基于Lora的葡萄灌溉系統設計與應用

摘 要：當前我國的葡萄灌溉系統使用傳統的漫灌和噴灌方式，造成了淡水資源的巨大浪費，為此本研究設計了一種葡萄灌溉決策系統，通過Lora將單片機組網，分成多個節點，建立灌溉系統，每個節點在調虧理論基礎上對不同生長期的葡萄使用單片機控制灌溉，根據實時檢測到的土壤濕度，自動調節實現智能灌溉。該灌溉系統可以為葡萄的高品質產出提供保障，而且節省人力物資，具有重大的實用價值。

關鍵詞：葡萄；灌溉系統；Lora；單片機；調虧理論

中圖分類號：S274.2 文獻標志碼：A 文章編號：1008-1038（2024）04-0067-05

DOI：10.19590/j.cnki.1008-1038.2024.04.014

Design and Implementation of Grape Irrigation System Based on Lora

ZHANG Aoye1，2， YANG Jiapeng1，2*， SU Guomei1，2， LIANG Xin1，2， LI Hao1，2， LI Shihao1，2， YANG Ran1，2，

YUAN Zhaopeng1，2， WANG Chaowei1，2

（1. Xinjiang Institute of Engineering， Urumqi 830023， China; 2. Artificial Intelligence and Intelligence Mine Engineering Technology Center， Xinjiang Institute of Engineering， Urumqi 830023， China）

Abstract： Currently， China's grape irrigation system relies on traditional flood and sprinkler methods， resulting in significant waste of fresh water resources. To address this issue， a grape irrigation decision-making system was designed using Lora microcontroller networking with multiple nodes to establish an irrigation system. Each node utilized deficit regulation theory to control irrigation at different growth stages of grapes through microcontroller programming. Real-time soil moisture data was detected and used for automatic adjustment of soil moisture levels to achieve intelligent irrigation. This innovative approach ensured high-quality grape production while saving manpower and materials， making it highly practical.

Keywords： Grapes; irrigation system; Lora; single-chip computer; regulation deficit theory

葡萄（Vitis vinifera L）具有較高的營養價值和藥用價值，富含維生素A、維生素C和維生素K，滋潤肌膚，可以保持皮膚水嫩細膩；含有有機酸等[1]，有助于降低血液游離氧含量、降血壓[1]。新疆葡萄總產量占全國總產量五分之一[2]，但因水資源短缺問題，其產量不理想，灌溉方式以人為灌溉為主，無法精準控制，浪費人力資源和水資源，影響葡萄的生長和產量。水對于葡萄生長極為重要，葡萄所需水分主要從土壤中吸收，土壤含水量過低會導致葡萄樹吸水不足，影響葡萄生長[3]；土壤含水量過高又會導致根系腐爛，病蟲草害增多。然而，引水通道在國內部分地區依然不發達，造成了新疆部分葡萄栽培地區的土壤缺水等問題。

自動灌溉系統是在調虧理論的基礎上分析設計系統功能，不僅有助于保護葡萄業，還有助于改善農業生產狀況，促進農業可持續發展，從而帶動新疆農業的發展。本文設計了葡萄灌溉決策系統，通過組網建立多個終端節點實現智能灌溉，通過實時檢測的土壤濕度進行灌溉，并針對葡萄不同生長期調節土壤濕度閾。節點控制器將信息通過Lora發送到網關，網關再將信息發送到上位機顯示每個節點的信息并保存。本研究建立的自動灌溉系統是一個節水而且節省人力物資的有效手段，可為葡萄的高品質產出提供保障，還可保證作物的正常生長以及最佳的產量，有助于改善農業生產狀況，促進葡萄種植行業的持續發展。

