程艷明，徐嘉欣，牛 晶

（1.北華大學電氣與信息工程學院，吉林省吉林市 132021；2.吉林化纖集團有限責任公司規(guī)劃發(fā)展部，吉林省吉林市 132011）

1 概述

基于物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)的茶園環(huán)境整體監(jiān)測系統(tǒng)是通過在茶園從空氣到土壤的環(huán)境里安裝各類茶園所需的傳感器，實時監(jiān)控茶園上空的大氣壓力、風速風向、溫度濕度、光照輻射總量以及土壤成份等茶樹生長情況。通過運用這些傳感器組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實時為專業(yè)的茶葉種植人員提供詳細的監(jiān)測數(shù)據(jù)，為專業(yè)人員及時調(diào)整和控制茶園培育環(huán)境提供專業(yè)依據(jù)，也為質(zhì)檢部門提供可靠的數(shù)據(jù)。但是由于監(jiān)測設(shè)備安裝于山區(qū)野外環(huán)境，氣象條件和地理環(huán)境相對比較惡劣，通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋情況也比較不理想，如果在傳統(tǒng)的山區(qū)茶園監(jiān)測系統(tǒng)的采集層和數(shù)據(jù)傳輸層中引入LoRa技術(shù)，可極大提高茶園環(huán)境監(jiān)測的實時性和可靠性，保障全天24h實時監(jiān)測，及時、準確為茶園耕作管理提供有效依據(jù)。

2 LoRa無線技術(shù)

LoRa是LPWAN通信技術(shù)中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術(shù)的超遠距離無線傳輸方案。目前，LoRa主要在全球免費ISM頻段運行，包括433、868、915 MHz等；協(xié)議標準采用IEEE 802.15.4g；調(diào)制方式采用基于擴頻技術(shù)的線性調(diào)制擴頻（CSS），該技術(shù)具有前向糾錯（FEC）能力；在容量方面，一個LoRa網(wǎng)關(guān)可以連接上千上萬個LoRa節(jié)點；電池壽命可長達10年以上；安全加密技術(shù)采用AES128加密；傳輸速率從幾百到幾十Kbps；LoRa的名字由來即遠距離無線電（Long Range Radio），它最大特點就是在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠，實現(xiàn)了低功耗和遠距離的統(tǒng)一，它在同樣的功耗下比傳統(tǒng)的無線射頻通信距離擴大3-5倍。經(jīng)測試驗證LoRa網(wǎng)關(guān)在高山、峽谷地形的衍射、反射能力較強，覆蓋效果良好。在多網(wǎng)關(guān)部署的情況下，對盲區(qū)會有很好補充覆蓋效果。即使在山區(qū)，LoRa網(wǎng)關(guān)的平均覆蓋距離也能保證在5千米左右。因此，LoRa技術(shù)比較適合應(yīng)用到山區(qū)茶園檢測系統(tǒng)中。

3 系統(tǒng)設(shè)計

整個茶園LoRa網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)主要由LoRa終端即帶有各檢測功能的傳感器設(shè)備、LoRa網(wǎng)關(guān)（或稱基站）、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器以及應(yīng)用服務(wù)器組成。應(yīng)用數(shù)據(jù)可雙向傳輸。具體如下：

（1）系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，第一層為遠程數(shù)據(jù)采集。采集茶園各監(jiān)測點監(jiān)測數(shù)據(jù)。第二層為遠程無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。通過LoRa或衛(wèi)星（如果需要）通訊方式，平臺可向監(jiān)測站發(fā)送上傳數(shù)據(jù)命令，監(jiān)測站可即時上報實時數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)。第三層為數(shù)據(jù)匯聚平臺，通過網(wǎng)絡(luò)連接監(jiān)測中心站實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

（2）系統(tǒng)采用信息無線采集、軟件工程設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議、無線通信技術(shù)等先進技術(shù)?？蓪崿F(xiàn)快速采集和存儲茶園各個測點的大氣壓、空氣溫濕度，光照、雨量、土壤營養(yǎng)成份等實時數(shù)據(jù)及監(jiān)測設(shè)備工作電壓和環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。

