基于LoRa技術的農業土壤調節系統設計與實現

摘 要：隨著科技的持續進步與廣泛應用，智能化灌溉已成為現代農業發展的重要趨勢。在此背景下，介紹一種基于LoRa技術的農業土壤調節系統的設計與實現方法，并對該系統的功能、總體架構、網絡通信過程、硬件開發設計、Android移動客戶端和Web端軟件開發設計等方面進行深入分析。該系統基于LoRa無線傳輸技術，實現了對土壤濕度數據的實時采集與水泵的智能控制。測試結果表明，該系統所采用的設計策略在智慧農業生產環境監測領域展現出廣闊的應用前景，能夠顯著增強自動化信息服務的效能與水平。

關鍵詞：LoRa；物聯網技術；智慧農業；土壤調節；智能化灌溉；智云服務器

中圖分類號：TP391.44；TN929.5；S365 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）05-00-05

0 引 言

目前，我國的灌溉方式主要依賴農民的生產經驗，存在水資源浪費和灌溉不均等弊端[1]。傳統農業急需向智能化、信息化的智慧農業轉型，而物聯網技術的興起，為農業的智能化發展提供了極大的便利[2]。

物聯網技術的核心思想是借助無線傳感器網絡和互聯網，將現實世界的事物和數字信息相聯結，實現智能化、自動化管理[3]。物聯網涵蓋感知、傳輸、處理、控制等多個環節，具有強大的傳感識別與智能嵌入能力[4]。

針對ZigBee網絡在智能農業系統應用中存在的單跳傳輸距離短、多跳組網結構復雜、信號易干擾、丟包率和誤碼率高、實用性差等缺點[5]，提出一種基于LoRa技術的農業土壤調節系統的設計方案。該系統利用LoRa的超高速、低時延、多通道的優勢并結合物聯網相關技術，能夠實時采集和監測溫度、濕度和土壤水分等數據。系統能夠通過搭建的網絡將數據上傳至數據服務器，協助管理人員進行數據分析和處理，從而顯著提升管理人員的工作效率。通過對通信技術、物聯網技術、云平臺的綜合應用，管理人員可以遠程實時調控設備，進行溫度調節、水泵控制等操作，實現對農業環境的智能調控。

1 系統功能及架構設計

1.1 農業土壤調節系統功能

農業土壤調節系統能夠實時控制水泵的開關，并將控制結果即時反饋給相關節點。同時，該系統還能實時收集溫濕度傳感器的數據，并將這些數據推送至智云數據中心，使得用戶可以通過Android移動客戶端和Web端隨時隨地了解土壤狀態。系統功能說明見表1。

1.2 系統總體架構設計

農業土壤調節系統基于智云物聯網項目架構進行設計，并根據物聯網的四層架構模型進行深入分析，具體如圖1所示。

感知層：主要包含采集類、控制類傳感器。由STM32F103

單片機實現溫濕度傳感器的數據采集與繼電器的控制。

網絡層：感知層節點同網關之間的無線通信借助LoRa技術實現，網關同智云服務器、上層應用設備間通過無線網絡進行數據傳輸。

平臺層：平臺層主要負責提供基于互聯網的數據存儲、交換、分析功能。同時，該層還支持物聯網設備通過互聯網實現數據的存儲、遠程訪問及有效控制。

應用層：應用層主要是物聯網系統的人機交互接口，通過PC端、移動端為用戶提供界面友好、操作交互性強的應用。

2 系統網絡通信過程

農業土壤調節系統傳輸過程分為三部分：傳感節點，網關，客戶端（Android、Web），其通信流程如圖2所示。

（1）傳感器節點通過LoRa網絡與網關的協調器進行組網，網關的協調器通過串口與網關進行數據通信。

（2）底層節點的數據通過 LoRa網絡將數據傳送給協調器，協調器通過串口將數據轉發給網關服務，通過實時數據推送服務將數據推送給所有連接網關的客戶端。

（3）客戶端（Android、Web）應用通過調用智云數據接口，實現實時數據采集等功能。

3 系統硬件開發設計

3.1 系統硬件說明

農業土壤調節系統中主要使用到的傳感器有以下兩種：

（1）溫濕度傳感器：型號為HTU21D，采用數字信號輸出方式，通過I2C通信接口進行數據傳輸。該傳感器的溫度測量范圍為-40～125 ℃，濕度測量范圍為5%RH～95%RH。

（2）繼電器控制模塊：輸出無線節點的兩路繼電器接口，支持5 V電源開關控制。

3.2 系統底層開發框架

本項目底層開發的函數名稱及功能見表2。

3.3 傳感器驅動程序流程分析

土壤溫濕度傳感器屬于采集類傳感器，設定每隔30 s（默認）主動上報傳感器數值。智能無線土壤溫濕度檢測程序邏輯如圖3所示。

水泵控制模塊屬于控制類傳感器，設定每隔30 s（默認）主動上報傳感器數值。智能無線水泵控制檢測程序邏輯如圖4所示。

4 系統Android移動端軟件開發設計

4.1 Android工程設計框架

Android Studio開發環境中的本項目工程目錄列表如圖5所示。

系統工程設計框架說明見表3。

4.2 軟件設計

智云物聯云平臺為用戶提供了實時數據推送服務的API接口，用戶根據這些API接口可以實現與底層傳感器的信息交互。用戶具備在底層自定義協議的能力，結合智云提供的API和自定義協議，可以輕松實現對底層傳感器的控制以及數據的采集。特別地，在智云Android應用編程接口的設計中，系統主要依賴于實時數據API接口來完成各項應用功能的設計與開發。Application程序框架如圖6所示。

