基于LoRa的農業物聯網節點設計

倪梓昂 劉 威

金陵科技學院網絡與通信工程學院

0 引言

隨著物聯網（Internet of Things，IoT）技術的快速發展，物聯網已經逐步應用并滲透到社會的多個方面。在物聯技術中，常用短距離無線通信技術包括：RFID、WiFi、NFC、Bluetooth、ZigBee、WSN等，它們比較適宜室內使用，并且存在著覆蓋距離短、穿透性差等缺點。目前出現一種新的遠距離通信技術被稱為低功耗廣域網（Low Power Wide Area Network，LPWAN），其特點是覆蓋距離遠、設備耗電低。LPWAN可以分為兩類，一類是標準技術（licensed），另一類是非標準技術（unlicensed）。標準技術如NB-IoT、LTE-M、EC-GSM-IoT，可直接與蜂窩網連接。非標準技術如LoRa、SigFox。

在農業生產的過程中需要實時測量作物的生長環境，如溫濕度、光照強度等。然而，果園的位置較偏遠、監測的周期較長、監測的范圍較廣。另外，在部分果園內，運營商的信號往往覆蓋不佳，不利于使用NB-IoT等技術。鑒于此，本研究采用了低功耗廣域網中的非標準技術，具體采用的是LoRa技術。LoRa技術具有覆蓋距離遠、建設與運行成本低、節點功耗低、設備維護周期長等優點。

主要創新點：（1）改進了單片機的程序流程圖，降低了物聯網節點板的功耗；（2）改進了LoRa模塊的配置步驟，提高了鏈路增益，進而增加了傳輸距離。

1 LoRa技術簡介

1.1 LoRa技術的特點

LoRa是由Semtech公司推出的應用于低成本傳感網的解決方案，其作為LPWAN的一種長距離通信技術得到了廣泛的關注。LoRa主要在全球免費頻段運行（即非授權頻段），包括433、868、915 MHz等。LoRa技術的主要特點是低功耗、通信距離長。

結合目前國內農業果園的現狀，本研究選擇LoRa技術的主要原因如下：（1）傳輸距離遠。現代果園都是集約式發展模式，占地面積大。ZigBee等技術傳輸距離短，不足以覆蓋整個果園。比如，Lauridse等人通過在7800 的地區內測試，得出LoRa傳輸距離更遠的結論。（2）功耗低。通過Ballerini等人的研究發現，LoRa與ZigBee、NB-IoT相比之下，具有更低的功耗。（3）免費。NB-IoT技術需要SIM卡支持，通常需要按月或流量收費，而LoRa技術一次部署，終身免費。（4）組網靈活。NB-IoT技術需要運營商網絡支持，有些果園在山區，基站信號微弱或尚未覆蓋。采用LoRa技術的節點和網關，可以彌補這些覆蓋盲區。

1.2 LoRa技術的網絡結構

采用LoRa技術進行組網，其網絡架構通常如圖1所示。最左側是無線傳感器節點，中間為網關板，最右側為服務器端或云端。在無線傳感器節點中，通常由單片機采集傳感器數據，然后通過LoRa模塊發送至網關板。網關板則通過LoRa模塊，匯集各個節點板的數據，再采用有線或無線的方式，通過TCP/IP協議發送到服務器端或云端。有線傳送可以通過以太網、同軸電纜、光纖等發送數據。無線方式可以采用WiFi、2G/3G/4G/5G的數傳模塊等發送數據。服務器端或云端將數據存儲、處理、展示，完成各種垂直應用，比如可以在農業領域監測果園現場環境，實現遠程機械自動化等功能。另外，基于Web協議，采集到的現場數據可以在臺式機、筆記本電腦、手機端查看。