（3）前端采集數(shù)據(jù)的傳感器與數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K端均集成LoRa通訊模塊上，適應(yīng)于高海拔山區(qū)復(fù)雜地形、高低溫環(huán)境下工作，具有低功耗、穩(wěn)定性高、便于安裝等特點，完全滿足惡劣的野外工作條件。

（4）監(jiān)測系統(tǒng)可支持GPRS/4G/衛(wèi)星等通訊方式發(fā)送至多個遠程監(jiān)測中心，并滿足通過LoRa無線傳感網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點、終端節(jié)點以及中心節(jié)點之間可相互通信。網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間通過TCP/IP協(xié)議通信。

4 系統(tǒng)特點

基于LoRa技術(shù)實現(xiàn)的山區(qū)茶園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：

（1）一體化設(shè)計理念。數(shù)據(jù)采集LoRa終端采用模塊化思路設(shè)計，具有低功耗和低成本的特點。LoRa網(wǎng)關(guān)可對傳感器節(jié)點進行集中管理和控制，并將采集到的傳感數(shù)據(jù)進行處理和存儲。

（2）網(wǎng)絡(luò)具有較強的自愈性。在無需人工干預(yù)的情況下，LoRa網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠感知其他節(jié)點的存在，并確定鏈接關(guān)系，然后組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)；當節(jié)點位置發(fā)生變化或故障時，網(wǎng)絡(luò)可自我進行修復(fù)，并對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)的調(diào)整，保證系統(tǒng)穩(wěn)定正常工作。

（3）具有較高兼容性。LoRa網(wǎng)關(guān)具備協(xié)調(diào)器功能，除完成接收終端節(jié)點發(fā)送過來的請求和數(shù)據(jù)，終端節(jié)點的入網(wǎng)管理，負責網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的維護，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自組織功能，如果需要遠程數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，可鏈接GPRS/4G網(wǎng)絡(luò)，完成與監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸和命令管理，完全滿足茶園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸要求。

（4）具有較強的抗干擾性。為保證監(jiān)測中心可以隨時正確獲取監(jiān)測站數(shù)據(jù)、讀取任意時段數(shù)據(jù)或各監(jiān)測點工作狀態(tài)等信息，數(shù)據(jù)到達監(jiān)測中心服務(wù)器后，首先由通訊程序接收數(shù)據(jù)，通訊程序負責對數(shù)據(jù)包進行拆包、解碼，對數(shù)據(jù)進行糾檢錯處理，這一過程減少了數(shù)據(jù)的誤碼率、提高了數(shù)據(jù)完整率。監(jiān)測數(shù)據(jù)合成后被存入數(shù)據(jù)庫中并存入日志文件中。

（5）具有較低的功耗設(shè)計。系統(tǒng)采用定時喚醒的模式來管理各級節(jié)點，當需要采集數(shù)據(jù)時，由監(jiān)控中心下發(fā)命令給中心節(jié)點，中心節(jié)點再來喚醒各個終端節(jié)點，開始數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

（6）具有較低運維成本。相比ZigBee/WiFi數(shù)據(jù)傳輸，LoRa數(shù)據(jù)傳輸，具有相對較少的監(jiān)測節(jié)點并且功耗很低，這樣可大幅降低項目后期的運營維護成本。

5 結(jié)論

隨著基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)進一步發(fā)展，本論文通過對現(xiàn)有基于ZigBee/WiFi技術(shù)實現(xiàn)的智慧茶園的分析，特別是在高海拔山區(qū)復(fù)雜地貌的茶園，基于ZigBee/WiFi的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能很好的進行信號無死角的全覆蓋，甚至采集數(shù)據(jù)在傳輸過程丟失。因此本論文將LoRa無線網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)引入到茶園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，最主要的是提高了信號的完全覆蓋，保證了各監(jiān)測點所采集的數(shù)據(jù)準確可靠的傳輸。同時降低了整體系統(tǒng)的功耗，節(jié)約了系統(tǒng)成本，提高了茶園監(jiān)測系統(tǒng)的實時性和可靠性，可在茶園環(huán)境監(jiān)測中加以推廣。