基于LoRa 的無線傳感網(wǎng)的農(nóng)田節(jié)水灌溉系統(tǒng)

陳紫薇，姚俊光，孫道宗，李思

（華南農(nóng)業(yè)大學電子工程學院，廣州510642）

0 引言

我國是個水資源極度貧乏的國家，農(nóng)業(yè)用水的關鍵一個環(huán)節(jié)是節(jié)水。未來50 年我國仍將面臨普遍升溫，農(nóng)業(yè)干旱缺水態(tài)勢將進一步加劇[1]。

為了推進農(nóng)田水利建設，實現(xiàn)綠色發(fā)展和資源永續(xù)利用，促進農(nóng)民收入穩(wěn)定較快增長，就要加快農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設步伐，建立互聯(lián)共享的信息平臺，重點突破智慧農(nóng)業(yè)關鍵技術，提高農(nóng)業(yè)科技水平[2]。以無線傳感網(wǎng)絡技術和智能控制技術為核心的智能灌溉控制系統(tǒng)的研究己成為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要建設任務[3]。

LoRa（Long Range，遠程）是一種新型無線通信技術，利用了先進的擴頻調(diào)制技術和編解碼方案，增加了鏈路預算和更好的抗干擾性能[4]，對深度衰落和多普勒頻移具有更好的穩(wěn)定性[5]，擁有超高接收靈敏度（RSSI）和超強信噪比（SNR）[6]。SX1278 射頻模塊采用了LoRa遠程調(diào)制解調(diào)器，適合于要求長距離通信、抗干擾能力、低功耗的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡環(huán)境[7]。土壤溫濕度是一個動態(tài)變化的系統(tǒng)，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)靠人工檢測費時費力。相較于傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉，基于無線傳感器網(wǎng)絡的農(nóng)田管理系統(tǒng)減輕了農(nóng)民巡視農(nóng)田的負擔。同時，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)多依賴于人的主觀經(jīng)驗，判斷存在誤差，灌水過多或不足，造成水資源的浪費，水資源利用率往往不高。基于LoRa 的無線傳感網(wǎng)的農(nóng)田節(jié)水灌溉系統(tǒng)通過傳感器的實時監(jiān)測，在減少了測量誤差的同時，實現(xiàn)了農(nóng)田系統(tǒng)的水資源利用率，達到了節(jié)水灌溉的目的。

1 系統(tǒng)設計方案

1.1 系統(tǒng)設計整體結構

系統(tǒng)由上位機、下位機兩部分構成。下位機負責信息采集、信息傳輸、實時控制，上位機負責信息傳輸、接收與自動控制（如圖1 所示）。多個下位機組成了網(wǎng)絡拓撲結構（如圖2 所示），監(jiān)測農(nóng)田不同區(qū)域的環(huán)境信息。

下位機用STM32F103 系列單片機作為節(jié)點的控制MCU，定時進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸。采用水流量傳感器對農(nóng)田灌水渠道進行水流量檢測，采用溫濕度傳感器對農(nóng)田土壤含水量進行檢測，采用Lo-Ra 無線通信模塊進行節(jié)點通信；上位機是由Python 語言設計的交互界面，通過LoRa 無線模塊轉(zhuǎn)串口與下位機進行串口數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)農(nóng)田的智慧管理與人機交互。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

1.2 硬件系統(tǒng)的整體設計

（1）主要元器件選型

為實現(xiàn)農(nóng)田信息的采集與水閥的控制，采用YL-69電阻式土壤傳感器做土壤濕度檢測。將采集到的模擬信號通過STM32 內(nèi)部12 位的AD 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，使用模擬信號輸出。考慮到AD 轉(zhuǎn)換速度快，也可能存在偶然誤差，此處我們進行10 次測量，求平均值，再轉(zhuǎn)換為濕度信息作為輸出。電磁閥選用2W 常閉型直動式水氣通用電磁閥。工作溫度為-5°C～80°C，壓力范圍0-1.0Map，額定電壓DC12V。水流量傳感器選用YF-S201 水流量傳感器。流量范圍：1-30L/min 誤差：±2%。

