基于LoRa 通信的棉花智能水肥管理系统设计与应用

刘东旭，周伟，陈虹宇，杨杰，王自强，郑雪松

（1. 中化（烟台）作物营养有限公司，山东 烟台265500；2. 中化现代农业有限公司新疆分公司，乌鲁木齐830022；3. 中化化肥有限公司，北京100031）

聚焦棉花专业种植公司节本增效生产需要[1]，着力解决规模种植农场人工成本高、生产技术效率低2 个根本问题[2]，迫切需要将植物营养、节水灌溉、水肥一体化等传统农业生产技术，与物联网、组网通信、云计算和边缘计算、工业自动化控制[3-4]等创新成果，集成基于水肥一体化的棉花高效智能农业生产技术[5]。应用智能水肥一体化技术，能够显著改善棉花品质、增加产量，降低水肥人工管理成本，增加新型农业种植主体收益；还可以减少水、化肥等农业投入品使用，从而减少农业源污染，改善农村生态环境[6]。新型种植主体节本增效获取稳定收益，还能发挥社会带动作用，实现农村共同富裕[7]。

智能水肥一体化管理系统及其设备对含有少量泥沙的雪融水有较好耐受性[8-9]，对传统物联网或移动通信公共设施的依赖性不高[10]，具有稳定、有效的农业现场远程通信能力， 适合新疆80 hm2甚至更大泵站服务面积的棉田应用。

1 智能水肥一体化管理系统设计

现代智能水肥一体化管理系统设计包括有效、稳定通信组网设计，边缘计算节点设计，自动化控制田间首部设计和智能水肥管理软件设计。

1.1 通信组网设计

在智能水肥一体化管理系统中，无线通信能够将传感器采集的信息上传到云中心，传达命令到物联网终端，从而控制整个设备系统运行。 农业应用现场无线通信网一般指无线广域网组网，包括低功耗无线广域网技术和蜂窝移动通信技术[11]。 低功耗广域网技术产生之后，一定程度上解决了远距离和低功耗之间的矛盾[12]。 其主要代表技术有LoRa（超远距离广域网，Long range）、NB-IoT（窄带物联网，Narrow band internet of things）。

LoRa 采用线性调频扩频调制技术， 既保持了频移键控调制低功耗的特性， 又提高了网络利用率。使用不同扩频因子的终端设备即使同频率同时发送也不会产生干扰[13-14]。 与NB-IoT、ZigBee（紫蜂）[15]、WLAN （无线局域网，Wireless local area network）等其他技术相比，LoRa 通信既具有很强穿透能力、 抗干扰能力， 又保证了低功耗。 2019 年11月，工业和信息化部根据《中华人民共和国无线电管理条例》 发布相关公告， 使用频率为470～510 MHz 的LoRa 通信无需取得无线电频率使用许可、无线电台执照、无线电发射设备型号核准，并可以在建筑楼宇、 住宅小区及村庄等小范围内组网应用。至此，LoRa 通信在农业生产场景应用有了政策基础。

由3GPP（第三代合作伙伴计划，3rd generation partnership project） 启动的 “LTE 计划”， 也就是LTE-TDD 4G （第四代移动电话行动通信标准）移动通信技术已经于2013 年底在我国实现了商用。4G 移动通信高速的带宽能力提供了低时延、 高吞吐量、大规模覆盖的无线通信网络。 尽管5G 技术有更宽带宽接入、时延及功耗进一步降低，但我国5G 仍处于试验阶段，并未完全商用[16]。 为确保新疆维吾尔自治区能够广泛应用智能水肥一体化技术，将首选4G 蜂窝移动通信与LoRa 通信组网。

通过智能网关连接LoRa 通信与4G 移动通信，形成农业应用场景通信组网。 智能网关主要完成多通道LoRa 和以太网数据收发处理，完成无线LoRa 数据与以太网数据转换。 最终实现农业物联网终端与云中心数据交互。

1.2 边缘计算节点设计

农业物联网系统接入设备简单、 搭建系统快速， 从而使云计算中心面对设备和数据爆发式增长，面临新的挑战：传感器不断采集数据上传到云计算中心，会耗费大量网络资源和云端资源；不稳定的网络还会影响云中心及时处理数据、 控制设备；且数据分析和计算均在远端存在时延，实时性难以保证[17]。

