董 慧，黃世震

(福州大學 物理與信息工程學院，福建 福州 350108)

基于LoRa技術的智慧農業(yè)系統(tǒng)設計與實現

董 慧，黃世震

(福州大學 物理與信息工程學院，福建 福州350108)

為實現更好地解放生產力，提高生產效率，提出了一種基于LoRa技術的智慧農業(yè)系統(tǒng)，實現種植場地的環(huán)境參數遠程監(jiān)測及科學調控。系統(tǒng)由感知層、網絡層及應用層組成，首先利用傳感器采集現場數據，并通過LoRa傳輸模塊，將傳感器數據傳輸至應用層，進行控制管理，并實時將數據通過系統(tǒng)界面展示給用戶，從而降低種植成本，實現農業(yè)的智慧管理。

智慧農業(yè)；遠程監(jiān)測；科學調控；LoRa

0 引言

隨著物聯網技術的發(fā)展與應用，利用現代科學技術進行農田間信息的采集，已成為我國農業(yè)信息采集系統(tǒng)研究和發(fā)展的必然趨勢[1]。目前我國的農業(yè)系統(tǒng)主要進行一些簡單的機械操作，但農業(yè)生產還需要很多環(huán)境參數作為科學管理的依據，比如土壤的溫濕度、空氣的溫濕度、PH值、光照強度等。智慧農業(yè)在傳統(tǒng)農業(yè)的基礎上綜合應用了物聯網技術、信息技術、自動化技術等多種現代信息技術[2]，實現了更加精準的種植管理。目前絕大多數農業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)都采用ZigBee技術，雖然ZigBee技術的通信頻率高，但信號傳輸中衰減非常快[3]，而且極易受到其他信號的干擾。

為了解決上述問題，本文設計了一種基于 LoRa(Long Range)技術的智慧農業(yè)遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現了農業(yè)種植場地的環(huán)境參數的實時采集以及科學預警，從而實現了農業(yè)生產的智慧化。 LoRa作為低功耗廣域物聯網(Low-Power Wide-Area Network，LPWAN)的一種長距離通信技術，解決了傳統(tǒng)無線傳感網絡傳輸距離遠與低功耗不能兼得的問題[4]。智能農業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)利用種植場地內的各類傳感器節(jié)點采集環(huán)境信息，實現無線采集、無線傳輸、異地監(jiān)控等功能，提高了生產率[5-6]。

1 系統(tǒng)總體設計

傳統(tǒng)的農業(yè)種植無法實時獲取種植場地的各環(huán)境參數，需要耗費大量的人力物力獲取現場數據并進行調控。本文采用先進的LoRa技術實現農業(yè)信息的遠程采集與監(jiān)控，總體架構圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構圖

(1)系統(tǒng)總體結構

①系統(tǒng)感知層

系統(tǒng)感知層是整個系統(tǒng)最基礎且最重要的部分，由各個傳感器采集節(jié)點組成，各傳感器節(jié)點被放在不同的區(qū)域，用來采集環(huán)境信息，并將數據傳輸到應用層，供用戶進行管理。

②系統(tǒng)傳輸層

系統(tǒng)傳輸層主要實現數據傳輸。根據各節(jié)點的要求不同，采用不同的網絡部署。從數據節(jié)點至匯聚節(jié)點，可采用LoRa技術；從匯聚節(jié)點到用戶管理節(jié)點，可采用移動通信網絡或LoRa技術。

③系統(tǒng)應用層

系統(tǒng)應用層主要用于接收下端模塊發(fā)送的數據，進行存儲分析后，判斷當前生長環(huán)境是否適宜。若不適宜，則進行科學預警。如：若判定溫度過高，則開啟預警，提示可采用降溫設備，溫度過低則打開加熱器；若土壤濕度過低，則開啟噴灌等。

(2)系統(tǒng)網絡拓撲結構

與網狀網絡相比，LoRa WAN的網絡架構是較為典型的星型拓撲結構[7]，如圖2所示，具有結構簡單和低功率等特點，因此在農業(yè)信息采集中采用星型、鏈型網絡，就可以滿足實際需求。理論上，LoRa網絡中，一個父節(jié)點最多可容納30萬個終端節(jié)點。但是在實際使用中，情況并非如此，隨著終端采集節(jié)點的增多，協(xié)調器的負擔也會增大，以至于引起網絡癱瘓或誤碼率增加[8]。因此，本系統(tǒng)通過對SX1278模塊的通信通道進行相應的設置，將一片種植區(qū)域的LoRa網絡分為若干個小網絡，以此來降低通信鏈路的開銷。

圖2 網絡拓撲圖

本系統(tǒng)對同一場地內的網絡節(jié)點進行分區(qū)，設置為不同頻道，降低信號間相互干擾的影響。同時 LoRa模塊可在線監(jiān)聽射頻空中信道，對于解決周圍其他同頻信號干擾有一定的作用。大區(qū)域的網絡分組方法有效地降低了誤碼率，有助于增強網絡穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1微控制器

本系統(tǒng)的主控芯片均采用基于ARM Cortex-M3內核的STM-32F103 系列微控制器。應用管理節(jié)點采用的型號為 STM32F103VET6，數據采集節(jié)點采用的型號為 STM32F103RBT6。 兩者的部分參數如表1所示。該系列芯片的性能可以完全滿足本系統(tǒng)的設計需求。

