基于LoRa无线通信的农业环境监测系统设计*

石新龙 丁永辉

（1.河南工业职业技术学院 自动化工程学院 河南 南阳 473000；2.北京新雷能科技股份有限公司 北京 102200）

现代农业将物联网、智能控制和无线通信等技术融合应用，监测作物生长环境的温湿度、光照强度、CO2浓度等重要数据，实现对农作物生长的智能化管理，大大提高了农业生产效率。现阶段，无线通信技术的发展为农业环境监测数据的传输提供了便捷的通道，Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、6LoWPAN等，广泛应用于智慧农业的数据传输中。文献[1-4]分别给出了蓝牙、ZigBee、Wi-Fi等无线网络的在智慧农业中典型应用案例。文献[5]采用异构组网的方式，整合多种无线通信技术增加数据传输的可靠性。文献[6-8]提出了将LoRa无线通讯应用于温室环境监测的方案。

本文基于 MSP430F247微处理器，采用 LoRa无线通信技术，实现对农业环境，如空气温湿度、土壤温湿度、光照度等参数的采集及传输，实现农业环境中各参数的可靠传输和有效管理。

1 系统结构设计

系统整体框架由监测节点、数据传输和监控平台构成，如图1所示。监测节点连接底层的传感器，实现对农业大棚内部传感器设备的数据采集，主要有空气温湿度传感器，光照度传感器，用于灌溉的水流量传感器。监测平台负责接收各节点传输来的数据，并对数据进行分析、处理、显示以及对监测节点的远程控制，主要是控制采光及保暖的卷帘机、卷膜机、滴灌水流电磁阀等设备。

图1 系统整体设计

监测节点采用16位微处理器MSP430F247作为主控单元，并嵌入433MHz频段的LoRa无线通信模块，实现中远距离的无线数据传输。同时，本方案采用八位拨码开关实现对监测节点的地址编码，使每个监测节点都具有唯一的地址，便于对大棚内的众多监测节点进行区分。另外，还加入了蜂鸣器电路，用于实现异常情况的报警，如图2所示。

图2 监测节点硬件设计框图

2 功能电路设计

2.1 电源电路模块

监测节点电路采用外部24V直流电源供电，再通过由TPS54040及TLV70033芯片构成的DC-DC电压转换电路，将24V分别转换成5V和3.3V，其中3.3V供给MSP430F247用电，如图3所示。

图3 电源电路原理图

2.2 采集电路模块

采集电路的采集对象为智能大棚内的温湿度计、水流量计、限位开关等传感器，这些变量涵盖模拟量、脉冲量、开关量等。本方案采用100Ω的采样电阻通过模拟量输入通道采集 4～20 mA的模拟信号，脉冲量及开关量的采集则通过MSP430F247的中断IO来实现，如图4所示。

图4 采集电路原理图

2.3 继电器输出模块

本方案中，监测节点还可执行监控平台的反馈指令，实现对大棚内部环境的智能调节，例如对卷膜机、滴灌电磁阀、空调等设备的控制。如图5所示，在监测节点设计了两路输出，来控制开关设备的通断，具体是利用5V继电器JQ1P与MOSFET 2N7002之间的电平转换来实现。

图5 继电器输出模块原理图

2.4 LoRa无线通信模块

分布在各处的监测节点采用LoRa无线通信方式实现数据、指令的发送与接收。LoRa无线通信模块采用AS32-TTL-100型号，可以实现中远距离的无线数据传输，视距下约为3000 m，同时工作频段在410MHz～441MHz，属于免牌照频段。LoRa无线模块有定点传输、空中唤醒、透明广播三种传输模式，不同模式可以切换。本方案通过拨码开关给每个节点设置了唯一的地址，可以独立地控制每个节点，同时LoRa无线模块选择定点传输，这样棚内各类型的监测节点可以分别工作在不同信道上。

2.5 监测节点PCB设计

监测节点 PCB采用双层电路板设计，如图 6所示，为了调试方便及装配美观，元器件基本都分布在电路板顶层。另外考虑到继电器输出端可能接入交流电源，这里采用开槽的方法以实现电气隔离，实物如图7所示。

图6 监测节点PCB图

图7 调试后的监测节点

3 系统程序设计

根据作物生长环境，在大棚内分布了空气温湿度监测节点、光照监测节点、补光灯控制节点、水流量监测及控制滴灌的电磁阀节点、卷帘机或卷膜机控制节点。不同监测节点的设备具有不同的地址码，系统以此来选择执行对应的功能程序。程序控制指令每隔100 ms向各个节点发出轮询，当需要查询某一节点的数据时，则由网关设备提供该监测节点的设备地址，并设定控制模式（是需要控制继电器，还是查询传感器数据）。通信数据包为十六进制数据，内容包含控制指令和需要上传的数据两部分。其次，监测节点的两路继电器输出，用于对不同设备的控制，主要是滴灌电磁阀、卷膜机、风机等，程序流程如图8所示。

图8 程序设计流程图

4 系统测试

系统搭建在某农业大棚内，在棚内分别布置了空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、光照强度传感器、流量计以及卷帘机、卷膜机的继电器控制等多个节点。

4.1 LoRa无线通讯测试

经实地测试，当轮询周期大于100 ms时，LoRa无线通信的数据传输较为稳定。而当轮询周期低于100 ms时，通信数据的丢包率较高。此外数据通信的稳定性还和无线模块的空中速率有关，空中速率越低其数据传输距离越远，抗干扰稳定性越强，但数据的发送时间也就越长。当监测节点设定无线空中速率为2.4 k时，通信速率和距离较为稳定，在视距下测试通讯距离至少能达到 2km。图 9和图 10为部分监测节点通讯数据。

图9 光照度监测数据

图10 空气温湿度监测数据

4.2 数据显示

监测终端平台用于显示大棚内部的各环境参数，以及各调节设备的状态，如图11所示。

图11 数据显示页面设计

5 结语

本方案立足实际应用，基于大棚农作物生长环境，设计了基于LoRa无线通信技术的智慧农业环境监测系统。从调试及试验结果可知，LoRa无线技术更适用于少量数据的远距离传输，2km范围内的可靠性较高。同时系统可对采集到的农业环境参数进行分析、处理，对调节设备实施远程控制，为农作物提供良好的生长环境，实现农业生产智慧化。