龍曉明，王躍亭，俞 龍，張健濤

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院，廣州 510642；2.廣州市農(nóng)情信息獲取與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642； 3.廣東省農(nóng)情信息監(jiān)測(cè)工程技術(shù)研究中心，廣州 510642)

0 引 言

水果因富含維生素、纖維素等眾多人體必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，成為了健康生活不可或缺的一部分。我國(guó)南方的山地丘陵，因其具有排水好、光照充足、通風(fēng)好以及環(huán)境適宜[1,2]等特點(diǎn)，產(chǎn)有眾多高品質(zhì)的水果。起伏的山勢(shì)雖然為果樹(shù)的生長(zhǎng)提供了適宜的條件，但也為果園的管理造成了人力成本過(guò)高、交通不便等眾多問(wèn)題[3,4]。

為克服山地、丘陵對(duì)果園管理帶來(lái)的不便，保證果農(nóng)的增產(chǎn)增收，研究人員對(duì)果園管理各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了研究：果樹(shù)種植方面，馮曉龍等[5-9]通過(guò)研究氣候、土壤、套種以及地貌等信息，為不同果樹(shù)的生長(zhǎng)提出不同的指導(dǎo)建議；果樹(shù)生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)、控制方面，余國(guó)雄等[10-13]利用信息化技術(shù)，搭建果園通信網(wǎng)絡(luò)、引入專(zhuān)家系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)果樹(shù)墑情采集、灌溉控制；果樹(shù)收獲、采摘方面，李建平等[14-16]設(shè)計(jì)新的農(nóng)業(yè)機(jī)械，實(shí)現(xiàn)對(duì)山地果園收獲的機(jī)械化設(shè)計(jì)，減輕了果農(nóng)負(fù)擔(dān)，減少人力管理成本。LORA作為一種新的通信方式，具有通信覆蓋面積廣、星型網(wǎng)絡(luò)等特點(diǎn)，適合于野外大范圍、長(zhǎng)距離等應(yīng)用場(chǎng)景，李瀟楊[17-20]等利用LORA進(jìn)行農(nóng)情、灌溉、水情等方面監(jiān)測(cè)、研究。LORA通信技術(shù)在野外通信等方面有著重要的應(yīng)用。

本文針對(duì)山地果園灌溉管理過(guò)程中灌溉面積大、人力管理成本較高等問(wèn)題，提出了一套基于LORA通信的山地果園灌溉系統(tǒng)。系統(tǒng)利用LORA通信模塊通信距離遠(yuǎn)、繞射能力強(qiáng)等特點(diǎn)[21-23]，實(shí)現(xiàn)了山地果園長(zhǎng)距離、大面積的無(wú)線灌溉操作。系統(tǒng)利用LORA通信方式，實(shí)現(xiàn)大范圍、長(zhǎng)距離的野外通信；同時(shí)，通過(guò)太陽(yáng)能供電、低功耗運(yùn)行模式，以及定點(diǎn)傳輸?shù)鹊凸牟呗?，一方面?shí)現(xiàn)了山地果園內(nèi)的精準(zhǔn)灌溉控制，另一方面則實(shí)現(xiàn)了野外通信的可靠、持久，系統(tǒng)具有一定的創(chuàng)新意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要包括山地通信控制網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)程云服務(wù)器和用戶信息交互平臺(tái)三部分組成，其示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體示意圖

山地通信控制網(wǎng)絡(luò)分為2部分，主要是終端節(jié)點(diǎn)和通信控制節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)實(shí)際使用場(chǎng)景，部署于果園之中，用于果園不同地點(diǎn)的信息采集和灌溉；通信控制節(jié)點(diǎn)則位于果農(nóng)家中或者其他通信條件較好的場(chǎng)所，用于實(shí)現(xiàn)山地果園環(huán)境條件、控制操作等信息的“上傳下達(dá)”。

遠(yuǎn)程云服務(wù)器作為遠(yuǎn)端控制單元，一方面用來(lái)接受各個(gè)通信控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)至客戶端；另一方面用來(lái)接受來(lái)自客戶端的控制命令，并對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)、下達(dá)至對(duì)應(yīng)通信控制節(jié)點(diǎn)。用戶交互平臺(tái)則為用戶提供人機(jī)交互，方便果農(nóng)了解、管理山地果園。

