王小兵 秦嘉駿 王利平

（1.陜西省寶雞苗木培育中心 陜西省寶雞市 721000 2.西京學院信息工程學院 陜西省西安市 710123）

1 引言

早春霜凍是水果種植的主要氣象災害，尤其山地果園地形復雜，戶外自然條件惡劣，地勢高低完全不同，霜凍的發(fā)生與具體地形地勢高度有關，天氣預報無法做到準確預報具體位置氣溫，并且霜凍具有發(fā)生時間集中，周期短的特點，若霜凍發(fā)生時不及時采取預防措施會導致果園大面積減產(chǎn)甚至絕收。因此，安裝適合山地果園實際情況的霜凍預警系統(tǒng)，對山地果園的霜凍災害進行預警，提醒農(nóng)戶提前采取防治措施，對促進果業(yè)提質增效、區(qū)域防災減災、保障果農(nóng)穩(wěn)定收入，具有十分重要的意義。

LoRa 是一種新型無線通信技術，工作在未授權頻譜上，其具有超低功耗、低成本、廣覆蓋、超低的發(fā)射功率等優(yōu)點，適合于長距離通信、低功耗的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡環(huán)境，尤其在有著低成本需求的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領域應用非常廣泛。山地果園大部分區(qū)域未有電力布設，市電供電的傳感器測試設備難以布設，電池供電的低功耗便攜式測試設備是山地果園的最佳選擇，基于LoRa技術的無線傳感器能夠滿足山地果園低功耗、長距離、低成本的要求。

2 霜凍預警系統(tǒng)總體設計

霜凍預警系統(tǒng)由氣象監(jiān)測單元、4G DTU、服務器、移動終端設備組成。

氣象監(jiān)測單元也即無線溫濕度傳感器節(jié)點，其利用LoRa 低功耗長距離無線通信技術通信，電池供電，每5 分鐘將監(jiān)測點溫濕度上傳一次至4G DTU。系統(tǒng)設計的溫濕度監(jiān)測單元，功耗低、小型化、易攜帶、易布設、易回收。霜凍期時在所需位置快速布設，霜凍結束后回收，用以采集近地溫度時空分布數(shù)據(jù)，針對性強。

DTU 采用LoRa 通信模式接收多個監(jiān)測點溫濕度數(shù)據(jù)，并將測試數(shù)據(jù)通過4G 實時發(fā)送至服務器。服務器在接收到果園實時數(shù)據(jù)后，進行綜合分析處理判斷，同時發(fā)送數(shù)據(jù)及預警信號至客戶端。用戶可通過電腦或手機客戶端程序查看監(jiān)測點溫濕度和霜凍預警信號。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 低功耗無線傳感器節(jié)點設計

無線溫濕度傳感器采用LORA 通信技術，采取了低功耗設計，體積小，便攜，密封性良好，電池供電，可按需布置在山地果園的任何地方，進行果園溫濕度數(shù)據(jù)采集。無線傳感器節(jié)點包括STM32 控制器模塊、溫濕度傳感器、loRa 模塊組成。

控制器采用STM32F103 為主控芯片，單片機接口資源豐富、控制簡單、價格便宜，2.0 ～3.6V 供電，可在-40℃～+85℃環(huán)境溫度下穩(wěn)定工作，有睡眠、停機和待機三種低功耗工作模式，可快速喚醒。

LoRa 無線模塊選用成都億佰特特公司的E22-400T22D 無線模塊，基于SX1268 射頻芯片工作，采用新一代LoRa 擴頻技術，傳輸距離遠、速度快、功耗低、體積小。模塊工作電壓范圍為2.3 ～5.5V。無線通信模塊的能耗占整個節(jié)點能耗的大部分，表1列出了SX1268 各狀態(tài)下的能耗情況，模塊休眠狀態(tài)的能耗遠小于接收和發(fā)送模式下的能耗，系統(tǒng)設計通信模塊在完成收發(fā)任務后進入休眠模式。

表1：SX1268 各狀態(tài)下的能耗

由于傳感器節(jié)點布署在戶外，因此選用SHT30 高精度防水防塵溫濕度傳感器進行數(shù)據(jù)采集。該型傳感器防塵防水，密封性好，適合戶外使用。

LoRa 模塊、SHT30 傳感器與STM32F103 的接線如圖1所示。

圖1：無線傳感節(jié)點電路圖

無線傳感器節(jié)點所使用的模塊元件，均可在寬電壓下正常工作，節(jié)點采用3.6V 鋰電池供電。無線傳感節(jié)點能量消耗主要是微控制器和射頻模塊，兩部分均進行了低功耗設計，數(shù)據(jù)5min 采集并上傳一次，完成數(shù)據(jù)發(fā)送后，其余時間處于休眠狀態(tài)。在電池供電情況下可保證設備連續(xù)工作3 個月時間，完全可以滿足每年的霜凍期使用。

