基于LoRa的现代农业物联网系统研究与设计

刘天培，戚德林，赵晨阳

（上海电机学院 电子信息学院，上海 201204）

大型农场或现代农业园，无论是大棚，还是空气中裸露的田地，均需要实时监测控制温湿度、土壤湿度、光照强度等环境信息，在温度较高或者土壤干燥的时候需要浇水，田网、水网和电网需要做到联动。传统农业下，农作物成长环境监测的主要方式是人工经验或使用测量工具实地测量获取，也可以使用有线的方式对所有大棚、田间布线。人工检测方式时效低、工作量大且生产成本高，有线传输方式布线成本大，可扩展性差。农业园的环境监测智能化和生产环节自动化是发展现代农业园的重要内容，提升生产系统的自动化、智能化水平对于提高生产效率、提高农产品的竞争力以及精简人力成本均有重要促进作用。

本项目依托部署在现代农业园的各种传感节点（环境温湿度、土壤水分、二氧化碳等）和位于管控室的网关、服务器以及移动通信网络实现园内环境的智能感知、智能预警以及田网、水网（浇灌）、电网（照明）、路网（路灯）以及消防系统的联动，为现代农业园环境检测和自动调节、智能化管理提供完整的信息化支持系统[1]。

1 关键技术

由于农业环境具有特殊性，不能随意选择现有的无线通信方式，而要根据使用场景选择合适的通信方式。目前，比较成熟的无线通信方式主要有WiFi，Bluetooth，Zigbee，LoRa，NB-IOT等。因为WiFi，Bluetooth，Zigbee普遍存在传输距离不足的问题，不适用于农业环境场景，所以仅对比LoRa和NB-IOT[2]，如表1所示。

本课题场景为农田，野外农田并没有完全覆盖蜂窝网，因此，NB-IOT并不适合，所以选择LoRa通信技术为农田环境监测站以及浇灌控制节点的通信方式，通过设置多个节点实现对环境信息的感知和智能控制。

2 系统整体方案

2.1 系统功能

（1）环境数据采集，包括通过各种传感器采集节点处的空气温度、空气湿度、土壤湿度、光照强度、雨水有无、水位、红外传感器（用于防盗）等。

（2）数据无线传输，各个节点根据情况放置在相距500～3 000 m的范围内，将采集到的数据传送给网关，由网关上传至服务器。

（3）自动控制，由用户提前设置阈值，土壤过于干燥自动开启浇灌系统，光照过强自动拉起遮光帘。

表1 LoRa与NB-IOT的比较

（4）远程控制，通过网络客户端手动控制浇灌、遮阳，以补充自动控制的意外情况。

（5）数据记录查询，用户网络客户端查询数据，通过前端设计将数据绘制报表、图标等数据直观地呈现。

2.2 系统整体架构

根据功能需要，将系统分为3个部分，如图1所示。工作过程如下：（1）服务器定时下达采集数据指令，网关接受指令并唤醒终端节点。（2）节点收到唤醒指令后，判断是否唤醒指令中的对象是自己。（3）唤醒对象为本节点，节点工作并上传数据。（4）网关接收LoRa的数据，处理为JSON格式，通过MQTT协议上传服务器。（5）本地服务器读取数据，存入数据库，并通过网页查询。

图1 系统整体架构

3 大田监测站硬件设计

3.1 监测站硬件设计

根据硬件需求，选择TPYBoard_V102作为主控板。TPYBoard_V102是以遵照MIT许可的MicroPython为基础，由TurnipSmart公司制作的一款MicroPython开发板，基于STM32F405单片机，通过USB接口进行数据传输，支持Python语言[2]。监测站硬件实物如图2所示，其中，CPU为ARM CORTEX-M4，MCU运行最高速度为168 MHz，Flash为1 024 KB。

图2 监测站硬件实物

3.2 网关硬件设计

通过树莓派连接网关与终端。树莓派将终端的数据转发至服务器，将服务器的指令转发至网关[3]。树莓派实物如图3所示，监测站模型如图4所示。

图3 树莓派

图4 监测站模型

4 结语

在大型农场或现代农业园，人工检测方式时效低、工作量大且生产成本高。本项目设计了一套用于农业的低成本、高稳定性的农业环境监测系统与灌溉系统。采用LoRa技术解决了农业场景中的面积大，且多在偏僻地区，移动信号差的窘境，利用其长距离传输的特性实现了园区的广覆盖，超低功耗省去了供电与布线。本项目还进行了云平台的开发，现已经完成了监测和控制功能，下一步将进行对数据的分析，从而指导农业生产，促进农业发展。