基于LoRa 技术的智慧农业监控系统设计研究

2022-03-23梁德明鲁冰程夏红莉

农业装备技术 2022年5期

梁德明，鲁冰程，夏红莉

（AWL 农业科技（泰州）有限公司，江苏泰州 225300）

0 引言

现代科技学技术的发展，给农业发展带来了非常重要的影响。当前，我国农业的发展由传统农业向现代智慧农业转型的步伐越来越快，随着物联网、大数据以及现代通信技术在农业领域的快速渗透，在农业生产经营的各个环节，几乎都能够看到相关技术应用带来的巨大变化。智慧农业的发展，不仅在很大程度上提高了农业劳动生产力水平，同时还提高了社会资本、农业生产各类要素的利用效率，从整体上提升了现代农业发展的科技水平和竞争力[1]。智慧农业利用物联网以及现代通信技术等，构建了集农业生产环境监控与农业生产精准调节为一体的智慧农业生产经营系统，能够对不同类型的农业生产环境及不同农作物对象等进行持续动态监测，并通过农业传感设备感知农作物的生长环境相关的参数指标，例如对空气温湿度、光照等气象参数、土壤温湿度、电导率等土壤参数、植物茎秆果实生长参数、农作物病虫害情况等相关参数进行科学监测和数据分析，生产经营者能够根据分析结果与最优指标参考，随时调控农作物的生长环境，使其达到最优。智慧农业技术的快速发展，在很大程度上提高了农产品的品质，有助于提升农业生产经营市场竞争力。

1 智慧农业监控系统整体技术架构设计

智慧农业监控系统的技术架构，是实现其具体功能的技术支撑。在过去很长一段时间中农业监控系统的监控系统架构，主要是由感知层、传输层以及应用层三层子系统组成的基础技术架构。本研究对当前物联网时代大数据、人工智能等技术在农业生产经营管理方面的实际应用情况，并系统分析了农业智能化管理水平较低，数据分析缺乏以及数据处理不科学，提供的农业生产管理建议不合理等问题，在此基础上，设计了基于LoRa 技术的智慧农业监控系统。该系统相较于之前的系统技术架构，增加了数据层，整体上包括了感知层、传输层、数据层和应用层4 个方面。

在上述4 个基础技术架构的支撑下，智慧农业监控系统能够实现对农业生产经营管理全过程的智能化感知，进行数据的深度挖掘和分析处理，通过智能终端呈现更加形象和清楚的分析结果，让农业生产经营者通过远程智能操作就能进行相关控制和农业管理活动[2]。

感知层系统是基于LoRa 无线网络通信技术对农作物生长的基础环境信息和作物本体信息进行感知，例如土壤中的温度、湿度、电导率、pH 值、空气温度、湿度、太阳光照时长、辐射强度、降雨量、风速风向以及植物茎秆生长变化、果实生长变化、叶片温度等本体参数。同时可以在感知层系统中设置高精度摄像系统，还能够实现对植物生长图像信息的全天候监控和数据信息采集。在感知层采集到上述相关的信息后，通过传输层将数据信息传输到系统的云平台。应用层通过接收来自集中控制系统发来的各项操作指令，进而能够进行农作物的灌溉、施肥以及农药喷洒等作业。

传输层承担的是双向传输信息数据的任务，方向一是传输从感知层采集系统传来的数据信息，将其传输到智慧农业监控系统的数据层进行数据信息的存储和分析；方向二是将系统控制中心发布的指令信息传输到应用层，从而能够实现对农作物生长管理的远程智能化控制。

数据层是对数据信息进行集中智能化分析处理的核心应用系统，其主要是为智慧农业系统中的应用层提供数据计算分析服务。在接收到感知层传来的数据信息后，对其进行分类存储和相关的数据清洗，以及不同类别信息的一致化转化，从而让系统能够输出标准化的数据信息。数据层将处理标准化后的数据信息放置到数据存储模块中，借助人工智能大数据分析处理技术就可以实现对相关信息数据的挖掘和深度分析，根据应用层的实际需要进行相关信息数据的提供和传输。

应用层是整个智慧农业系统的终端控制系统，利用计算机终端、手机终端等设备，在上述三个系统的支持下，实现对农作物生长等各个环节的远程化监控，及时动态地跟踪和获取农作物的生长情况信息。用户借助应用层的专业应用软件上不同的功能，能够对农作物进行远程管理，如日常的灭虫、灌溉等，还可以与农业专家进行线上沟通交流，对农业病虫灾害进行问诊和咨询。

