一種基于LoRa+5G的低成本智慧農業物聯網系統

張 濤，樊振興，宋青存，單海燕

（中國電子科技集團 第二十七研究所，河南 鄭州 450047）

0 引 言

我國是農業大國，卻不是農業強國，農村人口有9億多，占全國總人口的70%左右，但農業生產總值僅占國民生產總值的20%。我國農業土地分散、規模較小，農業生產多數還停留在傳統農業的階段，相當多的地區農業基礎設施還比較落后，農業勞動生產率還相對較低；且隨著農村年輕一代大量進城務工，農村空心化非常嚴重，為了追求高產量而大量使用化肥和農藥，對水體、土壤、大氣和生物多樣性都造成了嚴重的影響，生態環境破壞嚴重，進而也極大影響農作物的生長，糧食安全也無法保證。面對嚴峻的糧食安全形勢，黨和國家高度重視，歷年都將“三農”問題作為國家的一號工程進行部署。

2016年9月，農業部印發了《“十三五”全國農業農村信息化發展規劃》，提出“十三五”期間，把信息化作為農業現代化的制高點，以建設智慧農業為目標，著力加強農業信息基礎設施建設，著力提升農業信息技術創新應用能力，著力完善農業信息服務體系，加快推進農業生產智能化、經營網絡化、管理數據化、服務在線化，全面提高農業農村信息化水平[1]。

2017年1月，中央一號文件明確指出，2017年重點開展大田種植、設施園藝、畜禽養殖、水產養殖4類數字農業建設試點項目，結合產業類型，支持精準作業、精準控制設施設備、管理服務平臺等內容建設[2]。

2020年1月，中央一號文件明確指出，要加強現代農業設施建設，依托現有資源建設農業農村大數據中心，加快物聯網、大數據、區塊鏈、人工智能、5G、智慧氣象等現代信息技術在農業領域的應用[3]。農業的智慧化和集約化生產迫在眉睫。

在國家政策、資金的持續引導下，我國建設了一批國家智慧農業示范區，自主研制了一批智慧農業傳感器、智能控制器、水肥一體化智能灌溉設備、智慧農業大數據平臺等技術產品，對提高我國農業智能化水平發揮了重要作用，我國智慧農業應用得到了長足發展。據《中國互聯網+智慧農業趨勢前瞻與產業鏈投資戰略分析報告》統計數據顯示，2015年中國智慧農業潛在市場規模已達137.42億元，到了2017年中國智慧農業潛在市場規模增長至175.73億元，截至2018年中國智慧農業潛在市場規模突破200億元，達到了203.06億元。預計2020年我國智慧農業潛在市場規模將達到267.61億元，2015—2020年復合增長率[4]將達到14.3%。我國智慧農業市場前景廣闊，市場規模巨大。

在取得了大量成果的同時，我國智慧農業在基礎研究、技術積累和規模化應用方面與發達國家還有較大的差距，具體表現在以下幾個方面：

（1）核心傳感器技術研發投入不夠，國產傳感器的精度、可靠性還有待進一步提高；

（2）對動植物生長模型、智能決策理論算法研究不夠深入，很難實現按需精準控制；

（3）智慧農業物聯網系統總體成本相對較高，投入產出比還較低，不利于大規模普及應用[5]。

總之，低成本、低功耗、穩定可靠的智慧農業物聯網系統是我國農業市場的迫切需求，因此，本文提出一種基于LoRa+5G的無線自組網技術的智慧農業物聯網系統。

1 智慧農業物聯網

1.1 智慧農業物聯網系統概念

智慧農業物聯網系統以先進的傳感器、物聯網、云計算、大數據、人工智能等信息技術為基礎，由監測預警系統、有線/無線數據傳輸系統、智能控制系統及軟件平臺組成，通過對監測區域的土壤資源、水資源、氣候信息及農情信息（苗情、墑情、蟲情、災情）等進行統一化監控與管理，構建以標準體系、評價體系、預警體系和科學指導體系為主的網絡化、一體化智能監管平臺[6]。實現農業生產的精準感知、智能分析、主動預警和自動控制，使傳統農業更“智能”，大大提高農業生產效率，顯著降低生產成本，最終達到改善產量品質、節水節肥、綠色種植的目的，確保我國農業增產增收和糧食安全。

