基于LoRa 的農田土壤墑情監測系統設計

張靜芳，張 亞

（1.呼和浩特水文勘測局，呼和浩特 010020；2.水利部南京水利水文自動化研究所，南京 210012；3.江蘇南水科技有限公司，南京 210012）

中國是一個農業大國，農田是用水大戶，用水量約占全國用水總量的63%，然而大量的水在灌溉中被蒸發。開展農田土壤墑情的監測可以實現適時適量灌溉，有效解決了農業節水問題，充分發揮水資源和灌溉工程效益，從而達到節水增產、增效益的目的［1］。土壤墑情是政府決策部門實現節水的基礎信息，為指導農業抗旱和合理配置水資源提供技術支持［2-4］。隨著自動化技術與通信技術快速發展，人工監測的方式逐漸被取代，TDR 測量法能快速準確在線監測土壤含水量，被普遍認為是最有效的在線土壤墑情測量手段［5］。

自然環境惡劣、地形復雜、移動公網無法覆蓋、傳輸信號不夠穩定，同時采集節點分散、無法組網，容易導致農田土壤墑情監測效果非常不理想。針對這一問題，設計了基于LoRa 的農田土壤墑情監測系統，采用土壤水分傳感器采集墑情數據，通過LoRa通信模塊上傳至網關，網關匯集數據后再經GPRS模塊傳輸到遠程監測平臺，實現監測數據的遠程傳輸、顯示、查詢，為抗旱減災相關部門提供技術支撐。

1 低功耗廣域網

低功耗廣域網（LPWAN，Low Power Wide Area Network）是一種低功耗遠距離的無線通信網絡，由于其網絡覆蓋范圍廣、終端功耗低等特點適用于大規模的物聯網應用場景［6］。與傳統的Zig-Bee、Bluetooth、Wi-Fi 等無線通信方式相比較，LPWAN 的傳輸距離更遠，一般在公里級，而且功耗低，電池供電的設備使用壽命可達數年，主流通信技術對比如圖1 所示。LoRa 是LPWAN 通信技術的一種，是一種基于擴頻通信的超遠距離無線傳輸技術，很好地解決傳統無線網絡傳輸距離遠與低功耗不能兼得的困難［7，8］。

2 系統總體設計

本系統主要包括土壤水分采集單元、網關節點和遠程監測單元3 個部分，其整體架構如圖2 所示。

圖2 總體架構

采集單元主要采集土壤含水率的信息，將不同節點信息通過LoRa 模塊匯聚于網關節點，網關節點由LoRa 和GPRS 通信模塊集成組成，無線網關與終端采集節點采用星型拓撲結構［9］，各采集節點將所獲得的數據統一傳輸給網關節點，網關節點再將數據通過GPRS 通信模塊傳輸到監測平臺，再按協議進行處理、存儲、轉發等操作。不同用戶可通過遠程監測單元登錄電腦終端或移動端的交互平臺，實時查詢農田土壤墑情信息，為指導農業抗旱提供技術支撐。

3 硬件設計

3.1 數據采集

數據采集節點采用土壤水分傳感器、主控制器、太陽能供電模塊、LoRa通信模塊，結構框如圖3所示。

圖3 數據采集節點結構

3.1.1 土壤水分傳感器 該系統采用國產的基于TDR 原理SOILTOP-200 土壤水分傳感器，相比傳統的TDR 墑情傳感器，其采用頻域頻率步進體制和矢量接收技術測量土壤水分［10］，實現對于土壤體積含水率的TDR 測量，具有精確度高，通用性強，抗干擾能力強等優勢。土壤水分傳感器如圖4 所示。

圖4 土壤水分傳感器

3.1.2 主控制器 主控制器采用STM32L475VET6，是一個基于ARM Cortex?-M4 內核的32 位處理器，采用ARMv7ME 架構，支持所有ARM 單精度數據處理指令和數據類型。內部高達512 kb 大小的Flash，支持讀寫同步，高達128 kb 大小的SRAM 其中包含32 kb 預警奇偶校驗，具有強勁的處理性能、較低功耗、處理速度快等特點［11］。

3.1.3 LoRa 通信模塊 LoRa 通信模塊采用宏電H6820 LoRa 模塊，支持433、470、490 等Sub-GHz 頻段，采用工業級32 位處理器和射頻模塊，H6820 模塊支持4 種工作模式，即終端模式、網關模式、點對點模式和中繼模式［12］。（1）終端模式——默認工作模式。與網關進行通信，將客戶傳感器數據傳輸給網關；（2）點對點模式——實現兩節點模塊之間互相通信；（3）網關模式——實現網關功能，充當LoRa 集中器應用，負責匯集本地所有傳感器數據及下發客戶采集器控制指令；（4）中繼模式——用來中繼終端與網關之間的數據。LoRa 模塊實物如圖5 所示。

圖5 宏電H6820 LoRa 模塊外觀

3.1.4 太陽能供電模塊 太陽能供電模塊選擇使用太陽能電池板+鋰電池的方式供電。太陽能電池板材料選擇單晶硅，功率為20 W，大容量鋰電池選擇容量100 Ah，12 V 酸性免維護可充電蓄電池，滿足連續陰雨的天氣下運行不少于15 d，具有過流、過壓、過充、反極性等自動保護功能。

3.2 網關節點

網關節點由微控制器、太陽能供電模塊、LoRa通信模塊及GPRS 模塊組成，是數據采集節點和監測平臺之間的橋梁。結構框如圖6 所示。

圖6 網關節點結構框

微控制器采用搭載三星S3C2440A 的Mini2440開發板，板載64 M SDRAM、128 M 的閃存，百兆網卡接口、USB 接口及JTAG 調試等接口，擁有強大的擴展能力。網關節點通過LoRa 通信模塊與采集節點進行通信，需要設置成網關模式，可以接收同頻率、同速率其他采集終端發送的數據。網關節點設備配置的參數如圖7所示。GPRS模塊型號為宏電H7718，該模塊能在惡劣環境下正常穩定運行，常用于水文氣象、智能交通等領域。

圖7 網關模式配置參數界面

4 監測平臺設計

為了滿足系統遠程監測的需求，根據管理權限不同，登錄時可以選擇普通用戶登錄或管理員登錄，便于用戶對區域精細化管理。遠程監測平臺采用JAVA編程語言進行開發，開發工具采用Eclipse IDE，以SQL Server 2012 作為數據庫，利用Tomcat 部署在系統上。遠程監測平臺采用B/S（Brower/Server）模式［13］，用戶通過瀏覽器即可查詢農田土壤墑情的信息。圖8 為遠程監測平臺界面，軟件界面的友好與實用，顯示10、20、40 cm 不同深度的農田土壤含水量，為科學灌溉、防旱防災提供準確的數據與技術支撐。

圖8 遠程監測平臺界面

5 小結

設計了一種基于LoRa 的農田土壤墑情監測系統，網絡通信采用星型拓撲結構，包括一個網關和多個終端采集節點。將土壤水分傳感器采集到的墑情數據通過LoRa 通信模塊上傳至網關，網關匯集數據后再傳輸到遠程監測平臺，實現了土壤墑情實時遠程傳輸、控制、顯示，為指導農田節水灌溉、抗旱減災工作提供重要的基礎信息。在數據傳輸方面，相比傳統GPRS 技術和Zig-Bee 技術的穩定性高、覆蓋廣、功耗更低、組網靈活。