劉天培，戚德林，趙晨陽

（上海電機學院 電子信息學院，上海 201204）

大型農(nóng)場或現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園，無論是大棚，還是空氣中裸露的田地，均需要實時監(jiān)測控制溫濕度、土壤濕度、光照強度等環(huán)境信息，在溫度較高或者土壤干燥的時候需要澆水，田網(wǎng)、水網(wǎng)和電網(wǎng)需要做到聯(lián)動。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)下，農(nóng)作物成長環(huán)境監(jiān)測的主要方式是人工經(jīng)驗或使用測量工具實地測量獲取，也可以使用有線的方式對所有大棚、田間布線。人工檢測方式時效低、工作量大且生產(chǎn)成本高，有線傳輸方式布線成本大，可擴展性差。農(nóng)業(yè)園的環(huán)境監(jiān)測智能化和生產(chǎn)環(huán)節(jié)自動化是發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園的重要內(nèi)容，提升生產(chǎn)系統(tǒng)的自動化、智能化水平對于提高生產(chǎn)效率、提高農(nóng)產(chǎn)品的競爭力以及精簡人力成本均有重要促進作用。

本項目依托部署在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園的各種傳感節(jié)點（環(huán)境溫濕度、土壤水分、二氧化碳等）和位于管控室的網(wǎng)關、服務器以及移動通信網(wǎng)絡實現(xiàn)園內(nèi)環(huán)境的智能感知、智能預警以及田網(wǎng)、水網(wǎng)（澆灌）、電網(wǎng)（照明）、路網(wǎng)（路燈）以及消防系統(tǒng)的聯(lián)動，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園環(huán)境檢測和自動調(diào)節(jié)、智能化管理提供完整的信息化支持系統(tǒng)[1]。

1 關鍵技術

由于農(nóng)業(yè)環(huán)境具有特殊性，不能隨意選擇現(xiàn)有的無線通信方式，而要根據(jù)使用場景選擇合適的通信方式。目前，比較成熟的無線通信方式主要有WiFi，Bluetooth，Zigbee，LoRa，NB-IOT等。因為WiFi，Bluetooth，Zigbee普遍存在傳輸距離不足的問題，不適用于農(nóng)業(yè)環(huán)境場景，所以僅對比LoRa和NB-IOT[2]，如表1所示。

本課題場景為農(nóng)田，野外農(nóng)田并沒有完全覆蓋蜂窩網(wǎng)，因此，NB-IOT并不適合，所以選擇LoRa通信技術為農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測站以及澆灌控制節(jié)點的通信方式，通過設置多個節(jié)點實現(xiàn)對環(huán)境信息的感知和智能控制。

2 系統(tǒng)整體方案

2.1 系統(tǒng)功能

（1）環(huán)境數(shù)據(jù)采集，包括通過各種傳感器采集節(jié)點處的空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度、光照強度、雨水有無、水位、紅外傳感器（用于防盜）等。

（2）數(shù)據(jù)無線傳輸，各個節(jié)點根據(jù)情況放置在相距500～3 000 m的范圍內(nèi)，將采集到的數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)關，由網(wǎng)關上傳至服務器。

（3）自動控制，由用戶提前設置閾值，土壤過于干燥自動開啟澆灌系統(tǒng)，光照過強自動拉起遮光簾。

表1 LoRa與NB-IOT的比較

（4）遠程控制，通過網(wǎng)絡客戶端手動控制澆灌、遮陽，以補充自動控制的意外情況。

（5）數(shù)據(jù)記錄查詢，用戶網(wǎng)絡客戶端查詢數(shù)據(jù)，通過前端設計將數(shù)據(jù)繪制報表、圖標等數(shù)據(jù)直觀地呈現(xiàn)。

2.2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

根據(jù)功能需要，將系統(tǒng)分為3個部分，如圖1所示。工作過程如下：（1）服務器定時下達采集數(shù)據(jù)指令，網(wǎng)關接受指令并喚醒終端節(jié)點。（2）節(jié)點收到喚醒指令后，判斷是否喚醒指令中的對象是自己。（3）喚醒對象為本節(jié)點，節(jié)點工作并上傳數(shù)據(jù)。（4）網(wǎng)關接收LoRa的數(shù)據(jù)，處理為JSON格式，通過MQTT協(xié)議上傳服務器。（5）本地服務器讀取數(shù)據(jù)，存入數(shù)據(jù)庫，并通過網(wǎng)頁查詢。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

3 大田監(jiān)測站硬件設計

3.1 監(jiān)測站硬件設計

根據(jù)硬件需求，選擇TPYBoard_V102作為主控板。TPYBoard_V102是以遵照MIT許可的MicroPython為基礎，由TurnipSmart公司制作的一款MicroPython開發(fā)板，基于STM32F405單片機，通過USB接口進行數(shù)據(jù)傳輸，支持Python語言[2]。監(jiān)測站硬件實物如圖2所示，其中，CPU為ARM CORTEX-M4，MCU運行最高速度為168 MHz，F(xiàn)lash為1 024 KB。

圖2 監(jiān)測站硬件實物

3.2 網(wǎng)關硬件設計

通過樹莓派連接網(wǎng)關與終端。樹莓派將終端的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至服務器，將服務器的指令轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)關[3]。樹莓派實物如圖3所示，監(jiān)測站模型如圖4所示。

圖3 樹莓派

圖4 監(jiān)測站模型

4 結(jié)語

在大型農(nóng)場或現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園，人工檢測方式時效低、工作量大且生產(chǎn)成本高。本項目設計了一套用于農(nóng)業(yè)的低成本、高穩(wěn)定性的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)與灌溉系統(tǒng)。采用LoRa技術解決了農(nóng)業(yè)場景中的面積大，且多在偏僻地區(qū)，移動信號差的窘境，利用其長距離傳輸?shù)奶匦詫崿F(xiàn)了園區(qū)的廣覆蓋，超低功耗省去了供電與布線。本項目還進行了云平臺的開發(fā)，現(xiàn)已經(jīng)完成了監(jiān)測和控制功能，下一步將進行對數(shù)據(jù)的分析，從而指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，促進農(nóng)業(yè)發(fā)展。