基于擴頻通信的農田自動灌溉系統設計與試驗

劉松陽， 趙全明， 范書瑞， 韓 齊， 張立娟

(河北工業大學電子信息工程學院，天津 300401)

水資源是一切生命賴以生存的源泉，伴隨著經濟的高速發展，人類對水資源的需求也日益增大。我國在世界水資源的占有量已經達到6%，但因我國人口眾多導致實際的水資源人均占有量卻較為短缺[1]。我國作為一個傳統的農業大國，每年的農業用水占全國總用水量的63%以上[2]?，F階段水資源短缺已經嚴重影響農業的生產，節水灌溉迫在眉睫。隨著“精準農業”的提出，人們越來越重視把現代科學技術與農業技術相結合，用以提升農業生產的效率，減少浪費[3]。

為節約水資源、提高農作物產量，農田自動灌溉系統應運而生?，F有的農田灌溉系統中，一部分采用自動化滴灌技術可以實現一體化滴灌，但裝置不能采集農田相關信息，無法為滴灌提供科學的參照[4-5]。還有一些系統加入DTW-ILC、KcET0優化算法等雖然在理論上可以更好地實現節水灌溉，但針對不同農作物、不同生長期的參數不同，在實際操作中可行性較低[6-7]。土壤濕度是衡量農作物需水量的一個重要參數，通過控制不同時期的土壤濕度在固定的范圍內，一方面可以確保農作物在最適宜的環境下成長，另一方面也節約了水資源?，F有的農田信息采集設備運用3G、ZigBee等無線傳輸技術和ARM(advanced RISC machines)嵌入式技術，從而可以精準地實現農田環境信息的采集與無線傳輸[8-10]。但在大型農田中，這些系統存在著傳輸距離較短、操作復雜、功耗較高以及同頻干擾等缺點。針對上述問題，系統采用最新的LoRa擴頻通信技術、嵌入式技術、自動化滴灌技術、人機交互技術等，設計一套農田自動灌溉系統。

1 關鍵技術介紹

大型的農田覆蓋面積一般都很大，當采集數據進行無線傳輸時，隨著距離的增加，噪聲干擾也會不斷地增大，有用的信號很難在噪聲中提取，這就導致系統信噪比很低。為解決這個問題，系統采用擴頻通信技術[11]。根據信息論中的香農信道容量公式：

(1)

式中：C表示信道容量，b/s；B表示信道帶寬，Hz；S表示信號功率，W；N表示噪聲功率，W。

當S/N很小時，由式(1)得到式(2)：

(2)

(3)

由式(1)可以看出，如果要增大系統的信息傳輸速率即增加信道容量C，可以通過增加傳輸信號的帶寬B或增加信噪比S/N來實現。由式(3)可以看出，當信道容量C固定時，增大信道帶寬B，則信噪比S/N降低，即可以通過增大帶寬來降低系統對信噪比的要求。擴頻通信就是用寬帶傳輸技術來換取信噪比上的好處，這就是擴頻通信的基本思想和理論依據。

LoRa(long range)擴頻通信技術是美國Semtech公司提出的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案。LoRa融合了數字擴頻、數字信號處理和向前糾錯技術。與傳統的無線傳輸方式相比，其特點如表1所示[12]。由此可以看出，LoRa非常適合于低功耗、數據量較小、網絡覆蓋面積大的無線傳輸系統[13-14]。在農田系統中，LoRa擴頻技術可以更好地實現精準農業的要求。

2 農田自動灌溉系統總體設計

農田自動灌溉系統主要由農田信息采集控制、農田信息傳輸、農田信息查詢監測等3個部分組成(圖1)。在農田信息采集控制部分中，傳感器組負責采集土壤濕度等農田環境信息。當信息采集完畢后，比較采集的土壤濕度數值是否低于初始化設定的閾值下限，當低于下限則打開電磁閥控制農田滴灌；當高于初始化閾值上限時，則關閉電磁閥，停止滴灌。

