基于ZigBee和LoRa的麦田监控系统

周一振

摘 要：为提高小麦产量和对燃烧秸秆的管控效率，避免麦田火灾及不科学使用化肥引起的环境污染，文中设计了一款基于ZigBee和LoRa的麦田监控系统。该系统将ZigBee、LoRa和GPRS技术应用到麦田监控中，通过终端对麦田土壤必要微量元素、麦田火灾及燃烧秸秆进行监控，将监测数据和超限报警信息上传给监控中心和麦田负责人。该系统为麦田科学管理提供了数据依据，提高了管理效率。

关键词：ZigBee；LoRa；GPRS；麦田监控

中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）12-00-02

0 引 言

我国是小麦种植大国，在麦田管理过程中，存在麦田火灾、燃烧秸秆及过量使用化肥引起土壤環境问题等现象。近年来，物联网技术的快速发展和应用[1，2]，为解决上述问题提供了有效方法。

ZigBee技术的通信距离较短，且组网复杂[3]。LoRa技术通信距离较远，主要采用星型轮询组网结构[4]，组网简单。通用分组无线业务（General Packet Radio Service，GPRS）是基于GSM的一种新型数据处理业务，也被描述为2.5G，具有传输速率高、接入时间短等特点[5]。由于麦田面积比较大、监测点多，若只使用ZigBee和GPRS技术，组网较为复杂[6]；若只使用LoRa和GPRS技术，将会因通信范围内部署节点较多而导致轮询获取信息的速度较慢。因此，将上述三种无线通信技术相结合，形成分层系统结构。麦田监控系统可在麦田科学管理、麦田火灾报警及燃烧秸秆管控方面发挥积极作用。

1 系统总体架构

该系统主要由ZigBee终端、ZigBee-LoRa采集器、LoRa-LoRa中继器、LoRa-GPRS集中器组成。

由ZigBee终端采集麦田信息，并将采集到的麦田信息传送到ZigBee-LoRa采集器，ZigBee-LoRa采集器将接收到的信息传送到LoRa-GPRS集中器。若距离较远，则可以使用LoRa-LoRa中继器，实现远距离传输。集中器将报警信息通过基站传送至麦田负责人，并可将麦田信息通过Internet上传给监控中心。麦田监控系统如图1所示。

2 系统硬件结构图

2.1 ZigBee终端

ZigBee终端主要用于采集多麦田信息，其结构如图2所示，包括电源模块、交互模块、主控芯片MSP430F169、ZigBee通信模块及烟雾传感器等。

微量元素和水分对小麦产量有着重要的影响[7]，而滥用肥料将会造成土壤污染[8]。麦田火灾不仅会造成生命财产损失，且燃烧秸秆对空气亦会造成污染。因此，本文设计的系统主要对微量元素、水分、烟雾进行监测。为防止烟雾传感器被误认为遭到遮挡，特增加了对烟雾传感器遮挡的监测。

2.2 ZigBee-LoRa采集器

ZigBee-LoRa采集器的结构如图3所示，包括电源模块、主控芯片MSP430F169、交互模块、ZigBee通信模块、LoRa通信模块及GPS模块。

当ZigBee通信模块完成对ZigBee终端信息的采集后，由LoRa通信模块将采集到的信息上传到LoRa-GPRS集中器或LoRa-LoRa中继器，全球定位系统（Global Positioning System，GPS）[9]为麦田监控系统提供位置信息。由于ZigBee通信距离较近，因此，在ZigBee-LoRa采集器中应用GPS模块即可满足采集信息的位置要求，同时大大节省了成本。

2.3 LoRa-LoRa中继器

LoRa-LoRa中继器的结构如图4所示，包括电源模块、交互模块及LoRa通信模块。对于距离大面积麦田相对较远的孤立麦田，为减少GPRS模块的使用，可以通过LoRa-LoRa中继器对信号进行复制、放大，保证LoRa-GPRS集中器可以不失真地接收到信号。

2.4 LoRa-GPRS集中器

LoRa-GPRS集中器的结构如图5所示，包括电源模块、LoRa通信模块、交互模块及GPRS通信模块。LoRa通信模块用于接收LoRa-LoRa中继器和ZigBee-LoRa采集器上传的信息，GPRS通信模块将LoRa-GPRS集中器收到的信息上传给基站。监控中心可以通过Internet远程获取信息[10]，且用户可以短信查询和接收报警信息。

3 结 语

本文设计的基于ZigBee和LoRa的麦田监控系统可以为小麦的种植和管理提供数据信息，提升对麦田火灾监测和对燃烧秸秆监管的管理效率，能够在第一时间发出报警信息，减少因燃烧秸秆造成的空气污染和降低因麦田火灾造成的生命财产损失。该监控系统的使用将会降低工作人员的劳动强度，大幅提升管控效率。

参考文献

[1]黄桑.基于物联网的温室大棚种植监控系统的研究与设计[D].济南：山东大学，2016.

[2]童建新.基于物联网的淡水鱼养殖系统的研究与实现[D].长春：吉林大学，2016.

[3]武永胜，王伟，沈昱明.基于ZigBee技术的无线传感器网络组网设计[J].电子测量技术，2009，32（11）：121-124.

[4]赵太飞，陈伦斌，袁麓，等.基于LoRa的智能抄表系统设计与实现[J].计算机测量与控制，2016，24（9）：298-301.

[5]孟丽，吕英杰.GPRS系统简介[J].邮电设计技术，2001（7）：8-12.

[6]公茂法，殷凡姣，李玉午，等.基于ZigBee和GPRS的远程无线抄表系统设计[J].电子质量，2014（8）：19-22.

[7]张环.小麦缺素的诊断与防治的办法[J].港澳经济，2014（23）：120.

[8]杨婷，李汉林，李姝，等.化肥使用对土壤污染的调查报告[J].中学生物学，2002，18（3）：32-33.

[9]邱中军.北斗卫星导航系统及其它卫星系统简介[J].科技资讯，2012（36）：27.

[10]刘国锦，刘新霞.GPRS无线数据传输技术的应用[J].信息化研究，2010，36（2）：1-3.endprint