基于LoRa通信技术的智能控制节水灌溉系统

雷万荣，魏 堃，杨 超，孙国亮，杨德军

（武威职业学院，甘肃 武威 733000）

国家统计局发布的相关数据和报告中指出，我国用水量最大的产业为农业[1]。如何提高农业水资源的利用率，已经成为政府管理部门关注的重点内容。由于传统农业灌溉采用粗放式的漫灌，或者根据农作物的生长时期凭借经验进行沟灌，农业水资源的有效利用率＜50%，造成了水资源的严重浪费。此外，传统灌溉模式没有考虑不同生育期的作物需水量，极易引发农作物产量和质量的下降[2]。针对我国农业用水量大且水利用系数低、用水精细化程度低等问题，许多地方采用了喷灌、滴灌、膜下灌溉、渗灌等技术，来提高水资源的利用率[3]。文章针对大面积无覆盖的广袤区域灌溉，基于LoRa通信技术，拟构建智能控制节水灌溉系统。该系统利用彭曼公式进行区域内灌溉量的预测并将灌溉指令传输至上位机，上位机接收到灌溉指令后通过无线电台完成区域内电磁阀的开启和停止，从而完成自适应地智能控制。

1 系统总体设计

基于LoRa通信的无线电台控制智能节水灌溉系统中决策系统主要由上位机、灌溉决策系统、无线控制系统3个模块组成。其中上位机可以完成灌溉决策系统中参数的设置，并与灌溉决策系统进行信息传输；灌溉决策系统主要以单片机为控制核心，外加其他外围部件，主要是通过各种传感器获取灌溉区域内的环境参数，并经过彭曼公式计算出灌溉量，并下达灌溉指令；无线控制系统用于接受上位机传输来的灌溉指令，并将指令经无线传输后下达各灌溉区域内的电磁阀，从而完成精准灌溉。

2 灌溉决策控制设计

基于LoRa通信的无线电台控制智能节水灌溉系统主要包括前向采集输入模块、单片机控制核心模块、后向反馈输出模块、人机交互通信模块、信息交互通信模块。其中前向采集输入模块主要完成灌溉区域内环境参数的采集转换；单片机控制核心模块是整个决策系统的大脑，主要用于分析采集的环境参数，并根据彭曼公式计算出灌溉区域内的需水量，并将灌溉指令通过485通讯输出至上位机；后向反馈输出通道主要是用于控制本系统中的电磁阀的开启和停止；人机交互模块在本系统中采用触摸屏来实现，主要完成采用彭曼公式预测灌溉需水量时所选用的灌溉区域内最适宜的参数设置；信息传输模块主要指灌溉决策系统和上位机之间的通讯接口。

2.1 单片机控制核心模块

在进行本系统总体方案设计后，需要根据控制系统的功能选择核心元器件的型号参数，可选方案有以下几种。一是STC51系列单片机：优点为网络学习资源丰富，入门较快，学习成本较低。但对于数据量存储较大的应用模块存储空间不够用，不利于系统的后续扩展。二是STM32系列单片机：优点为外部通用I/O接口资源丰富，存储器容量大。单片机内部包含有全双工异步串行传输口、并行输入输出口、复位电路、内部时钟电路等，可以满足复杂应用系统的开发。

对比应用系统的功能、应用场合及扩展需求、数据存储需求等，本研究最终选用了体积小、可嵌入的低功耗型的STM32系列单片机。单片机控制核心模块主要用编写的程序分析采集的温度、湿度、光照度，并利用彭曼公式计算出区域内的灌溉需水量，然后将灌溉指令上传至上位机，上位机经无线扩频通讯传输至无线电台，最终由无线电台将灌溉指令下达至电磁阀完成灌溉的启动和停止。

2.2 前向采集输入模块

主要包括对灌溉区域内的温度、湿度、光照度数据的采集的各类传感器。其中温度、湿度的监控采用数字温湿度变送器，光照度监控采用低电压低功耗的光照度变送器。

2.2.1 温湿度变送器

温湿度变送器用于获取灌溉区域内的环境空气温度、相对湿度数据。测量温湿度采用的数字传感器为高精度的温湿度变送器。该传感器接线方便，只需要正确连接4根线路即可采集温湿度信号，采集的信息采用485通讯线传输。

2.2.2 光照度变送器

光照度变送器用于获取灌溉区域内的光照度数据，具有较高的防水防尘等级，较强的耐恶劣环境能力、耐紫外线辐照，采用直流小电压供电，功耗小，保证在高辐射的工作环境下有较长的使用寿命。

2.3 后向输出反馈模块

本系统中后向通道主要指控制灌溉的电磁阀设备。当电磁阀接收器收到无线电台传输的来的控制信号后，电磁阀线圈会出现得电或失电情况，影响开关状态，控制灌溉系统的启停。

2.4 人机交互通信模块

本系统人机交互模块采用触摸屏来设定灌溉区域最佳修正系数。因不同的作物在不同季节、不同生长周期下所需的温度、湿度、光照度存在较大的差异。因此需在不同季节选择不同的修正系数，以保证计算出作物所需的最佳灌溉量。

