基于LoRa 的農田信息采集系統的設計與實現

戚偉佳

（吉林省電子信息產品檢驗研究院，吉林 長春130021）

隨著我國科學技術水平的不斷提高，各種先進技術被引入農業生產，農產品質量及生產效率均得到顯著提升[1]。以往采集種植環境溫濕度等信息多由人工完成，大量耗費時間及人力物力，獲取相關信息也缺乏實時性與可靠性，應用有效手段，設計一款能準確采集種植環境信息的信息采集系統，對農業生產工作的順利開展能發揮重要作用。本次研究將LoRa 技術作為基礎，設計一款農田信息采集系統。

1 概述

LoRa 技術是一種1GHz 以下低功耗、超長距的新型無線通信技術，可在全球免費頻段高效運行，相比其他技術，LoRa 技術有效解決了低功率和長距離不可兼顧的問題，其將基于線性調頻信號的擴頻技術、數字信號處理技術及向前糾錯編碼技術有機融合，鏈路預算高達157dB，普通環境下通信距離能達到15km 以上，空曠環境下通信距離很更遠[2]。接收靈敏度方面，LoRa 技術可達到-148dbm，為網絡連接可靠性提供保障。此外，LoRa 技術基礎設施成本較小，使用網間連接器/集中器擴展系統容量，建設與部署更加容易；LoRa 技術接收電流為10mA，休眠狀態下電流可低于200nA，進而可一定程度地延長電池壽命，一般情況下電池壽命可達10 年以上；LoRa 技術運行頻段屬于非授權頻段，節點與終端的成本也相對較低，進而能有效降低LoRa 建設成本[3]。為研發出一種既能應用于物聯網，又能使用低比特率進行長距離通訊的無線網絡，LoRa 聯盟董事會成員中興通訊與其他成員，基于LoRa 技術一同推出LoRaWAN，LoRaWAN 屬于一種低功耗廣域網規范，相比當今較為常見的網狀結構，LoRaWAN 將傳統星形結構作為網絡架構，進行長距離連接過程中，終端節點與網間連接器能夠直接進行信息交互，既可降低網絡復雜性，還能減少能量損耗，從而延長電池壽命。

2 系統組成與功能

本次研究計劃在溫室大棚不同位置放置溫濕度傳感器節點，以便可快速采集到溫室大棚內各位置溫濕度信息，并能將相關信息及時上傳到匯聚節點。本次研究設計的農田信息采集系統由采集節點、匯聚節點、服務器及監控端四部分組成。在基于LoRa 的農田信息采集系統中，LoRa 技術可采取多對一方式，幫助采集節點與匯聚節點間形成LoRa 網絡，在采集節點獲取到溫室大棚內環境溫濕度信息后，則能通過LoRa 網絡將信息傳遞給匯聚節點。作為連接采集節點和服務器的橋梁，匯聚節點既能實現與采集節點的有效通信，對傳感器信息進行全面收集，還能與服務器達成通信關系，在有效或無線網絡條件下將信息傳輸給服務器。服務器在接收到相關信息后，可對其進行系統性分析，分析完成后信息則可被傳輸至監控器，以便于管理員充分了解溫室大棚內環境溫濕度狀況。

3 LoRa 網絡組成與實現

將LoRaWAN 拓撲結構作為參考標準，選用星形拓撲作為采集節點和匯聚節點間LoRa 網絡的拓撲結構，相比其他拓撲結構，星形拓撲結構具有結構簡單、傳輸時間延遲小、功耗低等特點，當采集節點數量較多時，星形拓撲結構還能將采集節點行分區域管理，并對處于不同區域的采集節點使用不同頻段，進而降低采集節點之間出現的信號干擾。

本次研究設計的農田信息采集系統中LoRa 通信模塊屬于無線數傳模塊，由微控制器控制sx1278 芯片組成，可實現多對一星形網絡通信結構的建立。處于同一網絡環境時，中心模塊可通過地址呼叫節點模塊和地址匹配節點模塊，并在接收到信息后立即給予答復，同時各個節點之間并不會產生干擾，可見這種應用場景對于低功耗無線采集具有極高適用性。LoRa 網絡以匯聚節點為主、采集節點為從的主從關系作為主要通信方式，采集節點接收到匯聚節點發出的指令信息后，能對指令信息進行解析，并做出相應操作，當采集節點未收到操作指令時，其便會以默認設置執行操作。

LoRa 網絡節點通過選擇空中喚醒作為監聽網絡的主要方式，利用這種方式，也可確保網絡監聽能夠在休眠模式與信道活動檢測模式下進行有規律的周期性切換，休眠模式下保持休眠狀態，信道活動檢測模式下保持網絡監聽狀態，以達到降低功耗的效果，但在發送信息數據時，一定要在有效信息數據前增加一段超過1 個休眠模式周期的前導碼，以確保信息數據能被有效接收。LoRa 網絡節點在信道活動檢測模式下對信號進行實時監聽，如果并未監聽到信號，直接進入休眠模式并等待下一次喚醒；如果監聽到信號，立即轉入判斷信號的工作模式。信號判斷工作模式下，會對監聽到的信號進行判斷，如果信號發送目標為自己，直接進入常規數據接收模式，實現自己與信號源的信息交互，并會延長工作模式保持時間，以便于信息傳輸；如果信號發送目標并非自己，直接進入休眠狀態，并會延長休眠周期。