表1 無線傳輸技術對比

通過設定農作物生長各個階段最適宜的土壤濕度，可以進行有效的農田滴灌，最大化地利用水資源，確保農作物更好地生長。

在傳輸部分中，終端節點將采集的數據一起打包等待傳送到匯總節點，當收到匯總節點發送的請求信息后，通過LoRa調制技術，進行數據無線傳輸。

在監控部分中，當收到LoRa網絡傳輸的農田信息后，匯總節點將收到的信息通過RS485接口傳輸到人機交互界面與上位機界面。人機交互觸摸屏可以實時顯示農田信息并設定初始化土壤濕度閾值，也可以遠程控制電磁閥的開關完成農田滴灌。上位機可以存儲農田數據至服務器，管理者可以遠程通過Internet網絡訪問數據庫及時地查看農田信息。

3 系統硬件設計

3.1 終端節點硬件設計

終端采集節點包括傳感器組、中央處理模塊、滴灌系統、電源模塊(圖2)。傳感器組負責采集農田的空氣溫濕度、土壤溫濕度、二氧化碳濃度和光照度。電源模塊為各部分模塊提供穩定的工作電壓。中央處理模塊包括STM32L152微處理器及外部電路、EEPROM掉電存儲電路、JTAG調試電路、12864液晶顯示電路、SX1278無線射頻收發電路以及開關驅動控制電路。滴灌模塊電磁閥選用滴灌系統專用節水電磁閥FCD-90C，通過控制電路控制電磁閥開關來完成農田的自動化滴灌。

3.1.1 傳感器 空氣溫濕度采集選用一款已校準的溫濕度復合傳感器DHT22，它采用單線串行接口與處理器通信。土壤溫濕度采集選用一款高精度的可以埋入土壤里的溫濕度傳感器SHT11-O1D，它的傳輸總線為集成電路總線(inter-integrated circuit，簡稱IIC)，以同步2線的方式進行通信，其中SCL(source list)和SDA(serialdata)分別作為時鐘線和數據線的引腳連接到處理器。光照度檢測選用內置AD轉換的低功耗兩線式數字型傳感器BH1750FV，其中SCL和SDA引腳連接到處理器。二氧化碳濃度檢測選用傳感器MG811，它增設了CO2信號放大機制，并且具有溫度補償功能，保證了測量的準確性，其中模擬信號輸出(AOUT)、TTL(DOUT)電平信號輸出、溫度補償(temperature compensation method，簡稱TCM)連接到微處理器。

3.1.2 微處理器 從低功耗與性能綜合考慮，終端節點的微處理器選用ST(STMicroelectronics)公司的超低功耗微處理器STM32L152C8。這款微處理器擁有核心主頻16 MHz，32 kB flash、內置16 MHz和38 kHz的RC振蕩器、3個USART，2個串行外設接口(serial peripheral interface，簡稱SCI)、2個IIC通信外設、2個12位模數轉換器(analog-to-digital converter，簡稱ADC)、8個16位定時器，并擁有液晶顯示器(liquid crystal display，簡稱LCD)驅動模塊。

3.1.3 供電電源 在農田系統中安裝太陽能電池板會影響收割設備，并且須要將太陽能板放置在一個沒有遮擋的高度才能完成有效的電能轉換，在農田系統中安裝成本較高，并不適用。因此，本系統選用零帕公司的戶外充電鋰電池，該產品體積較小，攜帶方便，電池容量為70 AH，并且可以循環充放電，方便二次維護。為了讓硬件系統得到穩定的工作電壓，加入電壓轉換電路，系統將鋰電池的12 V工作電壓通過電源芯片SPX29300T-3.3轉化為3.3 V電壓。這樣可以為系統各個硬件的穩定運行提供保障。

3.1.4 控制驅動電路 控制電路的主要作用是通過控制電磁閥的開關來進行農田滴灌，設計電路如圖3所示。驅動電路選用PC817光耦芯片，5腳12 V繼電器JQ1P-12V-F。電路中COM1連接12 V供電電源，常開觸點NO連接電磁閥。當連接處理器的管腳PA0為高電平時，光耦沒有輸出，Q11不導通，繼電器不動作，常閉觸點NC閉合，常開觸點NO斷開，電磁閥關閉；當管腳PA0為低電平時，光耦有輸出，Q11導通，繼電器動作，常閉觸點NC斷開，常開觸點NO閉合，電磁閥打開。