5 Web頁面功能結構設計

5.1 運營首頁

Web端應用在啟動時，默認加載并展示運營首頁頁面，該頁面上設有光照數據顯示模塊、補光燈控制模塊、遮陽簾控制模塊、模式切換模塊、光照閾值設備模塊按鈕。用戶只需點擊這些按鈕，便可進入相應模塊的展示或控制頁面，實現對農業土壤環境的調節與管理。運營首頁頁面如圖7所示。

5.2 歷史數據查詢頁面

在歷史數據頁面可以對土壤溫度、濕度數據的歷史數據進行查詢，歷史數據查詢頁面如圖8所示。

6 系統部署測試

6.1 硬件設備部署

系統的硬件構成主要依托于XLab實驗箱，其中核心組件包括經典型無線節點ZXBeeLiteB、采集類傳感器Sensor-A、控制類傳感器Sensor-B以及Android智能網關。本項目需要使用采集類傳感器Sensor-A節點板、控制類傳感器Sensor-B節點板，按照實驗箱的使用說明書進行設備間的連接操作，硬件設備部署情況如圖9所示。

6.2 Web端應用測試

在瀏覽器中打開本項目的index.html文件。此時，Web端主頁面中各個設備處于離線狀態，離線顯示如圖10所示。

當系統設備的右上角狀態顯示為離線時，需要通過“更多信息”頁面輸入服務器ID與IDkey，以連接智云服務器。服務器連接成功后，系統主頁面顯示的設備狀態更新為在線。在線狀態下，即可通過“水泵”按鈕實時控制水泵的開關或通過歷史數據頁面查看土壤溫濕度曲線變化圖，具體如圖11、圖12和圖13所示。

6.3 Android移動端應用安裝與測試

6.3.1 Android移動端應用安裝

Android網關設備使用USB數據連接線通過OTG接口與PC的USB接口進行連接。一旦連接建立并成功識別，用戶需在電腦上打開所連接的內存設備，拷貝“SoilRegulaion.apk”文件到Android網關設備中，即可在Android網關上成功安裝該應用。

6.3.2 Android移動端應用測試

Android移動端應用操作同Web端應用操作流程基本一致，其主頁面如圖14所示。

7 系統應用的優勢

本文系統具有如下優勢：

（1）自動化：基于LoRa技術的農業土壤調節系統能夠自動監測溫濕度參數，并自動控制水泵灌溉設備，減少人工干預和操作，提高灌溉效率。

（2）智能化：通過對溫濕度環境數據的分析，系統能夠根據作物的生長需求和土壤狀況，智能控制灌溉設備的運行時間和水量，實現精準灌溉。

（3）遠程化：通過云平臺和互聯網技術，用戶可以在任何地點對系統進行遠程監控和管理，方便快捷。

（4）可移動性強：由于采用無線通信技術，系統可以隨時移動和重新配置，適應不同的環境和作物需求。

（5）抗干擾能力強：LoRa無線通信技術具有較低的功耗和較強的抗干擾能力，可以在各種環境條件下穩定工作。

（6）提高水資源利用率：通過智能化灌溉控制，可以避免灌溉過量或不足，減少水資源浪費，提高水資源利用率。

（7）提高農產品產量：農業調節系統的精準灌溉可以為作物提供最佳的生長環境，提高農產品的產量和質量。

8 結 語

當前，基于物聯網技術的智慧農業正成為農業現代化和可持續發展的重要引擎[6]。本文針對大田農業所面臨的面積廣闊、布線困難及運維成本高昂等問題，聚焦于農田土壤環境的監測與調控，依托物聯網與LoRa無線通信技術，提出了一套基于LoRa的農業土壤調節系統的設計與實現方案。該系統通過精準灌溉，最大限度地減少水資源浪費，并提升灌溉用水效率。為確保系統的可靠性，本文對基于LoRa技術的農業土壤調節系統做了整體測試[7]。測試結果表明，現場部署的采集設備能夠準確采集土壤溫濕度數據，服務器端能夠順利接收并處理這些數據，控制端能夠精確控制水泵的開啟與關閉[8]。此外，Android移動客戶端與Web端均能夠實時監測數據、查詢歷史記錄等，為用戶提供了便捷的操作體驗。該系統功能穩定、操作簡便且實時性高，使用戶能夠輕松實現對設施農業環境的遠程實時監控[9]。通過設置合理的閾值，系統能夠智能控制水泵的運行，從而自動調節土壤溫濕度?？傮w而言，該系統有效解決了傳統灌溉方法存在的諸多問題，在節水、提效及生態保護等方面均展現出顯著優勢，為農業生產提供了全新的解決方案。相信該系統能在更多農業灌區中得到廣泛應用，為推動農業現代化與可持續發展貢獻力量[10]。未來，將進一步擴展系統功能，通過增加更多傳感器來豐富操作體驗，提升系統的智能化水平。

參考文獻

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