边缘计算技术允许云中心将存储和计算任务分配到网络边缘节点中，组建“云-边-端”（云计算-边缘计算-设备端）边缘计算基本架构。边缘计算中的“边缘”是指从数据源到云计算中心数据路径之间的任意计算资源和网络资源[18]。 边缘计算节点可以就近处理数据、过滤数据、分析数据、本地决策，解决网络能力限制，满足数据时效性、存储资源等关键需求。

在智能水肥一体化管理系统中，智能网关可以成为边缘计算中心[19]。 在智能网关中部署计算、存储资源，保证一些终端设备发出的计算请求可以及时得到响应。 如根据各类传感器采集到的实时数据和历史记录通过自主学习和运算， 自动控制相应设备。

1.3 自动化控制田间首部设计

自动化控制田间首部由物联网终端、太阳能供电装置及电动阀门组成。物联网终端包括单片机控制线路、阀门驱动线路、LoRa 通信线路、阀门状态反馈线路等[20]。 太阳能供电装置则由充电控制线路、太阳能板、锂电池组成。电动阀门一般可选择隔膜式电磁阀、电动球阀或电动蝶阀[21]。

因新疆广泛采用略含泥沙的雪融水灌溉，部分区域还存在低压灌溉，在自动化控制田间首部设计中不建议选择电磁阀。根据棉田灌溉首部对雪融水过滤水平，可以选择电动球阀和电动蝶阀作为智能水肥一体化田间首部阀门。其中，电动球阀由阀体、阀芯、电动模块、限位机构及流量压力传感器组成。尽管电动球阀阀芯采用较好材质，但仍通过紧贴阀体内侧转动实现启闭，可用于水质较好的井灌区。与球阀相比，电动蝶阀具有密闭性强、启动灵活、可靠耐用等特点， 对含泥沙的雪融水有一定的耐受性。

1.4 智能水肥管理软件设计

智能水肥管理软件是一套集数据管理、设备管理、控制计划、权限管理及售后服务等功能为一体的水肥管理平台。

数据管理功能包括设备列表、设备地图、设备数据模板、历史数据、实时或历史报警数据页面。设备列表和地图分别展示所有物联设备名称和所在位置。 设备数据模板则显示不同物联设备数据名称、类型、单位、存储更新时间等。 在历史数据页面中可以设置时间段查询单个设备采集或控制数据。

设备管理则根据功能划分为智能网关管理、终端控制设备管理、数据采集设备管理。 在智能网关管理功能页面，可查询本网关及其连接的所有设备编码、工作状态。 设备管理页面可辅助管理人员处理异常的智能水肥一体化管理设备离线故障。

控制计划则包括定时灌溉计划和轮灌计划。通过设定开始和结束日期，并以天为单位使田间远程控制设备按照预设时间执行启闭阀门命令，即为定时灌溉计划。 当灌溉小区较多，需要按轮灌组灌溉时，可以选用轮灌计划功能。在预定的时间段内，设置循环次数和频率、最大同时开阀数，形成轮灌灌溉任务。 在轮灌灌溉任务中，可以添加若干个轮灌组或设备组，并设置每个轮灌组开启时长。 在每个轮灌组或设备组中，可以任意选择智能网关组网内的田间远程控制设备。 当灌溉任务启动下发后，各轮灌组按次序和规定的开启时长工作，即为轮灌计划功能。 控制计划还可关联传感器形成触发器管理。 如可以设置土壤含水量上下限值，通过土壤墒情仪监测，控制水泵启闭，使本区域内土壤含水量满足棉花正常生长。

权限管理则可以设置公司账户和用户账户。其中公司账户权限最高， 可以设置若干个用户账户，查看并控制智能水肥一体化管理系统所有设备工作。用户账户则只能根据公司账户授权管理某个智能网关组网下设备或部分设备。