1.2 智慧農業物聯網系統三層體系架構

智慧農業物聯網系統通常分為三個層次：感知層、傳輸層（網絡層）和應用層[7]。

（1）感知層。該層主要包括農業生產場景中各種農業生產信息的采集，進行智能控制的信息的接收和執行。智慧農業物聯網傳感器主要包括溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度、視頻、水流量、pH值、土壤墑情、土壤養分、重金屬探測、氣象探測等傳感器。技術方面，絕大部分傳感器技術基本成熟，可以做到實時在線精準探測，但土壤養分、重金屬探測兩類傳感器，目前在線探測關鍵技術還在不斷攻關中，還沒有真正的實現實時在線探測。成本方面，隨著傳感器用量的不斷增大，大部分傳感器成本已經降下來了，但部分傳感器目前價格還相對較高，這也是影響智慧農業發展的重要因素。

（2）傳輸層。傳輸層是智慧農業的神經中樞，該層的主要涉及將感知層采集的各類信息，通過物聯網網絡進行匯總，并將各種農業信息進行融合，通過有線或無線方式，向智慧農業信息平臺網絡發布。網絡層包含通信技術與計算機網絡技術的結合的網絡、信息中心和數據處理中心等。早期的智慧農業物聯網系統，傳感器基本上采用的都是有線組網的方式。有線組網在農業生產過程中存在諸多問題：一是設備的安裝比較麻煩，成本也較高；二是在生產過程中容易出現損壞。隨著無線傳輸技術的不斷發展，現在多采用無線組網的方式來建設智慧農業物聯網系統。

（3）應用層。該層涉及的任務是將傳輸來的信息進行分析和處理，并根據信息進行分類和數據挖掘，為農業決策提供數據依據，并對農業生產設備進行遠程控制，實現農業生產智能化和智慧化。應用層的主要應用包括：農業生產數據實時監測、水肥一體化智能灌溉、農事記錄和管理、農作物追蹤溯源、災害早期預警和后期評估、專家系統等。

2 LoRa

遠距離無線電（Long Range Radio, LoRa）是低功耗廣域網（LPWAN）通信技術中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸技術。LoRa基于CSS（Chirp Spread Spectrum, CSS）調制技術，在保持低功耗的同時極大地增加了通信范圍，具有功耗低、傳輸距離遠、抗干擾能力強等特點。

LoRa的特點：

（1）傳輸距離：城鎮可達2～5 km，郊區可達15 km；

（2）工作頻率：全球免費頻段運行包括433 MHz，868 MHz，915 MHz等；

（3）標準：IEEE 802.15.4g；

（4）調制方式：基于擴頻技術、線性調制擴頻（CSS），具有前向糾錯（FEC）能力；

（5）容量：一個LoRa網關可以連接上千上萬個LoRa節點；

（6）功耗低：常規電池供電理論上可長達10年；

（7）安全：AES128加密；

（8）傳輸速率：幾百b/s到幾十Kb/s。

3 5G

5G，即第五代移動通信技術，是最新一代蜂窩移動通信技術，也是繼2G（GSM）、3G（UMTS、LTE）和4G（LTE-A、WiMax）系統之后的延伸[8]。5G網絡具有高速率、低時延、大帶寬、廣連接等特性。5G的主要優勢在于：數據傳輸速率遠遠高于以前的蜂窩網絡，最高可達10 Gb/s，比4G LTE蜂窩網絡快100倍，滿足高清視頻、虛擬現實等大數據量傳輸；較低的網絡延遲，低于1 ms，滿足自動駕駛、遠程醫療等實時應用，而4G為30～70 ms；頻譜效率要比4G LTE提升10倍以上；超大網絡容量，提供千億設備的連接能力，滿足萬物互聯網絡需求；連續廣域覆蓋和高移動性下，用戶體驗速率達到100 Mb/s；系統協同化、智能化水平提升，表現為多用戶、多點、多天線、多攝取的協同組網，以及網絡間靈活地自動調整。

4 基于LoRa+5G的無線自組網的智慧農業物聯網系統

基于LoRa+5G的無線自組網的智慧農業物聯網系統[9]是一種低成本、高效率的智能化農業物聯網系統。系統利用自主開發的LoRa物聯網智能網關[10]，將各類傳感器通過無線自組網的方式實現互聯互通和互操作；通過自建LoRa基站，實現區域信號覆蓋，從而實現各物聯網網關的數據匯集；再通過LoRa基站與5G基站的連接，實現數據的上下貫通。系統通過移動智能終端或PC，可實時監測農作物生長環境、智能化診斷和分析預警、智能化精準農事管理和設備管理，實現農產品全過程可追溯，確保農產品品質高和安全可控。系統功能架構和系統功能架構如圖1、圖2所示。

