基于LoRa的節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計與研究

王玖林，趙成萍，嚴(yán) 華

(四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，成都 610065)

我國作為一個幅員遼闊的農(nóng)業(yè)大國，降雨量在時間和空間上是極其不均勻的。在自然狀況下，土壤中的水分并不能滿足農(nóng)作物的需求。在一些干旱缺水的地方或者是需要進行大面積灌溉的平原地帶，先進的灌溉技術(shù)就顯得格外重要。近些年基于ZigBee技術(shù)的節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展得非常快速，但是由于ZigBee技術(shù)通信頻率高，信號在傳輸過程中衰減的非常快，同一頻段的藍牙、WiFi信號的使用，導(dǎo)致ZigBee傳輸距離短[1]、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易受干擾。LoRa是一種基于擴頻技術(shù)的超遠距離無線傳輸技術(shù)，擁有超高接收靈敏度(RSSI)和超強信噪比(SNR)，因而具有較強的抗干擾能力。同時，LoRa的遠距離通信也大大減少了中繼的使用，節(jié)約了成本。為此，論文設(shè)計了一種基于LoRa技術(shù)的節(jié)水灌溉系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成及功能

系統(tǒng)總體撲朔結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要可分為LoRa終端節(jié)點、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器、移動終端4個部分。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來看，系統(tǒng)可分為三層。第一層為LoRa終端節(jié)點與網(wǎng)關(guān)組成的LoRa網(wǎng)絡(luò)，每一個符合LoRaWAN協(xié)議的終端都能與符合LoRaWAN協(xié)議的網(wǎng)關(guān)直接通訊，從而實現(xiàn)互通互聯(lián)。第二層為網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器之間的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)。第三層為服務(wù)器與移動終端之間的3G/4G網(wǎng)絡(luò)。

終端節(jié)點采集土壤墑情、溫濕度、水壓，控制電磁閥的開啟與關(guān)閉，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)[2]。網(wǎng)關(guān)位于LoRa星形網(wǎng)絡(luò)的核心位置，是終端和服務(wù)器間信息的橋梁，也是多信道的收發(fā)機。服務(wù)器是網(wǎng)絡(luò)的大腦，進行數(shù)據(jù)處理以及控制反饋。一方面它提供終端節(jié)點接入鑒權(quán)、網(wǎng)關(guān)接入鑒權(quán)、數(shù)據(jù)傳輸、協(xié)議解析等網(wǎng)絡(luò)管理功能；另一方面根據(jù)由終端傳回的土壤墑情以及收集到的氣象信息并結(jié)合作物的需水規(guī)律，以自動的方式控制灌溉系統(tǒng)，對作物進行較為精準(zhǔn)的灌溉。

用戶可以通過移動終端隨時隨地掌握土壤墑情以及相關(guān)氣象信息，必要時也可遠程進行下行控制，對作物進行灌溉。

由于現(xiàn)代化的灌區(qū)面積非常大，因而一般采取集中操作監(jiān)控、離散分布工作的方式協(xié)同優(yōu)化灌溉系統(tǒng)的設(shè)計和管網(wǎng)的分布，從而提高每個子灌區(qū)的灌水效率，降低成本，提高效益[3]。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2 LoRaWAN協(xié)議

LoRa是物理層傳輸技術(shù)，LoRaWAN是在LoRa物理層傳輸技術(shù)基礎(chǔ)上的以MAC層為主的一套協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。這一技術(shù)可以為電池供電的無線設(shè)備提供區(qū)域、國家或全球的網(wǎng)絡(luò)。LoRaWAN瞄準(zhǔn)了物聯(lián)網(wǎng)中的一些核心需求，如安全地雙向通訊、移動化和本地服務(wù)。該技術(shù)無須本地復(fù)雜配置，即可以讓智能設(shè)備實現(xiàn)無縫互操作性，給物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的用戶、開發(fā)者和企業(yè)自由操作權(quán)限。相對于僅使用LoRa物理層的傳輸方式，使用標(biāo)準(zhǔn)的LoRaWAN協(xié)議具有兼容性好、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全性好、特性不斷升級等優(yōu)勢。