圖1 基于LoRa技術的一般網絡架構

2 農業物聯網節點的整體系統設計

農業物聯網的節點設計如圖2所示，主要包括微處理器、A/D轉換器、傳感器、LoRa模塊、電源模塊。

圖2 基于LoRa技術的農業物聯網數據采集

由于現代化農業的發展，農場工作人員需要得到農場作物的生長環境實時反饋，例如：光照強度、溫度和濕度。該數據采集部分主要是研究利用溫度傳感器、光照傳感器、濕度傳感器采集農作物周圍生長的溫度、濕度、光照強度。將傳感器與節點板一體化設計，同時采集多種傳感器數據，并且減少傳感器的占地面積。

3 農業物聯網節點的硬件設計

實現完整的LoRa通信，需要節點板和網關板配合工作。節點的原理圖設計包括了傳感器模塊、單片機模塊、LoRa模塊等。

3.1 傳感器模塊

3.1.1 溫濕度一體化傳感器

采用AHT10溫濕度傳感器來測量果園的空氣溫濕度。作為新一代的溫濕度傳感器，它在惡劣環境下的性能更加穩定。溫度量程范圍為-40℃～+85℃，精度為±0.3℃，濕度量程范圍0～100% RH，精度±2% RH。此溫濕度集成傳感器與單片機的I2C口相連接。

3.1.2 光照強度傳感器

采用BH1750光照強度傳感器來測量果園的光照強度。它用于兩線式的串行總線接口數字型光照傳感器集成電路。BH1750高分辨光照傳感器的測量范圍為1～65535lx，運行溫度-40℃～+85℃，精度±20%。此光照傳感器與單片機的I2C口相連接。

3.2 單片機

本次設計使用的單片機是意法半導體公司推出的STM32F103RET6，此款STM32單片機工業溫度范圍是-40至85℃。將單片機的端口資源進行分配，其中I2C口連接的是傳感器模塊，由于我們使用的是64個引腳的單片機，因此無法將兩個傳感器模塊同時接通，故先將溫濕度傳感器與I2C口連接，然后斷開連接，讓光照傳感器與I2C口進行連接。GPIO口可以連接LED燈、仿真器接口、USB轉TTL串口和一般按鍵；USART口連接的是LoRa模塊；VDD口連接的是電源模塊；TIM口連接到時鐘；NRST口連接到RESET按鍵。

3.3 LoRa模塊

我們采用億佰特公司的E22-400T22D全新一代的LoRa模塊，其中使用了SEMTECH的SX1268芯片，并使用其默認頻段433MHz。它具有多種傳輸方式、TTL電平輸出、兼容3.3V與5V的IO口電壓、傳輸距離更遠、速度更快、功耗更低等特點。

4 農業物聯網節點的軟件設計

該程序采用C語言編程，通過Keil進行調試，在數據分析領域得到了廣泛的應用。此節點板在實現數據采集和傳輸的工作流程圖如圖3所示。首先接通電源啟動節點，其次各部分元件實行初始化，接著傳感器端采集所處位置的溫度、濕度、光照強度，并將數據發送至TX數據緩沖區，進而通過LoRa模塊將數據發送至網關。結束一次數據的傳輸后傳感器將繼續采集數據重復上述過程。