（2）無線傳輸方式的選擇

常見的無線技術主要分為局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)[8]。局域網(wǎng)通信主要包括Wi-Fi、ZigBee、藍牙等通信協(xié)議，廣域網(wǎng)主要包括2G/3G/4G 蜂窩通信技術[9-10]。Wi-Fi 技術的傳輸速率約為6M/s，傳輸數(shù)據(jù)快，產(chǎn)品成本低，但是安全性不高，穩(wěn)定性比較弱，功耗相對比較大。Zig-Bee 功耗低，組網(wǎng)容量大，但是傳輸距離短，最遠傳輸距離不超過75m，只適用于小范圍、短距離組網(wǎng)[11]。藍牙技術早期用于手機之間的文件傳輸，其功耗介于Wi-Fi與ZigBee 之間，但是傳輸距離最短。以上3 種通訊方式均不適用于大規(guī)模農(nóng)田灌溉無線組網(wǎng)。2G/3G/4G主要依賴于移動運營商提供的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，不但會產(chǎn)生額外的費用，對基站的信號強度也有較高的要求，不適合偏遠地區(qū)的農(nóng)作物的監(jiān)控[12]。

因此，我們采用LoRa 技術作為通信方式。無線傳輸采用澤耀公司的AS32-TTL-100 模塊，將ISM 波段射頻收發(fā)器與MCU 連接并共同集成在一塊單板上，MCU 通過內(nèi)嵌程序配置射頻收發(fā)器建立無線數(shù)據(jù)傳輸機制，直接通過引出的單片機UART 接口收發(fā)無線數(shù)據(jù)。該模塊的核心處理器采用ARM 公司的STM8L151G6 芯片，搭載SX1278 射頻芯片，進行LoRa擴頻傳輸。輸出接口為TTL 電平。工作頻率410MHz～441MHz，共 計32 個 信 道，每 個 信 道 間 隔1M。在省電模式下，消耗電流僅僅幾十uA。采用高效的循環(huán)交織糾錯編碼算法，在突發(fā)干擾的情況下，能主動糾正被干擾的數(shù)據(jù)包，最大連續(xù)糾錯64bit。

將節(jié)點LoRa 模塊的工作方式設置為省電模式（串口接收關閉，等待喚醒），靜態(tài)功耗只有15uA，發(fā)送數(shù)據(jù)時更改為一般模式。上位機的LoRa 模塊則設置為喚醒模式（發(fā)送數(shù)據(jù)時自動添加喚醒碼，喚醒省電狀態(tài)下的接收方）。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 下位機程序設計

下位機硬件接通電源后，通過LoRa 模塊連接串口RS-232 連接至上位機（PC 端）。初始化完成后，系統(tǒng)開始不斷的檢測濕度信息，下位機每隔30 分鐘將數(shù)據(jù)打包發(fā)送給上位機。同時，通過串口中斷檢測是否有上位機發(fā)送信息，若有，則將接收到的信息進行解碼，并更改設定的濕度閾值。根據(jù)傳感器節(jié)點采集到的土壤水分值與設置的閾值進行比較，實現(xiàn)下位機自動控制閥門的開啟與閉合，并在開啟閥門時進行水流量測量，進而達到農(nóng)田監(jiān)控與灌溉的目的

2.2 上位機程序設計

上位機控制中心采用Python 語言進行開發(fā)，如圖2 所示，實現(xiàn)了端口設置、歷史數(shù)據(jù)的存儲與查看、閾值設置等任務。通過LoRa 模塊連接電腦串口可以實現(xiàn)與下位機的通信。下位機搭載的每個LoRa 模塊都有其固定的信道和地址，依據(jù)不同的信道和地址可識別不同位置的節(jié)點。