(1)LoRaWAN數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。上行鏈路信息由終端節(jié)點發(fā)送，經(jīng)由網(wǎng)關(guān)中轉(zhuǎn)后由服務(wù)器接收。上行鏈路信息幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中包含了前導(dǎo)碼(Preamble)、物理幀頭(PHDR)、循環(huán)冗余校驗的物理幀頭(PHDR_CRC)、有效負(fù)荷(PHYPayload)、循環(huán)冗余校驗(CRC)。

PreamblePHDRPHDR_CRCPHYPayloadCRC

圖2上行鏈路物理幀結(jié)構(gòu)

下行鏈路信息由服務(wù)器發(fā)送經(jīng)由網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)后發(fā)送給具體的某一個終端設(shè)備,下行鏈路比上行鏈路少了循環(huán)冗余校驗CRC，下行鏈路物理幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

PreamblePHDRPHDR_CRCPHYPayload

圖3下行鏈路物理幀結(jié)構(gòu)

理論上LoRa模塊能發(fā)射或接收的字節(jié)數(shù)為256字節(jié)。但是，并不是在任何傳輸速率下LoRa模塊的負(fù)載長度都能為256字節(jié)。在傳輸速率較低的情況下，一次傳輸256字節(jié)將會花費很長時間，這不利于交互和抗干擾，因此在技術(shù)處理上一般將一條長數(shù)據(jù)分割成數(shù)條小數(shù)據(jù)來進行傳送。

(2)信息傳輸模式。LoRaWAN協(xié)議主要分為3種傳輸模式[4]，分別是Class A、Class B以及Class C。Class A是每一個使用LoRaWAN協(xié)議的終端都必須要實現(xiàn)的，三種傳輸模式都支持雙向通信，但是在功耗與下行鏈路的實時性上又有很大的不同。

A類傳輸模式(Class A)在三種傳輸模式中功耗最低，但是它的缺點在于終端設(shè)備任何時候與服務(wù)器的下行通信都只能是在上行通信之后。在每一次上行通信之后，終端設(shè)備會打開兩個接收窗口，用以接收服務(wù)器的下行數(shù)據(jù)。接收窗口固定，但可以進行微調(diào)，因此服務(wù)器不能主動地將A類傳輸模式的終端設(shè)備激活。

B類傳輸模式除了在預(yù)設(shè)的時間內(nèi)開放A類傳輸模式中所述的兩個接收窗口以外，還會開放其他的接收窗口，用以接收服務(wù)器下發(fā)的相關(guān)信息，這些接收窗口被稱之成為“Ping Slot”。并且這類傳輸模式支持下行Beacon信號保持和網(wǎng)絡(luò)的時間同步，以便在下行調(diào)度的時間上進行信息監(jiān)聽。對于一個終端支持Class B的網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)需要向終端設(shè)備廣播一個攜帶時間參考信息的Beacon。基于這個時間參考信息，終端設(shè)備就能在約定的時間內(nèi)周期性打開接收窗口。在下行通信開始的時候，網(wǎng)絡(luò)還可以使用這些接收窗口中的一個初始化下行鏈路，這個接收窗口特定稱為“Ping”。

C類傳輸模式持續(xù)地打開接收窗口，僅在上行鏈路時關(guān)閉。C類傳輸模式不考慮功耗，適用于大量下行數(shù)據(jù)的應(yīng)用情形[5]。

至于本文的設(shè)計采用何種傳輸模式，下文有詳細(xì)的論述，這也是本文研究的一個重點。

1.3 終端節(jié)點設(shè)計

設(shè)計的終端節(jié)點如圖4所示。

圖4 終端節(jié)點結(jié)構(gòu)示意圖

其中使用STM32F103ZET[6]作為主控芯片，該芯片是基于ARM 32位的cortex—M3架構(gòu)的微處理器，最高72MHz工作頻率，內(nèi)置512K字節(jié)大容量存儲器以及高速SRAM。LoRa射頻部分的芯片是SX1278。這類芯片集成規(guī)模小、效率高，為LoRa無線模塊帶來高接收靈敏度。

傳感器組主要包括溫濕度傳感器、土壤墑情傳感器、水壓傳感器三種。控制芯片需加入傳A/D轉(zhuǎn)換電路，對傳感器所采集到的信號送到控制器進行處理。控制器將處理后的數(shù)據(jù)打包成數(shù)據(jù)幀經(jīng)由LoRa射頻模塊發(fā)送出去。在微處理器控制需在SRAM空間設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)以暫存無法轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)信息，且轉(zhuǎn)發(fā)信息遵循隊列原則。節(jié)點采用電池供電，為了最大限度地降低用電量，節(jié)點空閑時，無線模塊進入休眠模式。