當LoRa 網絡節點被喚醒時，會立即轉入信道活動檢測模式進行信號監聽，如果信號發送目標為自己，則會延長工作時間；如果信號發送目標不是自己，則會延長休眠時間。

4 系統硬件組成

基于LoRa 農田信息采集系統硬件設計主要由采集節點和匯聚節點組成，微控制單元主控芯片選用STM32F103VET6，屬于以ARM32 位cortex-M3 架構為基礎的微處理器，集成512kb閃存與64kb 靜態隨機存取存儲器，保證采集節點與匯聚節點擁有充足空間，工作頻率可達到72MHz 以上。構成LoRa 模塊的sx1278 芯片屬于低功耗半雙工遠距離發射器，內設LoRa 遠程調制解調器，可保證遠距離、低功耗擴頻通信的實現，并具有較強的抗干擾性。

采集節點結構主要由LoRa 模塊、DHT11 傳感器、電源模塊及JTAG 接口組成，見圖1。采集節點接收到匯聚節點發出的指令后，可根據指令信息對溫室大棚環境溫濕度進行采集，隨后借助LoRa 模塊將采集信息發出；采集節點上配置DHT11 溫濕度符合傳感器，此傳感器具有已校準數字信號輸出功能，同時具有體積小、易操作、功耗低、穩定性高等特點；電源模塊負責采集節點供電；JTAG 接口主要負責仿真與調試程序。

圖1 采集節點結構圖

匯聚節點結構主要由LoRa 模塊、RS232 接口、電源模塊、JTAG 接口及WIFI 模塊組成，見圖2。待各采集節點發出采集信息后，匯聚節點會對采集節點傳感器獲取的溫室大棚環境溫濕度信息進行有效采集，同時對所有采集信息進行系統性分析，并上傳至服務器，在整個匯聚節點中起承上啟下作用；RS232 接口主要負責連接匯聚節點與PC，可使管理員通過串口調試工具對指令數據信息進行查看；WIFI 模塊承擔匯聚節點與服務器的連接；電源模塊與JTAG 接口作用與采集節點相同。

5 系統軟件設計

5.1 指令數據幀格式

服務器下達指令至匯聚節點，匯聚節點再對獲取指令進行解析處理，隨后將解析后指令傳遞至采集節點。ID 碼是采集節點ID 地址，匯聚節點可找到ID 地址找到各個采集節點，并向指定采集節點發出命令，同時匯聚節點收到采集節點返回的溫濕度信息時，也能檢測到由哪個采集節點發出。結束碼則為一幀的結束，通常用0x0D 和0x0A 表示。

表1 采集節點和匯聚節點之間的數據幀格式

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5.2 采集節點

采集節點以采集、上傳溫濕度信息和接收匯聚節點下達指令為主要工作內容。采集節點上電完畢后，首先進行軟硬件初始化，對相關參數與變量進行初值設置，并分配內存，隨后按照“LoRa 網絡中斷請求”→“是否符合指令規范”→“解析指令并行參數設置”→“收集溫濕度信息”→“通過LoRa 上傳信息至匯聚節點”這一流程進行周期性工作。如果在此期間接收到LoRa 網絡中斷指令，則會重新解析指令和設置采集間隔。

5.3 匯聚節點

匯聚節點以接收服務器下達指令、向采集節點下達指令和接收采集節點返回溫濕度信息并發送至服務器為主要工作內容。LoRa 網絡連接采集節點與匯聚節點，WIFI 連接匯聚節點與服務器，通信則通過TCP/IP 網絡通信協議和Socket 編程來實現。匯聚節點上電完畢后同樣進行軟硬件初始化、相關參數和變量的初值設置及內存分配，隨后按照“等待中斷”→“有中斷請求”→“WIFI 中斷請求”→“解析指令并執行操作”這一流程進行周期性工作。如果在此期間WIFI 中斷請求失敗，則需對LoRa網絡上傳的數據進行收集，再進行數據解析后通過WIFI 上傳。

5.4 服務器端

服務器端以向匯聚節點下達指令和收集匯聚節點返回數據為主要工作內容，服務器端完成返回數據解析工作后，再將解析后數據存入數據庫，以供管理員隨時查看。

6 結論

采取科學方法對農田信息進行精準采集，可幫助農戶科學種植，提高種植效率和農作物質量。本次研究設計的基于LoRa技術農田信息采集系統，可幫助農戶實時了解種植環境溫濕度，以便于對其加以調整，其對于促進智慧農業快速發展具有重要意義。