在工作過程中，上位機不斷接收信息，將土壤濕度、水流量實時的顯示在上位機界面中。同時，系統(tǒng)自動記錄接收到的數(shù)據(jù)，寫在Excel 表中，作為記錄，可用于用戶分析。若用戶需要發(fā)送數(shù)據(jù)，則在上位機界面輸入“信道+地址+閾值”（閾值以百分比的形式發(fā)送，范圍為1-100）后點擊“發(fā)送”則可發(fā)送信息至指定的下位機。

圖2 上位機界面

圖3 上位機系統(tǒng)流程圖

3 系統(tǒng)性能測試

將節(jié)點系統(tǒng)置于華南農(nóng)業(yè)大學啟林北校區(qū)的農(nóng)事訓練基地的農(nóng)田中（區(qū)內(nèi)農(nóng)作物高度約為0.5-0.8m，植株長寬間隔為0.3×0.2m）進行無線傳感器組網(wǎng)實驗，對農(nóng)田的土壤濕度進行測量，與電容測量法測得的數(shù)據(jù)進行對比，分析傳感器測量的精度；在不同環(huán)境，不同高度下測量最遠通信距離，確定系統(tǒng)放置的合適高度；通過對系統(tǒng)收發(fā)數(shù)據(jù)量進行分析，計算丟包率，以此判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定。

3.1 節(jié)點通信距離測試

在農(nóng)田環(huán)境中，無線傳感網(wǎng)絡的有效通信距離直接關系整個網(wǎng)絡的覆蓋范圍[13]。在農(nóng)田中，農(nóng)作物的遮擋（與生長的高度與密度有關）會在一定程度上影響無線傳輸?shù)耐ㄐ啪嚯x。我們將節(jié)點高度分別設置為0.4、0.7、1.2m，進行最大通信距離的測試。節(jié)點的發(fā)射功率為20dBm，射頻功率在433MHz 頻段。每隔5s LoRa 模塊定時傳送節(jié)點所采集的數(shù)據(jù)信息，并通過上位機來觀察節(jié)點處于不同位置時，數(shù)據(jù)包能否正確傳達，當能正確傳達時增加收發(fā)距離。利用百度地圖測距工具，測出兩個節(jié)點之間的直線距離，作為有效通信距離。經(jīng)過測試，當節(jié)點高度（1.2m）大于農(nóng)作物高度（1m）時，傳輸距離最遠。不同高度下測得節(jié)點的最大有效通信距離如表1 所示。

表1 節(jié)點最大通信距離

3.2 節(jié)點感知精度測試

感知精度是指器件獲取信息的精確度，是無線傳感網(wǎng)絡的重要性能評價指標之一[14]。通過在待測土壤濕度中放置固定距離固定面積的電容片，測量電容，從而得到土壤濕度的參照值，將土壤濕度傳感器測量得到的濕度與參照值進行比較。測試結果（如表2 所示）表明，節(jié)點采集的濕度誤差最大為5.3%，平均誤差為4.7%。

參照值計算方法：

土壤濕度計算公式如下：

其中wa為水的重量，ws為土壤重量。

土壤之中的主要成分均具有不同的介電常數(shù)，不同濕度的土壤也具有不同的介電常數(shù)，因此可以根據(jù)不同的介電常數(shù)來推斷土壤濕度[15]，土壤濕度決定土壤介電常數(shù)。土壤濕度的固定函數(shù)關系式如下所示[16]。

其中，θ 是土壤濕度值，ε 為對應濕度的土壤的介電常數(shù)。

根據(jù)土壤組成主要成分得出如下函數(shù)關系式：

其中，εsa為空氣與土壤顆粒的介電常數(shù)，εw是土壤中水的介電常數(shù)。當土壤水溫為20℃，對應的εsa為3，εw為81，則可得土壤濕度與介電常數(shù)函數(shù)關系式：