2 基于LoRa 技术的一体化集成数据采集基站

智慧农业监控系统的感知层设置不同功能的传感器，这些不同功能的传感器在日常工作状态下能够对农作物的生长环境数据进行感知和采集，其产生的数据信息量会很大。但是在上述数据信息的传输过程中，可能会由于传感器自身的故障或者是传输网络不稳定、信号弱等因素，导致采集到的数据精确度不够，而传输的数据也并不都是结构化的标准数据，还不能够直接放置到数据存储系统进行存储[3]。因此，在设计智慧农业监控系统时，需要对上述非结构化的数据信息以及有杂质和噪声的数据信息进行深度清洗，删除无效和不相关以及错误的数据信息，在将这些信息进行标准化处理后，才能进行存储和分析。本文在研究中基于LoRa 技术设计一种一体化集成数据采集基站，通过该基站，使得不同功能的传感器能够更加科学合理地集成在数据采集基站。这种设计能够在很大程度上减少传感器的投放数量，使设备的投入和运营成本变得相对较低，在提升系统智能化监控水平的同时，提高农业生产经营的效益。

具体来说，该集成采集基站在设计时，分为地上和地下两个模块。地上基站主要内置温度传感器、光照传感器以及高清成像采集系统等，分布在农作物生长环境的周围；地下基站模块内置土壤水分传感器、土壤酸碱度传感器等，这类传感器在地下，主要是对土壤环境的数据信息进行采集。这种基站地上和地下两个模块化结构集中了农作物生长监控的主要传感系统，大大降低了占地面积。基站通过LoRa技术进行通信和数据信息传输。这种设计的基站模式功耗相对较低，而且能够实现较远距离的通信。

3 对农作物数据信息进行挖掘和分析

在数据层系统将感知层收集到的相关数据信息进行统一标准化处理之后，就可以对数据进行存储和分析。基于LoRa 技术的智慧农业监控系统，在对数据信息进行挖掘和分析方面，运用分类、聚类等数据挖掘算法和基于神经网络的人工智能算法，对数据存储系统的农作物数据信息进行深度的挖掘和分析，能够实现对农作物病虫灾害的预警监控，农作物种植密度分析以及产量预测分析等，从而能够提高农业生产的智能化管理水平。例如，目前在农业生产中比较成熟的智慧农业监控系统，能够集植物AI 数据库、LoRa 芯片模组和云平台为一体，为农业企业提供智慧农业解决方案，支持多样化的物联网硬件设备，包括农业里常用的电磁阀、配电箱、电动门、过滤器、灯光等，并将这些设备本身的数据，以及传感器采集到的土壤温度、湿度、pH 值、氮、磷、钾等数据，基于LoRa 和通信网络传输到云平台。在云端，把采集到的植物生长大数据，与农科院的基础植物数据库进行对比修正，并结合农业生产经验的人工修正，形成最终的种植决策，通过LoRa 技术控制智能硬件和算法的执行。过程中，云端积累海量的数据以形成植物生长模型，这些数据可用于溯源、调用和指导生产作业。智慧农业解决方案可以帮助提高农业生产的效率，达到高效作业、降本增效以及病虫害预测等目的。

4 基于LoRa 技术的智慧农业监控系统案例分析

4.1 农作物智能环境控制案例

4.1.1 项目背景

我国冬季冷空气活动频繁，气温普遍低于0 ℃，风雪天气的出现，给农作物的种植和养护带来了一定难度。提高温度和二氧化碳，虽然会增加某些作物的产量，但许多杂草、害虫和真菌在温度升高、气候潮湿和二氧化碳升高的情况下，能够茁壮成长，将严重威胁作物。在该项目中，通过转变人工管养模式，用农业智慧微观小环境解决目前冬季无法正常种植作物瓶颈。以设计生产的主体集装箱，通过智慧控制平台实现理想的农业微观环境来控制植物生长的温度、湿度、排碳量等因素，营造理想的植物生长环境，造就高产量低成本的价值。