微控制既轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，也通過LoRa射頻模塊接收服務(wù)器下發(fā)的控制命令，并控制電磁閥對作物進行灌溉。終端節(jié)點、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器、移動終端之間的數(shù)據(jù)交互如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)流圖

其中終端節(jié)點采集土壤溫濕度、墑情、水壓等信息經(jīng)由網(wǎng)關(guān)透傳后上傳給服務(wù)器，服務(wù)器結(jié)合獲得的氣象信息得到作物的需水信息供用戶查看并且對這些信息做出綜合分析，制作灌溉計劃下發(fā)控制命令對作物進行灌溉。移動終端可通過APP隨時隨地掌握作物的需水信息，必要時也下發(fā)控制命令經(jīng)由服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)給終端節(jié)點。

1.4 網(wǎng)關(guān)設(shè)計

LoRa網(wǎng)關(guān)部分可采用SX1301芯片，該芯片具有比SX1278芯片更高的集成度、更高的信道數(shù)。單個SX1278芯片擁有8個上行信道和一個下行信道。采用SX1301作為核心開發(fā)出的網(wǎng)關(guān)，可與許許多多的LoRa模塊構(gòu)成多節(jié)點的復(fù)雜的物聯(lián)自組網(wǎng)。

1.5 節(jié)點通信過程

節(jié)點通信過程一般可以分為節(jié)點激活、加入網(wǎng)絡(luò)、傳輸數(shù)據(jù)三個過程，激活后終端設(shè)備將存儲4種信息，分別是設(shè)備地址、應(yīng)用識別、網(wǎng)絡(luò)進程密鑰、應(yīng)用進程密鑰。在LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)通過相應(yīng)的MAC命令完成，節(jié)點首先給服務(wù)器發(fā)送Join Request信息，網(wǎng)關(guān)收到節(jié)點數(shù)據(jù)，便上傳給服務(wù)器。服務(wù)器收到入網(wǎng)請求，同意節(jié)點入網(wǎng)，并且將設(shè)備進行注冊，生成通信密鑰，將通信密鑰的參數(shù)打包下發(fā)給網(wǎng)關(guān)即Join Accept信息。網(wǎng)關(guān)收到數(shù)據(jù)，下發(fā)給節(jié)點允許入網(wǎng)。若節(jié)點成功收到Join Accept 命令，則表示入網(wǎng)成功，此后節(jié)點將進行鏈路檢查，確認(rèn)鏈路是否正常。鏈路檢查過程由相應(yīng)的MAC命令完成，若不正常將進行重復(fù)檢查。鏈路正常后便可以進行數(shù)據(jù)發(fā)送了，如果發(fā)送的數(shù)據(jù)需要確認(rèn)，那么接收端將會發(fā)送確認(rèn)信息給發(fā)送端。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 混合傳輸模式

在無線通信的設(shè)計中有一個很矛盾的地方，一方面為了降低功耗，希望節(jié)點盡可能的處于休眠狀態(tài)，正如上文所介紹的A類傳輸模式；另一方面為了減少通信延時，要求服務(wù)器能盡可能快的喚醒節(jié)點，正如上文介紹的C類傳輸模式。而緩解該矛盾的辦法就是約定喚醒、時鐘同步。

在節(jié)水灌溉系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的采集頻率遠遠高于下行控制的頻率。如果為了提高下行控制的實時性，而節(jié)點使用C類傳輸模式浪費大量功耗，顯然是不合理的。況且農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域野外供電極為不方便，一般都使用電池供電，因此應(yīng)該盡可能地延長電池的更換周期。如果使用A類傳輸模式，顯然功耗極大地降低了，但是當(dāng)服務(wù)端想要對節(jié)點進行控制時，又不能進行主動的激活，節(jié)點僅在一次上行數(shù)據(jù)之后打開兩個短暫的接收窗口。

為了使服務(wù)器能夠知道節(jié)點正在監(jiān)聽(打開接收窗口的時間)，節(jié)點可以與服務(wù)器進行約定。對于工作于A模式(Class A)的節(jié)點，服務(wù)器并不能主動與其進行約定，何時進行約定只能由節(jié)點自己決定。節(jié)點還可以確定打開的時間窗口長度。顯然在正是LoRaWAN協(xié)議中B類傳輸模式所采用的方法。