2.5 信息交互传输模块

信息传输模块主要由各种通讯接口组成，有串行传输接口和并行传输接口，包括触摸屏与单片机控制核心模块的信息传输、灌溉决策系统和上位机之间的通信。

3 无线电台控制系统

无线电台控制系统主要用于灌溉决策指令的下达。

3.1 电磁阀工作系统

电磁阀工作系统主要由电磁阀供电装置、电磁阀无线信号接收器、电磁阀本体组成。

3.1.1 电磁阀供电装置

电磁阀供电装置采用太阳能供电，主要包括太阳能光伏组件、蓄电池、光伏控制器。其中光伏控制器包含有最大功率点跟踪（MPPT）功能，可以保证太阳能光伏组件工作在最佳状态。光伏控制器主要用于控制蓄电池的充放电，同时具有夜间防反充保护和组件极性反接保护功能。蓄电池主要用于存储小型分布式光伏系统中多余的电能，同时由于光伏发电受环境制约因素较多，在夜间以及阴雨天气发电不足时，可以采用蓄电池给电磁阀和无线信号接收器供电。

3.1.2 电磁阀无线信号接收器

无线信号接收器和光伏控制器连接，当接收到无线电台传输来的信号后，会将信号传输给光伏控制器，控制电磁阀的线圈。

3.1.3 电磁阀本体

电磁阀作为工业控制领域内的一种关键执行机构，在市场上占有一定的地位。常见的电磁阀有直动式电磁阀、先导式电磁阀和分步直动式电磁阀3类。电磁阀的启停需用无线电信号控制，并且控制系统需要保证在低压状态下可以精准测定灌溉量。因此系统选用可以应用于低压甚至负压场合的直动式电磁阀。

3.2 无线电台

3.2.1 LoRa无线扩频技术

与传统的数字信号传输理念不同，LoRa无线扩频技术指用远大于信号本身的带宽去传输信息。因此，携带相同能量的信号在更大的带宽范围内传输会使得信道内的信号噪声比更低，这样传输的信号受到外部信号干扰和误码率随之降低。LoRa无线扩频技术即牺牲带宽来换取信号信噪比以此来提高信号传输的可靠性，同时可以使在远距离信号传输前提下保证设备的功率较低。对于选定的无线电台，其工作频谱范围较窄，显然频段不够用。因此，此系统中无线电台和电磁阀之间的通信采用时分多址的方式进行控制，即所有接收器和电台通信时采用相同的频率，在时间上轮流占用信道进行数据的传输，这样可以实现高效率的频谱利用率，并且可以降低设备成本，但这样会使得电台需要不停地扫描各个接收器的收发数据状态，导致电台运算量较大。

3.2.2 无线电台选型

无线电台在使用时需要考虑其传输距离、数据传输的误码率、传输速率、天线的架设、接口类型等因素。在本系统中，无线电台工作于地面全覆盖无遮挡的广袤草原地区，因此不存在被墙体遮挡而导致传输距离下降的风险；LoRa无线通信采用扩频技术，为防止在出现电磁干扰时造成电台信息干扰、通信故障或系统崩溃，上位机发送来的决策指令转换后的数字信号需要经过加密后传输至无线电台，在电磁阀接收器经过解密后得到正确的灌溉指令；无线电台的传输速率和传输距离之间存在相悖的关系，在要求传输距离大的前提下，一般会选择较低的波特率，而波特率的降低势必会导致传输速率变慢，这样会导致接受端信息接收的延时会加大。但对于本系统，开启、停止电磁阀的控制传递的数据量很小，时延是在可以接受的范围之内；无线电台的天线架设高度和传输距离相关性很大，应尽可能高一点，但需做好防雷保护工作。

4 软件设计

基于LoRa通信的无线电台控制智能节水灌溉系统其控制流程，见图1。

图1 决策中心执行流程图Fig.1 The execution flow chart of decision center

本系统中灌溉区域内的蒸发量ET采用联合国粮农组织公布的彭曼公式计算得到，彭曼公式在计算蒸发量时只考虑了天气因素，但实际中的蒸发量还要受到地表的实际作物的生长情况、生长周期等影响。因此需要对计算蒸发量进行修正得到每日实际蒸发量ETc，其中作物系数K根据季节不同，植物生长周期不同选择不同的值。

利用彭曼公式计算出实际蒸发量后，若忽略某段时期土壤内地下水补给量、土壤湿润层增加而增加的水分保有量，根据土壤得到的水分和被消耗和蒸发、流失的水分守恒，便可计算区域内实际的灌溉需水量Q。

灌溉决策指令的下达还需要考虑未来一天的降水量H。若未来一天降水量H大于实际蒸发量ETc，则无需下达灌溉指令即灌溉需水量Q=0；若未来一天降水量H小于实际蒸发量ETc，则灌溉需水量Q为：

无线电台接收到灌溉指令后，通过无线传输发送信号至灌溉区域接收端，从而使相应的电磁阀进行开关和通断；同时在电磁阀开启或停止后，接受器将信号反馈至电台。电磁阀工作过程，见图2。

图2 电磁阀执行流程Fig.2 The solenoid valve execution process

决策中心进行分析后形成灌溉控制指令，再通过无线网络将控制信号发送到灌溉区太阳能电磁阀执行系统，当某个电磁阀无线信号接收器接收到控制中心的电台发出的控制信号时，接收器将控制信号经解密后根据指令决定电磁阀阀口打开或关闭，从而完成区域灌溉。

5 结语

文章提出了一种基于LoRa通信的无线电台控制智能节水灌溉系统，对于大面积无覆盖的广袤区域灌溉，可根据作物生长情况智能控制灌溉量并能有效的提高用水效率。