圖3 物聯網節點的工作流程

傳感器模塊的信息采集：

（1）濕度的轉換方法

相對濕度RH都可以根據SDA輸出的相對濕度信號SRH

通過公式（1）計算獲得（結果以%RH表示）：

（2）溫度的轉換方法

溫度T可以通過將溫度輸出信號ST代入到公式（2）計算獲得（結果以溫度℃表示）：

光照強度（lx）=（高字節+低字節）/1.2*測量精度（3）

5 實驗與測試結果

5.1 物聯網節點的功能測試

（1）溫度傳感器的傳輸結果

溫度傳感器數據采集結果如圖4所示，橫坐標是測量的次數，縱坐標表示溫度值。通過實驗發現在農作物澆灌時溫度變化較為明顯，并在其他時刻溫度變化較為正常。

圖4 溫度傳感器數據采集結果

（2）濕度傳感器的傳輸結果

濕度傳感器數據采集結果如圖5所示，橫坐標是測量的次數，縱坐標表示濕度值。通過實驗發現在農作物澆灌時濕度變化較為明顯，并在其他時刻濕度成規律性變化。

習近平總書記指出：“大數據是工業社會的‘自由’資源，誰掌握了數據，誰就掌握了主動權?！贝髷祿诔蔀榻洕鐣l展新的驅動力。在產品質量領域，大數據可以為企業設計產品、防范風險提供依據，為政府加強監管提供技術支撐，為維護國家市場權益提供保障。如何客觀分析產品質量大數據建設、利用狀況及存在的問題，是充分發揮大數據在產品質量治理中的作用必須面對的現實問題。

圖5 濕度傳感器數據采集結果

（3）光照強度傳感器的傳輸結果

光照強度傳感器數據采集結果如圖6所示，橫坐標是測量的次數，縱坐標表示光照強度值。通過實驗發現在農作物遮陽處理時光照強度變化較為明顯，隨著測量次數增加和時間的推移，光照強度趨于平緩。

圖6 光照強度數據采集結果

5.2 物聯網節點的通信性能測試

（1）RSSI指標測試

RSSI用來表示接收信號的強度表現。鑒于我們使用的是基于SX1268的LoRa低頻段（433 MHz）技術，我們通過公式（4）進行計算：

當節點板與網關板放置地點間距為1米時所測得的RSSI值如圖7所示，前20次的測量值有所波動，20次以后測得的RSSI值在85 dBm處上下波動幅度較小。

當節點板與網關板放置地點間距為50米時所測得的RSSI值如圖7所示，50次測量的RSSI值整體趨于15 dBm，上下波動幅度較小。

圖7 間距1米和50米的RSSI測量值

由此可見，當節點板與網關板放置地點間距越大時，所測得的RSSI值越小。

（2）傳輸距離測試

本次測試在某農業生產基地中模擬測試節點板與網關板通過LoRa模塊展現其傳輸距離和穿透性能。本次實驗中，我們將網關板固定在空地上，保持距地面高度為1 m，并采用擴頻因子為12的高傳輸速率。實驗發現RSSI值的獲取能反映傳輸距離的效果。

節點1：此節點放置在距離地面1 m處，信號未經過任何障礙物，與距離1 m處的網關板進行傳輸。從表1中可以看出RSSI平均值是-16 dBm。

表1 傳輸距離測試

節點2：此節點放置在距離地面1 m處，信號經過一片梨樹林和一個大棚，與距離50 m處的網關板進行傳輸。從表1中可以看出RSSI平均值是-77 dBm。

節點3：此節點放置在距離地面3 m處，信號經過一片梨樹林和一個大棚，與距離50 m處的網關板進行傳輸。從表1中可以看出RSSI平均值是-65 dBm。

節點4：此節點放置在距離地面3 m處，信號經過一片梨樹林、一個大棚和一棟居民樓，與距離500 m處的網關板進行傳輸。從表1中可以看出RSSI平均值是-123 dBm。

經過數據比對，發現隨著網關板與節點板距離的增加，所獲得的RSSI值也隨之降低。當網關板與節點板距離相同時，隨著節點板距地高度的增加，所獲得的RSSI值也隨之增高。而且障礙物的存在也同樣影響數據的傳輸，所以當節點板距地高度較低時，會導致信號傳輸受阻，進而獲取的RSSI值偏低。

6 結束語

通過本方案的設計完成了LoRa組建的局域網，并且實現了節點板和網關板的互聯，進而將信息傳輸到云端，在終端查收。針對農業運用設計了一種基于LoRa技術的物聯網數據采集節點。該節點可以采集溫度、濕度、光照強度等數據。經測試，本節點具有傳輸距離遠、耗電低等優點。本設計還可推廣應用到電力、水力等行業，應用前景非常廣闊。