LoRaWAN協(xié)議允許一個節(jié)點從A類傳輸模式切換到B類傳輸模式即從Class A切換到Class B，切換的過程如下：

首先節(jié)點的應(yīng)用請求LoRaWAN協(xié)議棧切換到Class B，然后協(xié)議棧開始搜索網(wǎng)關(guān)發(fā)送的Beacon(信標(biāo)幀)，如果搜到Beacon，則返回BEACON_LOCKED原語，否則返回BEACON_NOT_FOUND原語。Beacon是一個攜帶時間參考信息的信標(biāo)幀。基于這個時間參考信息，節(jié)點就能在約定的時間內(nèi)周期性打開Ping Slot(接收窗口)，服務(wù)器也能知道在約定的時間內(nèi)節(jié)點正在監(jiān)聽。節(jié)點根據(jù)自身的應(yīng)用需求，選擇喚醒通信的時隙和接收窗口的時間長度。

因此可以讓節(jié)點工作于A類傳輸模式，必要時再切換到B類傳輸模式，待服務(wù)器完成控制后再回到A類傳輸模式。

接下來節(jié)點選擇何時與服務(wù)器進行約定即何時從Class A切換到Class B便成了關(guān)鍵，理論上何時約定由服務(wù)器決定，因為它決定著下行控制的時間。實際上服務(wù)器下行控制是通過采集到的土壤墑情并結(jié)合作物需水信息和相關(guān)氣象信息以決定作物灌溉計劃。

事實上這些因素中對灌溉計劃起主要作用的土壤墑情、溫濕度、水壓等終端節(jié)點可直接經(jīng)過相關(guān)傳感器采集得到，因此終端節(jié)點可根據(jù)采集到的土壤墑情、溫濕度和預(yù)置的作物生長需水信息，確定與服務(wù)器的預(yù)約時間，并在預(yù)約時間到達后(從Class A切換到Class B)向服務(wù)器傳送采集到的土壤墑情、溫濕度和水壓等信息并打開接收窗口，等待接收服務(wù)器下發(fā)的控制命令。服務(wù)器接收終端節(jié)點上傳的土壤墑情、溫濕度、水壓等信息，結(jié)合氣象信息和作物生長需水信息，確定灌溉計劃，并向終端節(jié)點下達灌溉命令(此時接收窗口打開著)和下一次的預(yù)約時間。完成一次控制反饋后節(jié)點將回到Class A，并在下一次預(yù)約時間重復(fù)上述過程。

顯然這種A、B混合傳輸模式的使用避免了單獨使用具有高功耗的C類傳輸模式，也可解決節(jié)點單獨使用A類傳輸模式所面臨的節(jié)點激活問題。由于灌溉模式是基于服務(wù)器的綜合分析、精準(zhǔn)預(yù)測，因此系統(tǒng)可在功耗和實時性之間很好地平衡。

2.2 喚醒誤差

理想情況下，服務(wù)端與終端節(jié)點能在精確地時間完成喚醒通信，但是由于終端節(jié)點與服務(wù)器之間約定時間是通過時鐘進行同步的。設(shè)備的時鐘都有漂移，如+/-10 ppm的晶振128 s內(nèi)將漂移+/-1.3 ms，Gateway由GPS秒同步校準(zhǔn)，而End Node則靠Beacon幀中的時間值來校準(zhǔn)，實際運行中，End Node可能會因為某些原因(無線干擾、通信擁塞等)而接收不到Beacon。在這種情況下，LoRaWAN允許該End Node繼續(xù)運行120 min(2 h)，同時允許End Node延伸ping slot時間窗口長度，以便緩解時鐘漂移帶來的誤差。

3 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)的基于ZigBee技術(shù)的節(jié)水灌溉系統(tǒng)的缺點，提出基于LoRa的節(jié)水灌溉系統(tǒng)，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)信息采集和節(jié)水灌溉控制提供有效的實現(xiàn)手段[7]。相比于ZigBee技術(shù)，LoRa技術(shù)具有明顯的低功耗、遠距離、網(wǎng)絡(luò)撲朔結(jié)構(gòu)簡單等特點。同時，給出的混合傳輸模式可很好地平衡終端節(jié)點功耗和系統(tǒng)的實時性。

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