4.1.2 技术路径分析

利用LoRa 的信息感知和传输功能，收集和处理植物生长的AI 模型和采集的方舱内各种精准数据，在云平台对相关设备进行精准控制。面对冬季无法正常种植的瓶颈，使用农业智慧微观小环境转变人工管养模式，利用传感器采集土壤湿度、方舱温度、养分含量、pH 值、二氧化碳、空气温湿度、气压、光照强度等环境数据，基于LoRa 传输协议将数据上传到云平台，平台则根据环境数据实时调控温控系统、灌溉系统等，最后实现了在冬季做到高产量低成本的效果。在该项目中，通过对植物生长AI 模型和采集的方舱内各种精准数据，对相关设备进行精准控制，每6 m 6 层箱每6 d 收一茬，在提升产量的同时，降低人工成本、降低能耗及实现吸收大量的碳。

4.2 智慧农业无线灌溉系统

4.2.1 项目背景

水利是农业的命脉，传统的人工灌溉对于大面积种植来说，不仅浪费人力，而且不能准确地把握土壤水分的多少，这导致了不同程度上的灌溉不均匀和水资源的浪费。而通过设计基于LoRa 无线组网技术的智慧农业无线灌溉系统，能够极大程度提高农业灌溉效率，减少农业灌溉水资源浪费[4]。智慧灌溉，顾名思义是一种无需人工监控，自动感知灌溉需求信息，自动执行灌溉操作任务的一种自动化灌溉系统。对农业生产而言，智慧灌溉的推广和应用除了可以有效解决农业用水浪费问题，还是将“节水”口号化为行动的关键一环。有研究显示，智慧灌溉的水利用系数已从原来的0.6 提高到0.9。随着科技的进步，越来越多的新技术被应用到农业中，LoRa 无线组网技术就是其一。

4.2.2 技术路径分析

设计一套由LoRa 网关、传感器（气象传感器+土壤传感器）、灌溉阀门、农业测报云平台组成的系统。该系统主要将采集到的农业环境数据通过4G/以太网等方式上传到农业四情测报平台上，进行实时数据的查看及控制。

该套智慧农业无线灌溉系统运用了基于扩频通信的超远距离、低功耗LoRa 无线传输技术，对农业生产过程中的环境温度、环境湿度、光照强度、土壤温度、土壤水分等要素进行实时监控，分析处理传感器数据信息。将所设阈值或人为干预操作，作为灌溉设备运行的控制条件，实现智能化灌溉，改变了以往关于传输距离与功耗相矛盾的问题。LoRa 网关采用金属钣金外壳，自带屏蔽抗干扰功能，现场运行更稳定。网关可以配对32 个传感器和32 个控制阀，进行3 km 的传输。支持两路LoRa 通道同时通信，可设置两路不同的通信速率，确保近距离高速通信，远距离可靠通信，并采用特有加密技术确保不被监听、控制可靠，杜绝错误操作。

4.2.3 项目具有的优势

（1）LoRa 无线组网技术。LoRa 网络具有传输距离远，工作功耗低，组网节点多，抗干扰性强，低成本等特点。不仅避免了布线的不便，还提高了节水灌溉控制系统的灵活性。

（2）能够实现更加精准的灌溉。该系统可通过土壤传感器监测的数据、不同植物的需水规律和需水量为植物提供精准灌溉，智能控制灌溉设备适时适量地灌水。科学有效地控制土壤墒情，并进行合理调度，做到计划用水、优化配水，以达到节约生产成本、降低生产能耗、提高农产品产量和质量的目的。

（3）利用脉冲控制原理。通过脉冲信号控制灌溉阀门的开关，灌溉时不需要持续输出信号。既保证低功耗，又保证控制响应的及时性，采用LoRa 无线通信技术及低功耗技术，在保证最长3 年的电池寿命的基础上，能够做到2 s 内从手机APP 控制到阀门的开关，一天开关4 次。

（4）实现了智能化控制。为了方便客户使用，该项智慧农业无线灌溉系统提供手动控制、自动控制、定时控制3 种灌溉控制模式。用户可通过我们提供的农业四情测报平台，根据传感器数据来做阀门的自动控制[5]。智慧农业无线灌溉系统运行操作简便，维护方便，无需布线。农业四情测报平台，兼具PC端和手机端（微信端公众号、小程序以及APP），管理人员可随时随地远程实时查看和控制，支持数据实时监测、历史数据查询/导出、超限报警等功能。