基于ZigBee和LoRa的麥田監控系統

周一振

摘 要：為提高小麥產量和對燃燒秸稈的管控效率，避免麥田火災及不科學使用化肥引起的環境污染，文中設計了一款基于ZigBee和LoRa的麥田監控系統。該系統將ZigBee、LoRa和GPRS技術應用到麥田監控中，通過終端對麥田土壤必要微量元素、麥田火災及燃燒秸稈進行監控，將監測數據和超限報警信息上傳給監控中心和麥田負責人。該系統為麥田科學管理提供了數據依據，提高了管理效率。

關鍵詞：ZigBee；LoRa；GPRS；麥田監控

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）12-00-02

0 引 言

我國是小麥種植大國，在麥田管理過程中，存在麥田火災、燃燒秸稈及過量使用化肥引起土壤環境問題等現象。近年來，物聯網技術的快速發展和應用[1，2]，為解決上述問題提供了有效方法。

ZigBee技術的通信距離較短，且組網復雜[3]。LoRa技術通信距離較遠，主要采用星型輪詢組網結構[4]，組網簡單。通用分組無線業務（General Packet Radio Service，GPRS）是基于GSM的一種新型數據處理業務，也被描述為2.5G，具有傳輸速率高、接入時間短等特點[5]。由于麥田面積比較大、監測點多，若只使用ZigBee和GPRS技術，組網較為復雜[6]；若只使用LoRa和GPRS技術，將會因通信范圍內部署節點較多而導致輪詢獲取信息的速度較慢。因此，將上述三種無線通信技術相結合，形成分層系統結構。麥田監控系統可在麥田科學管理、麥田火災報警及燃燒秸稈管控方面發揮積極作用。

1 系統總體架構

該系統主要由ZigBee終端、ZigBee-LoRa采集器、LoRa-LoRa中繼器、LoRa-GPRS集中器組成。

由ZigBee終端采集麥田信息，并將采集到的麥田信息傳送到ZigBee-LoRa采集器，ZigBee-LoRa采集器將接收到的信息傳送到LoRa-GPRS集中器。若距離較遠，則可以使用LoRa-LoRa中繼器，實現遠距離傳輸。集中器將報警信息通過基站傳送至麥田負責人，并可將麥田信息通過Internet上傳給監控中心。麥田監控系統如圖1所示。

2 系統硬件結構圖

2.1 ZigBee終端

ZigBee終端主要用于采集多麥田信息，其結構如圖2所示，包括電源模塊、交互模塊、主控芯片MSP430F169、ZigBee通信模塊及煙霧傳感器等。

微量元素和水分對小麥產量有著重要的影響[7]，而濫用肥料將會造成土壤污染[8]。麥田火災不僅會造成生命財產損失，且燃燒秸稈對空氣亦會造成污染。因此，本文設計的系統主要對微量元素、水分、煙霧進行監測。為防止煙霧傳感器被誤認為遭到遮擋，特增加了對煙霧傳感器遮擋的監測。

2.2 ZigBee-LoRa采集器

ZigBee-LoRa采集器的結構如圖3所示，包括電源模塊、主控芯片MSP430F169、交互模塊、ZigBee通信模塊、LoRa通信模塊及GPS模塊。

當ZigBee通信模塊完成對ZigBee終端信息的采集后，由LoRa通信模塊將采集到的信息上傳到LoRa-GPRS集中器或LoRa-LoRa中繼器，全球定位系統（Global Positioning System，GPS）[9]為麥田監控系統提供位置信息。由于ZigBee通信距離較近，因此，在ZigBee-LoRa采集器中應用GPS模塊即可滿足采集信息的位置要求，同時大大節省了成本。

2.3 LoRa-LoRa中繼器

LoRa-LoRa中繼器的結構如圖4所示，包括電源模塊、交互模塊及LoRa通信模塊。對于距離大面積麥田相對較遠的孤立麥田，為減少GPRS模塊的使用，可以通過LoRa-LoRa中繼器對信號進行復制、放大，保證LoRa-GPRS集中器可以不失真地接收到信號。

2.4 LoRa-GPRS集中器

LoRa-GPRS集中器的結構如圖5所示，包括電源模塊、LoRa通信模塊、交互模塊及GPRS通信模塊。LoRa通信模塊用于接收LoRa-LoRa中繼器和ZigBee-LoRa采集器上傳的信息，GPRS通信模塊將LoRa-GPRS集中器收到的信息上傳給基站。監控中心可以通過Internet遠程獲取信息[10]，且用戶可以短信查詢和接收報警信息。

3 結 語

本文設計的基于ZigBee和LoRa的麥田監控系統可以為小麥的種植和管理提供數據信息，提升對麥田火災監測和對燃燒秸稈監管的管理效率，能夠在第一時間發出報警信息，減少因燃燒秸稈造成的空氣污染和降低因麥田火災造成的生命財產損失。該監控系統的使用將會降低工作人員的勞動強度，大幅提升管控效率。

參考文獻

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