3.1.5 無線收發電路 LoRa無線收發電路由射頻芯片SX1278和PE4259射頻開關組成。SX1278射頻芯片采用LoRaTM遠程調制解調器，用于超長距離擴頻通信。通過幾個SX1278收發器就可以組建LoRa無線傳輸網絡，成本很低。根據SX127X數據手冊設計電路原理如圖4所示。微控制單元(microcontroller unit，簡稱MCU)可以通過SPI總線進行數據收發和寄存器的配置。6路DI0數字端口負責與MCU兩者間的中斷請求和捕捉。PE4259射頻開關用來設置工作模式進而完成數據的發射和接收。在VDD引腳接高電平后，可通過CTRL引腳單線控制開關。當CTRL接高電平，RF1接收電路導通，CTRL接低電平，RF2發射電路導通。在接收電路前端，為濾除通信頻率外的信號與噪聲干擾，加入聲表面波濾波器(surface acoustic wave，簡稱SAW)，保證接受機性能。在接收和發射電路時采用多個濾波器設計，提高系統性能。

3.2 匯總節點硬件設計

匯總節點一方面通過SX1278射頻芯片向終端節點下發指令并接受終端節點返回的數據；另一方面通過RS485總線與人機交互觸摸屏通信，在經過RS485轉RS232電路與計算機上位機通信完成數據庫的存儲。綜合考慮性能與功耗的平衡，系統微處理器選用意法半導體超低功耗芯片STM8L151，其匯總節點硬件結構如圖5所示。

4 系統軟件設計

4.1 SX1278參數設置

為方便LoRa調制解調技術的優化，用戶可以通過編程來決定擴頻調制帶寬(bandwidth，簡稱BW)、擴頻因子(spreading factor，簡稱SF)、糾錯率(code rate，簡稱CR)，進而優化系統性能。SX1278帶寬范圍為7.8～500 kHz，擴頻因子為6～12，工作頻段范圍為137～525 MHz，有效比特率為0.018～37.5 kbps，預估靈敏度為-111～-148 dBm。擴頻信息的符號速度稱為符號速率(symbol rate，簡稱SR)，碼片速率與標稱符號速率之間的比值即為擴頻因子，其表示每個信息位發送的符號數量，在收發端擴頻因子的參數必須一致。采用式(4)可以計算出符號速率：

(4)

由式(4)可以看出，增大帶寬會增大符號速率，增加傳輸距離，但靈敏度也會降低。綜合考慮，選擇SX1278參數設置如表2所示。

表2 SX1278參數設置

SX1278載波頻率計算公式如式(5)所示，其中FXOSC為晶振頻率，Frf的值在寄存器中設置包括3 B。

(5)

4.2 系統數據幀結構

當設置LoRa數據包為固定格式時，其數據包格式如圖6所示，LoRa調制屬于物理調制，因此可以兼容許多不同的協議。為降低功耗，系統設計應用層協議選擇Modbus協議。

Modbus協議是一種主從應答式通信協議，Modbus協議分為美國信息交換標準代碼(american standard code for information interchange，簡稱ASCLL)和遠程終端單元(remote terminal unit，簡稱RTU)等2種傳輸模式。系統傳輸數據包括多種傳感器數值，在相同的波特率下，RTU模式可以傳輸更多的數據，因此選用RTU模式，其數據幀結構如圖7所示。

地址域為系統分配給各個終端節點的地址，目的為了匯總節點作為主站與各個作為從站的終端節點進行通信。Modbus協議最多支持247個從機，可以完全覆蓋大型農田系統。主機通過功能碼向從機下發操作指令，Modbus協議的功能碼很多，系統主要用到的功能碼及其作用如表3所示。