1 葡萄灌溉調虧理論

1.1 調虧灌溉

葡萄灌溉的調虧理論是指葡萄果農在灌溉過程中采取的灌溉調理方法。所謂調虧，是指控制灌溉量以協調土壤的含水量和根系的表現。涉及合理利用地塊資源，減少土壤徑流量和營養物質的流失[3]。“調虧”是在正常飲水前，先加速將降雨帶來的水分吸入深層和葡萄樹根部的過程，從而使土壤中形成大量孔隙；當土壤水分供應過量時，供水量減少，繼而適當補加表層供水，使土壤中有一部分水能夠儲存于表層。要使葡萄樹根部保持合適的土壤濕度，就要土壤表層的濕度大于根部土壤的濕度[4]。該理論指出，可以分步驟逐漸使用不同的方法和工具將土地的水分合理地分配給葡萄樹的不同部分，使其充分凝聚以獲得最佳的栽培效果。王世杰[5]研究表明，在實施調虧法之前，必須先研究影響水耗情況的環境因子，如大氣溫度、日照時間、相對濕度和降雨量，這些數據可以供農民作為識別當前農業氣候條件的標準。此外，還需要對土壤水分進行測定，以確定農業需要的水量。根據上述信息，農民可以對葡萄樹作出合理的灌溉安排，使土壤水分盡量充足、深層供水而不浪費水分。根部是作物在適應復雜外界環境最重要的器官，因此，在過量供水的情況下，根部會受到水分過多的影響，使作物生長相應受阻[6]。此時，使作物得到最佳的生長效果，就必須進行“調虧”，適當減少土壤中的水分。

1.2 土壤濕度對不同生長期葡萄的影響

新疆吐魯番地區的葡萄生長期分為萌芽期、開花期、新梢生長期、漿果膨大期、成熟采摘期5個時期，每個時期對應的時間依次是三月底、四月下旬、五月中旬、六月下旬、八月中旬，而且每個時期均需充足的水分供應。其中前四個時期保持土壤含水量在70%左右，在成熟采摘期前后土壤含水量在60%左右最好[7]。

表1 不同土壤濕度下葡萄產量和質量

Table 1 Grape yield and quality under different soil moisture

注：T1代表成熟采摘期的土壤濕度在60%左右，T2代表葡萄生長期的土壤濕度在70%左右。

由表1知，T1時期和T2時期土壤濕度的變化趨勢一致。土壤濕度T1時期59%～61%、T2時期69%～71%的葡萄酸甜可口、顆粒感飽滿。土壤濕度過低，耗水量小，產量低，會產出價值極低的干葡萄；土壤濕度過高，耗水量過多，導致水葡萄過多，葡萄容易腐爛。干葡萄顏色偏紅色，形狀干癟，口感差，味道酸，用來飼養動物，價值低。水葡萄顏色偏烏綠色，容易腐爛，口感差，味道酸，相比干葡萄需要曬干大部分水分再去飼養動物。

1.3 灌溉需水量

葡萄灌溉的理論需水量主要由葡萄種植地區的氣候條件決定。以吐魯番地區為基準，當地2011—2022年氣候[8]如表2所示。將氣候參數代進計算葡萄需水量。作物蒸發量的計算數據源以中國氣象局公布的最高最低溫度、平均風速等[9]參數作為輸入，可以計算得到作物理論需水量，并且分析主要影響需水量的有哪些因素。

表2 吐魯番2011—2022年氣候因子

Table 2 Climate factors in Turpan in 2011—2022

參考作物蒸發量ET0參照王澤義[10]方法，葡萄需水量采用單作物系數法計算[11]，以一周為周期根據吐魯番當地氣候數據得出峰葡萄參考需水量，如圖1所示。

經過以上分析，灌溉需水量的主要因素有季節、氣溫、風速，同樣也是影響土壤濕度的主要原因。根據調虧理論灌溉得出對葡萄發育起決定因素的是葡萄根部的土壤濕度，所以根據根部土壤濕度灌溉是最直接有效的方法[12]。T1時期土壤濕度59%～61%、T2時期69%～71%為最合適。