圖1 系統網絡架構

圖2 系統功能架構

4.1 系統主要功能

系統功能界面如圖3所示。

圖3 系統功能界面

（1）數據采集。農作物生長現場溫度、濕度、光照度、土壤含水量、土壤養分等傳感器配合LoRa采集器與LoRa網關、LoRa基站實現自適應區域組網，再通過5G基站，將數據傳遞給云服務中心進行智能分析和處理。

（2）視頻監控。用戶通過智能手機或電腦可以隨時隨地觀看到農作物種植現場實際影像，遠程監控農作物生長情況。

（3）數據存儲。系統將采集的各類數據統一上傳至云服務中心進行存儲，以備隨時進行處理和查詢。

（4）數據智能分析。系統可根據用戶需求，將采集到的數值通過直觀的形式向用戶展示；可提供日報、月報等歷史報表。

（5）遠程控制管理。在獲得系統授權后，用戶在任何時間、任何地點通過任意聯網終端均可實現對大棚現場各種設備進行遠程控制。

（6）智能預警服務。系統允許用戶制定自定義的數據范圍，超出范圍的錯誤情況會在系統中進行標注，以達到報警的目的。

（7）統一認證管理。系統實現統一認證、集中管理控制，包括用戶管理、設備管理、認證管理、權限管理等功能。

（8）智能終端監控管理。智能終端上可以實現與電腦終端同樣功能，實時查看由各種傳感器傳來的數據，并能手動控制大棚現場的噴淋、卷簾、風機等各種設備。

（9）自動控制。通過系統專家數據庫和智能算法，基于作物生長模型和傳感器數據，可智能調節農作物生長環境參數，為農作物營造最適合的生長環境。

（10）農事管理。農業管理人員可通過系統，合理制定農事計劃，系統將準確記錄、存儲、分析和評估計劃執行情況，為農產品追蹤溯源提供基礎數據。

4.2 系統主要特性

（1）低功耗。系統采用超低功耗設計，傳感器平時處于休眠狀態，采用定時喚醒和數據異常變化喚醒相結合的模式，結合智能邊緣計算功能，減少正常數據頻繁傳輸，確保異常數據及時上報等。一般一節6 V /3 000 mA·h鋰電池，單傳感器可使用2～3年。

（2）低成本。系統采用LoRa無線自組網通信技術，設備安裝、使用、維護成本極低。

（3）無線自組網。傳感器初次加電后即發出“握手”信息，向最近的LoRa網關發出連接請求，LoRa網關自動對傳感器進行身份識別和解析后，實現智能組網。

（4）通信距離遠。LoRa網關實際無線控制監測范圍達3～5 km，開闊區域可達到10 km。

（5）超大容量。單個LoRa網關可實現800個以上設備接入量，而且可通過中繼器進行多級拓撲，可滿足智能監測控制的實際應用。

（6）抗干擾能力強。系統采用擴頻傳輸技術，前向糾錯技術設計，抗干擾能力強。

（7）安全可靠。系統具有自我巡檢功能，在固定的時間內，會自動收發數據一次，可有效預防數據傳輸故障；另外，設備按照軍工標準進行了嚴格的質量檢測和性能測試，設備可適用于高溫、嚴寒、潮濕等復雜環境。

（8）控制模式靈活智能。設備的控制模式采用了標準化模塊設計，可根據應用場景或設備的不同而靈活選擇電平控制、自動控制或者業務邏輯控制等控制模式。

5 結 語

本文提出了一種基于LoRa+5G的低成本智慧農業物聯網系統，其是一種低成本、低功耗、大連接、智能化農業物聯網系統，現在和將來一段時間時期內都是一種非常實用且適合我國現代農業發展現狀的智慧農業物聯網系統。其以低成本、易安裝、易維護、便捷性操作贏得廣大農業從業者的青睞，為推進我國現代農業發展和居民食品安全做出突出貢獻，具有非常廣闊的市場空間和應用前景。