3.2 無線數(shù)傳模塊

預警系統(tǒng)通過4G DTU 實現(xiàn)LoRa 無線射頻轉4G 網(wǎng)絡服務，從而將氣象監(jiān)測單元采集到的溫濕度數(shù)據(jù)傳至服務器。選用億佰特的E90-DTU400SL-4G 數(shù)傳電臺，可實現(xiàn)射頻模塊到網(wǎng)絡服務器的雙向數(shù)據(jù)透明傳輸。無線射頻收發(fā)器采用SEMTECH 公司的SX1262 射頻芯片，支持LoRa 擴頻技術，內(nèi)部搭載高性能處理器，具有多種傳輸方式，實測通信距離可達10km，在4G 網(wǎng)絡端，電臺支持LTE-FDD、LTE-TDD、WCDMA、CDMA、GPRS 等網(wǎng)絡數(shù)據(jù)連接。模塊可通過USB 連接電腦上位機進行參數(shù)配置。

配置完成后，DTU 上電默認工作在通訊模式，自動開始網(wǎng)絡連接，當與服務器建立連接后，DTU 收到的數(shù)據(jù)透傳到服務器進行分析處理。

4 系統(tǒng)軟件設計

預警系統(tǒng)軟件部分主要包括LoRa 通信程序、氣象數(shù)據(jù)獲取程序，服務器及終端設備程序。

4.1 LoRa通信程序設計

預警系統(tǒng)傳感器節(jié)點和DTU 之間通過LoRa 無線技術進行數(shù)據(jù)傳輸，當LoRa 模塊上電，或M1、MO 引腳電平改變時，通信模塊復位，進行硬件自檢，并根據(jù)M1、MO 引腳電平配置工作模式。工作流程如圖2所示。

圖2：LoRa 模塊復位工作流程圖

LoRa 無線通信發(fā)送數(shù)據(jù)格式為“地址+信道+數(shù)據(jù)”，通過配置發(fā)射接收模式，并設置對應的地址和信道，實現(xiàn)傳感器節(jié)點向DTU 發(fā)送數(shù)據(jù)，或DTU 向特定終端發(fā)射數(shù)據(jù)。

4.2 數(shù)據(jù)獲取程序設計

傳感器節(jié)點溫濕度獲取軟件流程如圖3所示，上電工作后，主控芯片STM32F103 首先進行一系列的初始化設置，由于LoRa 模塊與核心板通過串口通信，故需要對串口初始化。主控芯片通過I2C 接口獲取SHT30 溫濕度傳感器采集的溫濕度數(shù)據(jù)，并打包后通過串口送給LoRa 模塊，隨后發(fā)送給DTU。

圖3：數(shù)據(jù)獲取流程圖

4.3 客戶端應用軟件設計

系統(tǒng)利用中國移動開發(fā)的OneNET 物聯(lián)網(wǎng)云平臺搭建云服務器，進行數(shù)據(jù)的處理與存儲。OneNET 云平臺適配于多種網(wǎng)絡環(huán)境和協(xié)議類型，個人或企業(yè)賬號可創(chuàng)建多個項目，各項目可連接多個傳感器和終端設備，具有設備控制、應用開發(fā)、數(shù)據(jù)分析等多種功能。系統(tǒng)設計開發(fā)了手機和PC 端的應用軟件，農(nóng)戶可通過OneNET 平臺在終端隨時監(jiān)測果園不同位置處的溫濕度信息，當溫濕度大于設定閾值時，給出報警信號。

5 結束語

基于LoRa 通信技術設計了一個適用于山地果園的霜凍預警系統(tǒng)，實現(xiàn)了對山地果園的不同地勢位置處的溫濕度實時監(jiān)測，并對數(shù)據(jù)進行處理分析，給出霜凍預警信號，農(nóng)戶通過查詢客戶端APP，了解果園氣溫情況。通過系統(tǒng)實地調(diào)試，該系統(tǒng)能夠精確監(jiān)測果園不同區(qū)域的氣象數(shù)據(jù)，很好地對早春時節(jié)的霜凍發(fā)生進行預警，以提醒農(nóng)戶提前采取防護措施，進而達到防災減災目的。系統(tǒng)設計靈活、便攜式測試節(jié)點布設方便、傳輸距離遠、功耗低，信息發(fā)送實時準確，可以被廣泛應用于山地果園霜凍減災防護系統(tǒng)中。