介電常數(shù)與電容值有關，公式如下：

其中k 為靜電常數(shù)，S 為電容片相對面積，d 為電容片之間的距離。如果固定兩電容片的距離和相對面積，將待測濕度的土壤放入電容之間，則可以通過測量電容值得知對應介電常數(shù)，從而得到對應土壤濕度值。

測量值即用電阻式傳感器經(jīng)AD 轉(zhuǎn)換得到得濕度信息。

表2 土壤濕度測量誤差分析

實驗結果表明，傳感器節(jié)點可以準確地將傳感器采集到的土壤濕度通過LoRa 模塊傳到上位機中，平均誤差不超過5.3%，傳感器測量結果較為準確，無線傳輸可靠，滿足系統(tǒng)的性能指標和設計要求，可直接應用于灌溉控制系統(tǒng)。

3.3 節(jié)點功耗測試

利用串聯(lián)電路電流處處相等及電壓電流公式I=U/R 對系統(tǒng)電路的電流進行測量，由此計算電路功耗。具體方法如下：在系統(tǒng)電路中串聯(lián)5 個1Ω的電阻，用萬用表測量總電阻兩端電壓U，測得電流為I=U/5。在不同狀態(tài)下分別測試工作電流I 以及持續(xù)時間t，再根據(jù)功耗計算公式測得節(jié)點每周期所消耗的電量。由測量結果可知，省電狀態(tài)下，節(jié)點系統(tǒng)的工作電流為12mA；在傳輸數(shù)據(jù)時的電流為49mA。（傳輸數(shù)據(jù)時間短，不計入功耗計算中）。系統(tǒng)采用6 節(jié)1500mAh 的鋰電池串聯(lián)供電，能夠使無線傳感網(wǎng)絡的節(jié)點持續(xù)工作時間達到750 小時左右，約為31 天，符合系統(tǒng)低功耗設計的要求。供電時間計算公式為：

3.4 網(wǎng)絡的丟包率測試

在晴天、空曠地區(qū)，設置通信距離為400m，信息采集周期為10s，監(jiān)控時長為84min，對系統(tǒng)丟包率進行測試。測試結果如表3 所示。由表3 可知，整個網(wǎng)絡的平均丟包率為2.84%，表明系統(tǒng)傳輸信息穩(wěn)定可靠。

表3 網(wǎng)絡丟包率統(tǒng)計

4 結語

本文通過分析我國農(nóng)田節(jié)水灌溉的現(xiàn)狀，了解到發(fā)展智能化節(jié)水灌溉的重要性。基于此現(xiàn)狀，我們設計了較為簡單且易操作的農(nóng)田節(jié)水灌溉系統(tǒng)。系統(tǒng)由上位機、節(jié)點兩部分構成。下位機是以STM32f103 為主控芯片設計的單片機系統(tǒng)，搭載AS32-TTL-100 LoRa模塊作為無線通信節(jié)點，搭載YL-69 土壤濕度傳感器、常閉型電磁閥、YF-S201 水流量傳感器采集農(nóng)田信息并實現(xiàn)自動灌溉。上位機是以PyCharm 為開發(fā)平臺，用Python 語言編寫的人機交互界面。多個下位機作為多個節(jié)點，與上位機共同組成了無線傳感網(wǎng)絡。根據(jù)測試結果，農(nóng)田間節(jié)點的有效通信距離可達1400m（空曠地區(qū)或節(jié)點高度為1.3m），網(wǎng)絡的丟包率約為2.84%，土壤濕度傳感器的誤差在5.3%以內(nèi)，系統(tǒng)在6節(jié)1.5v 干電池下可連續(xù)工作31 天。該系統(tǒng)實時性和可靠性良好，能夠準確地采集并無線傳輸農(nóng)田土壤濕度信息，自動控制農(nóng)田的灌溉，以實現(xiàn)節(jié)水灌溉。