2.2無線收發(fā)器

本系統(tǒng)采用SX1278模塊。SX1278是以SEMTECH公司最新研制的LoRa技術為基礎的無線傳輸模塊。它具有通信距離遠、使用壽命長、支持眾多節(jié)點、價格低廉的特性，可滿足本系統(tǒng)對廣域網數據傳輸的需求。

表1 STM32F103VET6/RBT6部分參數表

2.3傳感器

本系統(tǒng)用到的傳感器如下：

(1)光照強度傳感器：采用GY-30模塊，主要是由光電元件和光電轉換電路組成，將光照強度直接轉換為電壓，經內置的A/D轉換器及電路補償，將電壓值直接轉換為數值，省去了人為的計算，簡便易用。

(2)空氣溫濕度傳感器：采用 Risym的DHT11模塊，包括電阻式感濕元件和NTC測溫元件，保證了其長期的穩(wěn)定性及準確度，具備成本低、響應速度快、穩(wěn)定性好、精度高等特點。

(3)土壤水分溫度傳感器：采用SENSIRION 的SHT10模塊，集溫度傳感器和濕度傳感器于一體，且芯片內置A/D轉換器，能夠直接將檢測的溫濕度值傳送至上位機，具有接口簡便易用、尺寸小等優(yōu)點。

3 系統(tǒng)軟件設計

基于LoRa技術的智慧農業(yè)系統(tǒng)軟件設計部分主要包括數據采集節(jié)點軟件設計和用戶管理節(jié)點軟件設計。

3.1數據采集節(jié)點軟件設計

數據采集的軟件運行在STM32F103RBT6上，主要完成種植場地的環(huán)境數據采集以及通過LoRa網絡上傳和接收數據及命令。控制器通電后，進行初始化，對所需的參數及變量進行初值設置及內存分配，對傳感器數據進行循環(huán)采集，間隔時間由控制器的時鐘中斷確定，一次時鐘中斷觸發(fā)一次數據采集。采集次數達到60后，對數據進行平均濾波處理。為防止數據發(fā)送過程中出錯，引入循環(huán)冗余校驗(Cyclic Redundancy Check，CRC)。在對數據進行CRC確保數據準確無誤后，將采集到的數據信息發(fā)送至用戶管理節(jié)點，其流程如圖3所示。

圖3 采集節(jié)點流程圖

3.2用戶管理節(jié)點軟件設計

用戶管理節(jié)點的軟件運行于控制器 STM32F103VET6中，在接收到采集節(jié)點的數據后，首先對收到的數據重新進行多項式運算，得到CRC的值，并與數據末端的CRC值進行比較[9]，若二者不同，則說明數據傳輸異常，丟棄當前數據包；若二者相同，則進行后續(xù)應用管理。主要分為以下部分：

(1)實時監(jiān)測：顯示當前種植場地中的空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、光照強度的狀態(tài)。

(2)歷史記錄：可供用戶查詢采集節(jié)點以往的環(huán)境參數，便于對作物的種植進行科學的管理。

(3)智能預警：為不同作物的種植參數，設置了不同的最適范圍，若反饋的數據超出預設范圍，則產生報警信號。

(4)系統(tǒng)管理：對系統(tǒng)的一些參數進行管理配置，包括權限管理、報警范圍調整等。

4 系統(tǒng)測試與結果分析

選取一種植場地，對所設計的基于LoRa技術的智慧農業(yè)系統(tǒng)進行20×24 h的軟硬件測試。測試結果表明：

(1)數據采集節(jié)點可以較好地采集環(huán)境信息，其采集結果與標定裝置的測量結果誤差不大，在可控精度范圍內。

(2)在采集節(jié)點與管理節(jié)點之間，LoRa可進行完整的數據傳輸，無連接失敗或傳輸錯誤等情況。

(3)用戶管理端運行穩(wěn)定良好，網絡傳輸實時性滿足要求。

5 結論

本文提出了基于LoRa技術的智慧農業(yè)系統(tǒng)，實現了農業(yè)種植現場環(huán)境參數的實時采集及監(jiān)測。本系統(tǒng)具有通信距離遠、穩(wěn)定性好、成本低、施工簡便的優(yōu)點，對現代農業(yè)的信息化、數字化、無人化具有一定的推動作用。

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2017-04-27)

董慧(1995-)，女，碩士，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)。

黃世震(1968-)，男，博士，高級工程師，主要研究方向:集成電路設計、嵌入式系統(tǒng)。

Design and implementation of intelligent agriculture system based on LoRa technology

Dong Hui, Huang Shizhen

(College of Physics and Information Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)

In order to achieve better liberate and improve the production efficiency, this paper puts forward a kind of intelligent agriculture system based on LoRa technology to realize planting site environment parametes remote monitoring and scientific control. Control system is composed of sensing layer, network layer and application layer. Firstly, it uses the sensor to collect field data, and then through the LoRa transmission module, the data is transmitted to the application layer to realize control and management, finally real-time data will be presented to the user through the system interface. It can reduce the cost of planting, realizing smart management of agriculture.

intelligent agriculture; remote monitoring; scientific control; LoRa

TP311.52

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.22.028

董慧，黃世震.基于LoRa技術的智慧農業(yè)系統(tǒng)設計與實現J.微型機與應用，2017,36(22)：106-108.