基于LoRa技術的山地果園霜凍預警系統設計

王小兵 秦嘉駿 王利平

（1.陜西省寶雞苗木培育中心 陜西省寶雞市 721000 2.西京學院信息工程學院 陜西省西安市 710123）

1 引言

早春霜凍是水果種植的主要氣象災害，尤其山地果園地形復雜，戶外自然條件惡劣，地勢高低完全不同，霜凍的發生與具體地形地勢高度有關，天氣預報無法做到準確預報具體位置氣溫，并且霜凍具有發生時間集中，周期短的特點，若霜凍發生時不及時采取預防措施會導致果園大面積減產甚至絕收。因此，安裝適合山地果園實際情況的霜凍預警系統，對山地果園的霜凍災害進行預警，提醒農戶提前采取防治措施，對促進果業提質增效、區域防災減災、保障果農穩定收入，具有十分重要的意義。

LoRa 是一種新型無線通信技術，工作在未授權頻譜上，其具有超低功耗、低成本、廣覆蓋、超低的發射功率等優點，適合于長距離通信、低功耗的物聯網網絡環境，尤其在有著低成本需求的農業物聯網領域應用非常廣泛。山地果園大部分區域未有電力布設，市電供電的傳感器測試設備難以布設，電池供電的低功耗便攜式測試設備是山地果園的最佳選擇，基于LoRa技術的無線傳感器能夠滿足山地果園低功耗、長距離、低成本的要求。

2 霜凍預警系統總體設計

霜凍預警系統由氣象監測單元、4G DTU、服務器、移動終端設備組成。

氣象監測單元也即無線溫濕度傳感器節點，其利用LoRa 低功耗長距離無線通信技術通信，電池供電，每5 分鐘將監測點溫濕度上傳一次至4G DTU。系統設計的溫濕度監測單元，功耗低、小型化、易攜帶、易布設、易回收。霜凍期時在所需位置快速布設，霜凍結束后回收，用以采集近地溫度時空分布數據，針對性強。

DTU 采用LoRa 通信模式接收多個監測點溫濕度數據，并將測試數據通過4G 實時發送至服務器。服務器在接收到果園實時數據后，進行綜合分析處理判斷，同時發送數據及預警信號至客戶端。用戶可通過電腦或手機客戶端程序查看監測點溫濕度和霜凍預警信號。

3 系統硬件設計

3.1 低功耗無線傳感器節點設計

無線溫濕度傳感器采用LORA 通信技術，采取了低功耗設計，體積小，便攜，密封性良好，電池供電，可按需布置在山地果園的任何地方，進行果園溫濕度數據采集。無線傳感器節點包括STM32 控制器模塊、溫濕度傳感器、loRa 模塊組成。

控制器采用STM32F103 為主控芯片，單片機接口資源豐富、控制簡單、價格便宜，2.0 ～3.6V 供電，可在-40℃～+85℃環境溫度下穩定工作，有睡眠、停機和待機三種低功耗工作模式，可快速喚醒。

LoRa 無線模塊選用成都億佰特特公司的E22-400T22D 無線模塊，基于SX1268 射頻芯片工作，采用新一代LoRa 擴頻技術，傳輸距離遠、速度快、功耗低、體積小。模塊工作電壓范圍為2.3 ～5.5V。無線通信模塊的能耗占整個節點能耗的大部分，表1列出了SX1268 各狀態下的能耗情況，模塊休眠狀態的能耗遠小于接收和發送模式下的能耗，系統設計通信模塊在完成收發任務后進入休眠模式。

表1：SX1268 各狀態下的能耗

由于傳感器節點布署在戶外，因此選用SHT30 高精度防水防塵溫濕度傳感器進行數據采集。該型傳感器防塵防水，密封性好，適合戶外使用。

LoRa 模塊、SHT30 傳感器與STM32F103 的接線如圖1所示。

圖1：無線傳感節點電路圖

無線傳感器節點所使用的模塊元件，均可在寬電壓下正常工作，節點采用3.6V 鋰電池供電。無線傳感節點能量消耗主要是微控制器和射頻模塊，兩部分均進行了低功耗設計，數據5min 采集并上傳一次，完成數據發送后，其余時間處于休眠狀態。在電池供電情況下可保證設備連續工作3 個月時間，完全可以滿足每年的霜凍期使用。

3.2 無線數傳模塊

預警系統通過4G DTU 實現LoRa 無線射頻轉4G 網絡服務，從而將氣象監測單元采集到的溫濕度數據傳至服務器。選用億佰特的E90-DTU400SL-4G 數傳電臺，可實現射頻模塊到網絡服務器的雙向數據透明傳輸。無線射頻收發器采用SEMTECH 公司的SX1262 射頻芯片，支持LoRa 擴頻技術，內部搭載高性能處理器，具有多種傳輸方式，實測通信距離可達10km，在4G 網絡端，電臺支持LTE-FDD、LTE-TDD、WCDMA、CDMA、GPRS 等網絡數據連接。模塊可通過USB 連接電腦上位機進行參數配置。

配置完成后，DTU 上電默認工作在通訊模式，自動開始網絡連接，當與服務器建立連接后，DTU 收到的數據透傳到服務器進行分析處理。

4 系統軟件設計

預警系統軟件部分主要包括LoRa 通信程序、氣象數據獲取程序，服務器及終端設備程序。

4.1 LoRa通信程序設計

預警系統傳感器節點和DTU 之間通過LoRa 無線技術進行數據傳輸，當LoRa 模塊上電，或M1、MO 引腳電平改變時，通信模塊復位，進行硬件自檢，并根據M1、MO 引腳電平配置工作模式。工作流程如圖2所示。

圖2：LoRa 模塊復位工作流程圖

LoRa 無線通信發送數據格式為“地址+信道+數據”，通過配置發射接收模式，并設置對應的地址和信道，實現傳感器節點向DTU 發送數據，或DTU 向特定終端發射數據。

4.2 數據獲取程序設計

傳感器節點溫濕度獲取軟件流程如圖3所示，上電工作后，主控芯片STM32F103 首先進行一系列的初始化設置，由于LoRa 模塊與核心板通過串口通信，故需要對串口初始化。主控芯片通過I2C 接口獲取SHT30 溫濕度傳感器采集的溫濕度數據，并打包后通過串口送給LoRa 模塊，隨后發送給DTU。

圖3：數據獲取流程圖

4.3 客戶端應用軟件設計

系統利用中國移動開發的OneNET 物聯網云平臺搭建云服務器，進行數據的處理與存儲。OneNET 云平臺適配于多種網絡環境和協議類型，個人或企業賬號可創建多個項目，各項目可連接多個傳感器和終端設備，具有設備控制、應用開發、數據分析等多種功能。系統設計開發了手機和PC 端的應用軟件，農戶可通過OneNET 平臺在終端隨時監測果園不同位置處的溫濕度信息，當溫濕度大于設定閾值時，給出報警信號。

5 結束語

基于LoRa 通信技術設計了一個適用于山地果園的霜凍預警系統，實現了對山地果園的不同地勢位置處的溫濕度實時監測，并對數據進行處理分析，給出霜凍預警信號，農戶通過查詢客戶端APP，了解果園氣溫情況。通過系統實地調試，該系統能夠精確監測果園不同區域的氣象數據，很好地對早春時節的霜凍發生進行預警，以提醒農戶提前采取防護措施，進而達到防災減災目的。系統設計靈活、便攜式測試節點布設方便、傳輸距離遠、功耗低，信息發送實時準確，可以被廣泛應用于山地果園霜凍減災防護系統中。