2 山地果園通信、控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

2.1 通信方式選擇與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

山地果園具有面積大、多起伏、植被多等特點(diǎn)，為適應(yīng)山地果園的上述特點(diǎn)，解決山地野外通信，本文設(shè)計(jì)有“LORA+GPRS”的雙通信方式。其中，LORA的遠(yuǎn)距離、強(qiáng)繞射等特點(diǎn)能夠解決山地果園長(zhǎng)距離、多植被的問(wèn)題；GPRS通信方式的引入，解決了果園本地信息與云服務(wù)器遠(yuǎn)端信息的交互。

為保證山地果園的精準(zhǔn)灌溉、分片管理，山地果園灌溉設(shè)施常常對(duì)不同區(qū)域設(shè)置不同灌溉控制開(kāi)關(guān)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用星形網(wǎng)絡(luò)，將終端節(jié)點(diǎn)部署于灌溉開(kāi)關(guān)附近，通信控制節(jié)點(diǎn)位于通信條件較好的場(chǎng)所，可以較好的實(shí)現(xiàn)山地果園分片分區(qū)的灌溉需求。

2.2 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)主要由充/供電電路和處理控制單元兩部分組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，終端節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖和封裝圖如圖3所示。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

圖3 終端節(jié)點(diǎn)實(shí)物與電路封裝圖

考慮到終端節(jié)點(diǎn)部署于果園實(shí)地，供電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)配套缺失，系統(tǒng)通過(guò)太陽(yáng)能進(jìn)行供能，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)工作的正常工作電壓。同時(shí)，引入GPS/北斗定位模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)終端節(jié)點(diǎn)的快速定位，方便對(duì)節(jié)點(diǎn)的精確管理。

終端節(jié)點(diǎn)選用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103C8T6作為主控芯片，其性能高、功耗低、成本低等特點(diǎn)，適合于山地果園應(yīng)用場(chǎng)景。無(wú)線通信模塊選用LORA模塊，模塊因消除了同步開(kāi)銷(xiāo)和跳數(shù)，具有低功耗、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)；同時(shí)，采用擴(kuò)頻技術(shù)，終端與網(wǎng)關(guān)之間的通信可以使用不同的頻率和數(shù)據(jù)傳輸速率，而不會(huì)相互干擾，理論上可配置65536個(gè)地址，完全能夠滿足山地果園實(shí)際使用需求。

2.3 通信控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

通信控制節(jié)點(diǎn)同樣包括充/供電電路和處理控制單元兩部分組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，電路封裝圖如圖5所示。

圖4 通信控制節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 通信控制節(jié)點(diǎn)電路封裝圖

相較于終端節(jié)點(diǎn)，通信控制節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性要求更高，且控制方式更加靈活。因此，在供電電路中，系統(tǒng)中加入市電供電方式；同時(shí)，引入本地控制面板方便果農(nóng)對(duì)節(jié)點(diǎn)的控制、操作等。

通信控制節(jié)點(diǎn)的通信、定位模塊選用安信可公司的A6模塊，模塊工作電壓為3.3～4.2 V，低功耗平均電流能夠保持在2 mA下，模塊可在850、900、1 800、1 900 MHz四個(gè)頻段下工作。

3 云服務(wù)器端與用戶交互平臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用阿里云服務(wù)器作為云服務(wù)器，服務(wù)器安裝有Ubuntu操作系統(tǒng)，配置有MongoDB、MYSQL兩種數(shù)據(jù)庫(kù)，可分別用于節(jié)點(diǎn)信息、用戶信息的存儲(chǔ)；同時(shí)，服務(wù)器中搭建有JAVA運(yùn)行環(huán)境，能保證山地果園的數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、展示等程序的正常運(yùn)行。

用戶交互平臺(tái)設(shè)計(jì)利用JAVA語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)工具選用IntelliJ IDEA，設(shè)計(jì)采用MVC設(shè)計(jì)模式，將控制、試圖和數(shù)據(jù)模型分開(kāi)，使程序開(kāi)發(fā)的更清晰、靈活。交互平臺(tái)則采用B/S(Brower/Server)模式[10]，果農(nóng)通過(guò)瀏覽器連接至云服務(wù)器，經(jīng)過(guò)業(yè)務(wù)解析，服務(wù)器將所需的信息、操作等結(jié)果反饋至瀏覽器。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果