表3 Modbus功能碼及作用

4.3 終端節點軟件設計

本系統組網采用星型輪詢一對多模式，各從機節點與主機控制端采用無線傳輸。終端節點工作流程如圖8所示。從機節點分配好自己的從機地址，采用握手連接進行數據收發。終端節點上電后，首先進行初始化設置，進行第1次初始數據采集，將數據存入存儲器并在顯示屏上更新數據。接下來設置定時器，每1次數據采集后會與初始設定閾值對比，若低于初始閾值下限則打開電磁閥進行灌溉，然后會不斷地采集農田信息直至土壤濕度數值超過閾值上限，此時關閉電磁閥并將屏幕數值更新后存入寄存器，這樣既可以及時處理農田的相關問題并且節約成本與功耗。當接收到主機發送的數據幀請求時，比較是否是本機號，功能碼是否有效，循環冗余校檢碼(cyclic redundancy check，簡稱CRC)是否正確等，當它們全部正確，這時組網成功，向匯總節點發送響應，進行數據的無線傳輸。

4.4 匯總節點軟件設計

匯總節點上電后首先進行初始化，首先進入發送模式，等待接受上位機指令，然后將數據寫入緩沖區進行發送。當發送完畢后進入接收模式，當接收數據接收完畢后，再將數據通過串口傳輸給上位機。流程如圖9所示。

4.5 人機交互界面設計

人機界面顯示屏型號選用顯控公司的sk035ae觸摸屏。觸摸屏內置Modbus RTU協議，并且擁有SKWorkshop通用版工業自動化組態畫面編輯軟件，方便人機界面“拖拽式”布局設計。設計系統人機界面包括采集農田數據顯示、電磁閥開關量顯示、控制以及土壤濕度閾值上下限的設定。用戶可以通過節點的選擇進行查詢各節點的農田信息，還可以控制電磁閥的開關進行農田的遠程滴灌。

5 試驗結果測試及驗證

5.1 無線通信性能測試

RSSI(received signal strength indication)是接收信號強度指示，在SX1278芯片中提供RSSI值讀取功能，它可以通過讀取RegRssiValue寄存器的值，由式(6)計算得出。

RSSI(dBm)=RegRssiValue-157。

(6)

為測試通信距離，定義丟包率如式(7)所示。

(7)

通信距離與RSSI是衡量無線通信性能的關鍵，系統發射頻率為17 dBm，中心頻率選擇433 MHz，實際測試表明，系統在傳輸距離為3 km時丟包率為4.4%，此時RSSI值為 -89.42 dBm。在傳輸距離為3.5 km時，丟包率為10%，此時RSSI值為100.36 dBm。測試結果表明，系統可以穩定傳輸距離在3 km以上。

5.2 數據采集及結果分析

針對其中1個節點的采集數據結果進行匯總，并從中抽取10條節09：00—17：00之間的農田環境信息(表4)。系統設定適宜農作物生長的土壤相對濕度閾值下限為50%，設定土壤相對濕度閾值上限為65%。在11：00、13：00、15：00時，檢測到土壤濕度在50%以下時，電磁閥的狀態是開啟狀態。查閱氣象站相關資料，數據采集的結果相對準確。設置觸摸屏接線方式為RS485，連接服務為Modbus RTU Slave，設置通信參數波特率為9 600、數據位為8、校檢為NONE、通信時間為500 ms。其中，節點7采集的數據如圖10所示。

表4 農田信息采集參數

5.3 功耗測試

系統終端節點采用鋰電池供電，匯總節點和觸摸屏等采用市電供電，因此無須考慮匯總節點功耗問題。實測終端節點待機電流為7 μA，當發射功率為17 dBm時，發射電流為113.2 mA，接受電流為23.3 mA，系統選用70 AH容量的鋰電池供電，工作時間高達150 d以上。

6 結論

為解決農田灌溉采集系統中存在無線傳輸同頻干擾、傳輸距離短等問題，設計一種基于LoRa無線擴頻技術的農田灌溉系統。經過測試，該系統可以實時準確地采集農田信息，在工作中心頻率433 MHz穩定傳輸達3 km，避免了2.4 GHz的同頻干擾。當農田中土壤濕度低于設定閾值時，則開啟自動灌溉功能，保證農作物良好的成長環境。設計引入人機交互界面，使得操作簡單，并加入密碼保護功能，可實時查看農田信息并控制電磁閥開關來完成灌溉。測試表明，系統運行穩定、高效、便捷。在實際大型農田灌溉中具有很高的實用價值。