圖1 葡萄生長需水量圖

Fig.1 Map of water requirement for grape growth

2 硬件選型與設計

2.1 控制器的選型

系統網關和節點的中央控制器均使用STM32F103C8T6，該芯片采用ARM Cortex-M3 內核，專為高性能、低功耗、低成本場景設計，可以支持多種屏幕的驅動編程、存儲器編程、SD卡與文件系統操作、USB讀寫信息、操作的裁剪與移植等[7，8，12]。STM32F103C8T6是該灌溉系統的重要組成部分，負責連接土壤濕度采集模塊，實時采集土壤濕度信息，輸出信號能夠控制繼電器。

2.2 無線傳感器選型

常用的無線組網有多種方式如NBIoT[13]、Lora[14]、WIFI、藍牙，且各自不同的優缺點，如表3所示。對比發現Lora在農業方面應用更為廣泛，而且Lora性價比更高、通訊距離更遠、支持低功耗模式、成本相對較低[19]。

2.3 系統的信息采集模塊

系統信息采集通過STM32F103單片機連接土壤濕度采集模塊，實時采集土壤濕度信息。土壤濕度模塊輸出模擬量和數字量，模擬量輸出0～3.3 V電壓[20]，再經過單片機的ADC采集電壓；數字量輸出高低電平是通過電位器調節合適的閥值，土壤濕度低于設定的閥值時，數字量輸出高電平；高于設定值時，數字量輸出低電平，其比較器用LM393，以此判斷是否需要打開電磁閥。

2.4 系統硬件

控制器使用STM32F103單片機輸出數字量和模擬量進行灌溉自動控制土壤濕度。為了實現大面積灌溉通過無線傳感器Lora組網建立多個節點進行灌溉，系統硬件原理圖如圖2所示。

圖2 系統硬件原理圖

Fig.2 Schematic diagram of system hardware

2.5 系統架構

控制器在FreeRTOS操作系統上通過土壤濕度采集模塊獲取土壤濕度信息，依據土壤濕度信息在調虧理論的基礎上模擬灌溉，讓土壤濕度達到巨峰葡萄適合生長的條件。系統無線組網均使用Lora無線傳輸建立自組網絡。網關通過Lora的廣播模式可以接收到每個節點Lora發送的信息，并將發送到電腦上位機顯示每個節點的土壤濕度和灌溉輸出百分比。

3 葡萄灌溉系統測試

葡萄灌溉系統測試主要測試節點與網關之間的通信距離、延遲時間和土壤攝濕度測量的誤差范圍。

3.1 無線通信測試

無線傳輸信息使用Lora模塊，理論最大通訊距離是3 000 m[15]，但是理論條件需要在晴朗、空曠、距離地面高2 m處[16]，在相同功率下天氣和建筑物阻擋等不可控因素會降低信息傳輸距離。經過測試發現距離在600 m左右時，信息傳輸出現不穩定現象。

3.2 土壤濕度精度測試

以專業儀器采集不同土壤濕度為準，節點測量的土壤濕度，將土壤濕度傳感器插入土壤中，測量與專業儀器測量的數據，并計算誤差，判斷檢測數據穩定性，測量土壤濕度見表4，不同土壤濕度數據都較為穩定，采集誤差均在±2%RH以內，說明土壤濕度精度測試較為準確。

表4 土壤濕度精度測試

Table 4 Soil moisture accuracy test

4 結論

葡萄灌溉系統測試距離400 m以內可以穩定通訊。節點的工作模式功率是12.22 W、休息模式功率0.027 mW，土壤濕度誤差在±2%RH，能夠實現精準灌溉，節約水資源并提高葡萄的品質和產量。另外，在實驗測試中發現灌溉時的水分需要一定時間滲透到葡萄樹根部，因此在下一步的設計中需要考慮該參數對系統的影響，進行灌溉算法的優化，從而實現更加精準的灌溉。

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收稿日期：2023-12-20

基金項目：新疆維吾爾自治區自然科學基金面上項目（2021D01A64）；新疆維吾爾自治區大學生創新訓練項目（S202310994014）

第一作者簡介：張澳業（1999—），男，在讀本科，專業為電氣工程與智能控制

*通信作者簡介：楊嘉鵬（1983—），男，副教授，碩士，主要從事智能控制領域的工作