售后服务页面则可以查询系统故障紧急处理预案、紧急联系人并提交常见问题描述，方便后台人员升级平台。

2 基于LoRa 通信的智能水肥一体化管理系统在新疆棉田的应用

2.1 沙雅棉花示范农场

中国中化集团有限公司农业事业部 （中化农业） 沙雅棉花示范农场位于沙雅县红旗镇依勒尕尔村。地形不规则，面积为80 hm2，共有92 个出水桩。水源为新疆融雪地表水和深井水。水源处有浮筒式初级过滤器，灌溉首部选用网式自动过滤器。

2.2 设计方案

沙雅示范农场智能水肥一体化管理系统由无线广域LoRa 与4G 蜂窝移动通信组网，以智能网关作为边缘计算中心， 远程控制田间电动阀门组成。根据历年灌水施肥经验和当地水源复杂、水质较差特征及农场管理人员要求， 在此示范农场安装30 个电动球阀、30 个单向电动蝶阀和32 个双向电动蝶阀。在泵房处，安装2 台智能网关和1 台控制屏。 智能网关至电动阀物联网终端最远传输距离为1 400 m。

2.3 应用效果的综合评价

2.3.1 项目运营效果。 （1）示范棉田灌水管理高工效。可通过移动客户端、电脑以及本地控制屏，远程控制田间阀门启闭。依靠终端应用程序对本地块轮灌组进行编辑， 允许不同轮灌组内出水桩数量不同。 同一轮灌组内电动阀启闭状态一致，不同轮灌组之间命令切换支持按时间设置、 按灌溉任务设置。智能水肥一体化管理系统可以避免管水工田间行走、手动启闭球阀，降低操作的错误概率和人工成本。（2）示范棉田灌水管理更精准。电动阀门的启闭状态可以在终端上显示。 电动阀执行启闭命令后，会将执行结果反馈给客户终端设备。 平台能够确保正常的电动阀打得开、关得住，并将异常的电动阀报告给管理人员。 （3）角色分工、管理分级、监督更有效。 该系统可以设置农场主、技术员和工人三级权限，从而实现分级管理：农场主可以对全田灌溉进行监管；技术员可以根据各轮灌组区域内的实际土壤类型、 需水保水特点设置轮灌计划各参数；灌水工人可以按照设置的轮灌计划执行，并现场巡视滴灌效果。

2.3.2 示范农场节本增效效果分析。（1）节本效果。农场棉花种植过程中，共灌水10 次，每次灌水3 d。农场现雇佣工人成本为每666.7 m2150 元，雇佣工人主要负责零星打药、拔草、间苗等工作；田间水肥管理则由泵工负责。 周边其他规模种植农场，因为雇佣工人还要负责田间水肥管理，每666.7 m2费用需要220 元。 因此， 采用该系统远程控制后，每666.7 m2节省人工成本70 元。 （2）增收效果。 示范农场中水肥人工管理地块每666.7 m2籽棉产量为360 kg；应用智能水肥一体化管理系统的技术示范区每666.7 m2籽棉产量为400 kg。按籽棉收购价格5.7～6.5 元·kg－1计算， 示范区的666.7 m2收益增加228～260 元。

2.4 设备与技术的适应性分析

经评估，智能水肥一体化管理系统及其设备能够适应新疆独特的水质、地理和气候环境。 新疆的雪融水经过灌溉首部处理仍有部分泥沙，但电动球阀能正常工作；新疆植棉区光照时间长，能够满足太阳能供电系统正常工作，并能够有效延长电池使用寿命；新疆植棉区地势平坦，没有高障碍物，能够满足LoRa 通信要求。

3 小结

水肥一体化是将灌溉与施肥相结合的一项农业技术。 受“物联技术”制约，新疆水肥一体化管理一直采用人工操作、粗放管理方式，没有发挥该技术在水肥精细化管理上作用[22]。 这种粗放水肥管理方式不仅人工成本高、水肥浪费大，而且会因为人员技能和责任心等因素， 导致灌溉和施肥不均匀，轻则造成水肥浪费，重则影响作物产量。通过LoRa与4G 蜂窝移动通信组网技术、具有边缘计算能力智能网关、物联网终端、远程自动化控制设备、水肥管理软件集成的智能水肥一体化管理系统，可作为数字农场中水肥管理决策的重要工具[23]，其在新疆棉田的应用是推动新疆棉花种植从规模化向现代化发展的重要举措[24]。