2017年12月，系統(tǒng)在廣西省昭平縣北陀鎮(zhèn)一柑橘園進(jìn)行實(shí)地測(cè)試。果園占地約20 hm2，其中有5個(gè)絕對(duì)海拔約為140 m的山包，山坡上種植有柑橘，試驗(yàn)場(chǎng)地如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)場(chǎng)地衛(wèi)星圖和實(shí)地場(chǎng)景圖

4.1 通信范圍測(cè)試

為了測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)地通信覆蓋范圍及其監(jiān)測(cè)范圍，進(jìn)行有實(shí)地通信范圍測(cè)試。試驗(yàn)以果園原先部署的基于ZigBee的無(wú)線灌溉網(wǎng)絡(luò)為參照，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)通信、作用范圍測(cè)試。

圖7 ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布圖

如圖7所示，ZigBee網(wǎng)絡(luò)依據(jù)果園內(nèi)原有基礎(chǔ)設(shè)施而建，為實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)果園的灌溉控制，ZigBee網(wǎng)絡(luò)在原有的灌溉設(shè)施基礎(chǔ)上，搭建有21個(gè)終端節(jié)點(diǎn)、6個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)、1個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò)，完成了對(duì)整個(gè)果園的灌溉控制覆蓋。

試驗(yàn)時(shí)，LORA通信模塊空中速率設(shè)置為2.4 kbps，發(fā)送功率為30 dBm，天線為2 dB的棒狀天線。選用與ZigBee相同的拓?fù)洳季帧Ｍㄐ艜r(shí)，設(shè)定終端節(jié)點(diǎn)與通信控制節(jié)點(diǎn)的工作于定點(diǎn)模式下，測(cè)試時(shí)通信控制節(jié)點(diǎn)通過(guò)選擇指定通信地址實(shí)現(xiàn)與指定終端節(jié)點(diǎn)通信，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 LORA通信效果圖

LORA網(wǎng)絡(luò)直連的情況下，27個(gè)通信節(jié)點(diǎn)中正常通信節(jié)點(diǎn)數(shù)量可達(dá)到25個(gè)，對(duì)果園灌溉控制可達(dá)到92%以上。參照Z(yǔ)igBee通信網(wǎng)絡(luò)，LORA通信在直連的通信方式下，其通信范圍可與多級(jí)跳轉(zhuǎn)通信的ZigBee網(wǎng)絡(luò)相差不大；同時(shí)，LORA繞射、穿透能力強(qiáng)，更適應(yīng)于大范圍、高密度的野外工作場(chǎng)景。

4.2 通信距離測(cè)試

為測(cè)試實(shí)地LORA通信距離，確定系統(tǒng)最佳部署設(shè)置，本文進(jìn)行系統(tǒng)通信距離測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，通信控制節(jié)點(diǎn)放置于果園內(nèi)，測(cè)試人員分別在果園左側(cè)、右側(cè)村莊以及可到最遠(yuǎn)距離進(jìn)行通信距離檢測(cè)，其結(jié)果如圖9所示。

圖9 LORA通信距離測(cè)試圖

在距離通信控制節(jié)點(diǎn)1000m、1500m的A、B兩村莊處分別能夠正常通信；系統(tǒng)最遠(yuǎn)通信距離可達(dá)到距通信控制節(jié)點(diǎn)2600m的D處山頂處。長(zhǎng)距離、強(qiáng)繞射的效果可以將部分通信節(jié)點(diǎn)部署于果農(nóng)家內(nèi)，方便果農(nóng)實(shí)時(shí)、便捷了解果園信息；同時(shí)，遠(yuǎn)距離的通信特點(diǎn)為同一網(wǎng)絡(luò)管理跨區(qū)域多果園提供技術(shù)支撐。

5 結(jié)果與討論

在通信范圍測(cè)試中，本文以ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)為參照，對(duì)LORA在果園內(nèi)的通信、覆蓋范圍進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)表明，系統(tǒng)利用直連方式對(duì)果園通信覆蓋率達(dá)到92%以上，系統(tǒng)可節(jié)省數(shù)量眾多的中繼節(jié)點(diǎn)。在通信距離測(cè)試中，通過(guò)測(cè)試節(jié)點(diǎn)在鄰近村莊、通信最遠(yuǎn)距離等，表明系統(tǒng)可部署于果農(nóng)家中，完成對(duì)果園內(nèi)信息采集、監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)仍存在有不足，如系統(tǒng)部分節(jié)點(diǎn)通信信號(hào)不穩(wěn)定，大范圍、多區(qū)域覆蓋需要搭建多通基站節(jié)點(diǎn)。