，無(wú)論是大棚，還是空氣中裸露的田地，均需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制溫濕度、土壤濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境信息，在溫度較高或者土壤干燥的時(shí)候需要澆水，田網(wǎng)、水網(wǎng)和電網(wǎng)需要做到聯(lián)動(dòng)。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)下，農(nóng)作物成長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)的主要方式是人工經(jīng)驗(yàn)或使用測(cè)量工具實(shí)地測(cè)量獲取，也可以使用有線的方式對(duì)所有大棚、田間布線。人工檢測(cè)方式時(shí)效低、工作量大且生產(chǎn)成本高，有線傳輸方式布線成本大，可擴(kuò)展性差。農(nóng)業(yè)園的環(huán)境監(jiān)測(cè)智能化和生產(chǎn)環(huán)節(jié)自動(dòng)化是發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園的重要內(nèi)容，提升生產(chǎn)系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化水平對(duì)于提高生產(chǎn)效率、提高農(nóng)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力以及精簡(jiǎn)人力成本均有重要促進(jìn)作用。

本項(xiàng)目依托部署在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園的各種傳感節(jié)點(diǎn)（環(huán)境溫濕度、土壤水分、二氧化碳等）和位于管控室的網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器以及移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)園內(nèi)環(huán)境的智能感知、智能預(yù)警以及田網(wǎng)、水網(wǎng)（澆灌）、電網(wǎng)（照明）、路網(wǎng)（路燈）以及消防系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園環(huán)境檢測(cè)和自動(dòng)調(diào)節(jié)、智能化管理提供完整的信息化支持系統(tǒng)[1]。

1 關(guān)鍵技術(shù)

由于農(nóng)業(yè)環(huán)境具有特殊性，不能隨意選擇現(xiàn)有的無(wú)線通信方式，而要根據(jù)使用場(chǎng)景選擇合適的通信方式。目前，比較成熟的無(wú)線通信方式主要有WiFi，Bluetooth，Zigbee，LoRa，NB-IOT等。因?yàn)閃iFi，Bluetooth，Zigbee普遍存在傳輸距離不足的問(wèn)題，不適用于農(nóng)業(yè)環(huán)境場(chǎng)景，所以僅對(duì)比LoRa和NB-IOT[2]，如表1所示。

本課題場(chǎng)景為農(nóng)田，野外農(nóng)田并沒(méi)有完全覆蓋蜂窩網(wǎng)，因此，NB-IOT并不適合，所以選擇LoRa通信技術(shù)為農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)站以及澆灌控制節(jié)點(diǎn)的通信方式，通過(guò)設(shè)置多個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境信息的感知和智能控制。

2 系統(tǒng)整體方案

2.1 系統(tǒng)功能

（1）環(huán)境數(shù)據(jù)采集，包括通過(guò)各種傳感器采集節(jié)點(diǎn)處的空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度、光照強(qiáng)度、雨水有無(wú)、水位、紅外傳感器（用于防盜）等。

（2）數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸，各個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)情況放置在相距500～3 000 m的范圍內(nèi)，將采集到的數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)上傳至服務(wù)器。

（3）自動(dòng)控制，由用戶提前設(shè)置閾值，土壤過(guò)于干燥自動(dòng)開(kāi)啟澆灌系統(tǒng)，光照過(guò)強(qiáng)自動(dòng)拉起遮光簾。

表1 LoRa與NB-IOT的比較

（4）遠(yuǎn)程控制，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)客戶端手動(dòng)控制澆灌、遮陽(yáng)，以補(bǔ)充自動(dòng)控制的意外情況。

（5）數(shù)據(jù)記錄查詢，用戶網(wǎng)絡(luò)客戶端查詢數(shù)據(jù)，通過(guò)前端設(shè)計(jì)將數(shù)據(jù)繪制報(bào)表、圖標(biāo)等數(shù)據(jù)直觀地呈現(xiàn)。

2.2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

根據(jù)功能需要，將系統(tǒng)分為3個(gè)部分，如圖1所示。工作過(guò)程如下：（1）服務(wù)器定時(shí)下達(dá)采集數(shù)據(jù)指令，網(wǎng)關(guān)接受指令并喚醒終端節(jié)點(diǎn)。（2）節(jié)點(diǎn)收到喚醒指令后，判斷是否喚醒指令中的對(duì)象是自己。（3）喚醒對(duì)象為本節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)工作并上傳數(shù)據(jù)。（4）網(wǎng)關(guān)接收LoRa的數(shù)據(jù)，處理為JSON格式，通過(guò)MQTT協(xié)議上傳服務(wù)器。（5）本地服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)，存入數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過(guò)網(wǎng)頁(yè)查詢。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

3 大田監(jiān)測(cè)站硬件設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)測(cè)站硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)硬件需求，選擇TPYBoard_V102作為主控板。TPYBoard_V102是以遵照MIT許可的MicroPython為基礎(chǔ)，由TurnipSmart公司制作的一款MicroPython開(kāi)發(fā)板，基于STM32F405單片機(jī)，通過(guò)USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，支持Python語(yǔ)言[2]。監(jiān)測(cè)站硬件實(shí)物如圖2所示，其中，CPU為ARM CORTEX-M4，MCU運(yùn)行最高速度為168 MHz，F(xiàn)lash為1 024 KB。

圖2 監(jiān)測(cè)站硬件實(shí)物

3.2 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

通過(guò)樹(shù)莓派連接網(wǎng)關(guān)與終端。樹(shù)莓派將終端的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至服務(wù)器，將服務(wù)器的指令轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)關(guān)[3]。樹(shù)莓派實(shí)物如圖3所示，監(jiān)測(cè)站模型如圖4所示。

圖3 樹(shù)莓派

圖4 監(jiān)測(cè)站模型

4 結(jié)語(yǔ)

在大型農(nóng)場(chǎng)或現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園，人工檢測(cè)方式時(shí)效低、工作量大且生產(chǎn)成本高。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一套用于農(nóng)業(yè)的低成本、高穩(wěn)定性的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與灌溉系統(tǒng)。采用LoRa技術(shù)解決了農(nóng)業(yè)場(chǎng)景中的面積大，且多在偏僻地區(qū)，移動(dòng)信號(hào)差的窘境，利用其長(zhǎng)距離傳輸?shù)奶匦詫?shí)現(xiàn)了園區(qū)的廣覆蓋，超低功耗省去了供電與布線。本項(xiàng)目還進(jìn)行了云平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，現(xiàn)已經(jīng)完成了監(jiān)測(cè)和控制功能，下一步將進(jìn)行對(duì)數(shù)據(jù)的分析，從而指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展。