基于LoRa技術的果園物聯網系統

（河南科技學院 信息工程學院，河南 新鄉 453003）

0 引 言

隨著物聯網在工業、農業、交通和日常生活等方面的應用加速，作為農業物聯網技術應用的果園物聯網也迅速發展。果園物聯網利用傳感器采集果園溫濕度、CO2濃度、pH值、光照度等參數，為果園作物提供一個良好的生長環境，也為科學管理果園提供完備的數據支持，進一步達到降低成本、提高產量和品質、增加經濟效益的目的[1-4]。

目前，常用的ZigBee、GPRS、WiFi等無線通信技術除了傳輸距離短，還存在著功耗大、抗干擾性弱、繞射性差、成本高等缺陷[5-9]。根據實際需求，本文采用LoRa技術構建一個果園物聯網系統，以STM32F401高性能芯片為核心，監測溫濕度等參數。經測試可以滿足高精度、低功耗、高穿透性的要求，提高了系統的穩定性。

1 系統方案設計

因為果園距離遠、面積大、地形復雜，所以本文使用STM32F401芯片和LoRa芯片SX1276，用以傳送傳感器采集到的采集溫濕度、CO2濃度等數據信息到管理中心，管理中心對相關信息進行管理分析，作為調控參數的基礎。

本文設計的基于LoRa技術的果園物聯網系統方框圖如圖1所示。

圖1 使用LoRa技術的果園物聯網系統方框圖

LoRa技術以及模塊的選用如下：

（1）LoRa介紹

LoRa是一種新型的無線通信技術，英文全稱是Long Range。它基于線性擴頻調制技術，具有通信距離遠（15 km以上）、功耗低（電池可使用10年以上）、高鏈路預算（高達157 dB）等優點。LoRa解決了傳統無線通信技術無法同時兼顧通信距離和功耗的難題，具有廣泛的應用前景。LoRa技術關鍵特性和優勢[10-11]見表1所列。

表1 LoRa關鍵特性和優點

（2）LoRa模塊

LoRa模塊選取Semtech公司的基于SSC技術、采用SX1276芯片的低功耗遠距離收發器。它通過SPI方式數據傳送[12]，使模塊的靈敏度超過-148 dBm，射頻功率放大器達到20 dBm，高靈敏度、高射頻功率和低至9.9 mA的接收電流的完美結合使鏈路預算也達到了行業領先水平，滿足了超長距離傳輸和可靠性高的使用要求[13-14]。

（3）微處理器

該系統選用STM32F401微處理器為系統控制核心，它是基于STM32F401系列ARM?Cortex-M4，是ST32位最小系統，其功耗低，工作電流僅為137 μA，工作頻率性能達到84 MHz，105 DMIPS。同時該微處理器該還帶有FPU浮點單元（USB OTG、I2S、I2C、SPI）和DSP數字信號處理功能，多通道ADC和16/32位計時器，芯片工作電壓1.7～3.6 V，集成功能豐富，使其在同級產品中較為優秀，有較為廣泛的應用領域[15-16]。

（4）溫濕度傳感器

本系統中溫濕度傳感器選用DHT11。DHT11利用特有的采集技術和溫濕度傳感技術模塊，供電電壓最大為5.5 V，供電電流極低，溫測量最高50 ℃，最低0 ℃，誤差2 ℃，濕度測量最大90%RH，最小20%RH，誤差5%RH，采樣周期較短，具有較好的可靠性和穩定性[17]。

（5）CO2傳感器

CO2傳感器主要用于果園CO2濃度采集，本文采用MQ-2傳感器。

2 系統軟件設計

本文系統是一個典型的多傳感器果園物聯網系統，須采用多傳感器數據融合技術才可以更有效地進行分類識別決策，并且采用模糊算法進行數據融合。系統的主程序流程如圖2所示。

圖2 系統主程序流程

3 系統測試和結果

系統軟硬件配置完成后，在果園物聯網模型中進行測試。本文選取早晨、中午、夜晚3個時間點，每個時間點選取3組溫濕度數據。3個時間點9組測試數據見表2所列。

表2 果園物聯網系統實驗數據

由實驗數據可知，傳感器采集和人工測量的溫濕度數據基本一致，系統達到預期設計要求。

4 結 語

本文系統應用LoRa技術，以STM32F401為主控芯片，采集傳輸果園監測點的相關數據。測試結果表明，該系統具有結構簡單、傳輸距離遠、功耗低[18]等優點，滿足了果園面積達、距離遠、低功耗、高穿透性的要求，同時具有成本低廉、便于維護等特點[19]，可以有效提升果園種植水平和經濟效益。