基于LoRa通信技術的智能控制節水灌溉系統

雷萬榮，魏 堃，楊 超，孫國亮，楊德軍

（武威職業學院，甘肅 武威 733000）

國家統計局發布的相關數據和報告中指出，我國用水量最大的產業為農業[1]。如何提高農業水資源的利用率，已經成為政府管理部門關注的重點內容。由于傳統農業灌溉采用粗放式的漫灌，或者根據農作物的生長時期憑借經驗進行溝灌，農業水資源的有效利用率＜50%，造成了水資源的嚴重浪費。此外，傳統灌溉模式沒有考慮不同生育期的作物需水量，極易引發農作物產量和質量的下降[2]。針對我國農業用水量大且水利用系數低、用水精細化程度低等問題，許多地方采用了噴灌、滴灌、膜下灌溉、滲灌等技術，來提高水資源的利用率[3]。文章針對大面積無覆蓋的廣袤區域灌溉，基于LoRa通信技術，擬構建智能控制節水灌溉系統。該系統利用彭曼公式進行區域內灌溉量的預測并將灌溉指令傳輸至上位機，上位機接收到灌溉指令后通過無線電臺完成區域內電磁閥的開啟和停止，從而完成自適應地智能控制。

1 系統總體設計

基于LoRa通信的無線電臺控制智能節水灌溉系統中決策系統主要由上位機、灌溉決策系統、無線控制系統3個模塊組成。其中上位機可以完成灌溉決策系統中參數的設置，并與灌溉決策系統進行信息傳輸；灌溉決策系統主要以單片機為控制核心，外加其他外圍部件，主要是通過各種傳感器獲取灌溉區域內的環境參數，并經過彭曼公式計算出灌溉量，并下達灌溉指令；無線控制系統用于接受上位機傳輸來的灌溉指令，并將指令經無線傳輸后下達各灌溉區域內的電磁閥，從而完成精準灌溉。

2 灌溉決策控制設計

基于LoRa通信的無線電臺控制智能節水灌溉系統主要包括前向采集輸入模塊、單片機控制核心模塊、后向反饋輸出模塊、人機交互通信模塊、信息交互通信模塊。其中前向采集輸入模塊主要完成灌溉區域內環境參數的采集轉換；單片機控制核心模塊是整個決策系統的大腦，主要用于分析采集的環境參數，并根據彭曼公式計算出灌溉區域內的需水量，并將灌溉指令通過485通訊輸出至上位機；后向反饋輸出通道主要是用于控制本系統中的電磁閥的開啟和停止；人機交互模塊在本系統中采用觸摸屏來實現，主要完成采用彭曼公式預測灌溉需水量時所選用的灌溉區域內最適宜的參數設置；信息傳輸模塊主要指灌溉決策系統和上位機之間的通訊接口。

2.1 單片機控制核心模塊

在進行本系統總體方案設計后，需要根據控制系統的功能選擇核心元器件的型號參數，可選方案有以下幾種。一是STC51系列單片機：優點為網絡學習資源豐富，入門較快，學習成本較低。但對于數據量存儲較大的應用模塊存儲空間不夠用，不利于系統的后續擴展。二是STM32系列單片機：優點為外部通用I/O接口資源豐富，存儲器容量大。單片機內部包含有全雙工異步串行傳輸口、并行輸入輸出口、復位電路、內部時鐘電路等，可以滿足復雜應用系統的開發。

對比應用系統的功能、應用場合及擴展需求、數據存儲需求等，本研究最終選用了體積小、可嵌入的低功耗型的STM32系列單片機。單片機控制核心模塊主要用編寫的程序分析采集的溫度、濕度、光照度，并利用彭曼公式計算出區域內的灌溉需水量，然后將灌溉指令上傳至上位機，上位機經無線擴頻通訊傳輸至無線電臺，最終由無線電臺將灌溉指令下達至電磁閥完成灌溉的啟動和停止。

2.2 前向采集輸入模塊

主要包括對灌溉區域內的溫度、濕度、光照度數據的采集的各類傳感器。其中溫度、濕度的監控采用數字溫濕度變送器，光照度監控采用低電壓低功耗的光照度變送器。

2.2.1 溫濕度變送器

溫濕度變送器用于獲取灌溉區域內的環境空氣溫度、相對濕度數據。測量溫濕度采用的數字傳感器為高精度的溫濕度變送器。該傳感器接線方便，只需要正確連接4根線路即可采集溫濕度信號，采集的信息采用485通訊線傳輸。

2.2.2 光照度變送器

光照度變送器用于獲取灌溉區域內的光照度數據，具有較高的防水防塵等級，較強的耐惡劣環境能力、耐紫外線輻照，采用直流小電壓供電，功耗小，保證在高輻射的工作環境下有較長的使用壽命。

2.3 后向輸出反饋模塊

本系統中后向通道主要指控制灌溉的電磁閥設備。當電磁閥接收器收到無線電臺傳輸的來的控制信號后，電磁閥線圈會出現得電或失電情況，影響開關狀態，控制灌溉系統的啟停。

2.4 人機交互通信模塊

本系統人機交互模塊采用觸摸屏來設定灌溉區域最佳修正系數。因不同的作物在不同季節、不同生長周期下所需的溫度、濕度、光照度存在較大的差異。因此需在不同季節選擇不同的修正系數，以保證計算出作物所需的最佳灌溉量。

2.5 信息交互傳輸模塊

信息傳輸模塊主要由各種通訊接口組成，有串行傳輸接口和并行傳輸接口，包括觸摸屏與單片機控制核心模塊的信息傳輸、灌溉決策系統和上位機之間的通信。

3 無線電臺控制系統

無線電臺控制系統主要用于灌溉決策指令的下達。

3.1 電磁閥工作系統

電磁閥工作系統主要由電磁閥供電裝置、電磁閥無線信號接收器、電磁閥本體組成。

3.1.1 電磁閥供電裝置

電磁閥供電裝置采用太陽能供電，主要包括太陽能光伏組件、蓄電池、光伏控制器。其中光伏控制器包含有最大功率點跟蹤（MPPT）功能，可以保證太陽能光伏組件工作在最佳狀態。光伏控制器主要用于控制蓄電池的充放電，同時具有夜間防反充保護和組件極性反接保護功能。蓄電池主要用于存儲小型分布式光伏系統中多余的電能，同時由于光伏發電受環境制約因素較多，在夜間以及陰雨天氣發電不足時，可以采用蓄電池給電磁閥和無線信號接收器供電。

3.1.2 電磁閥無線信號接收器

無線信號接收器和光伏控制器連接，當接收到無線電臺傳輸來的信號后，會將信號傳輸給光伏控制器，控制電磁閥的線圈。

3.1.3 電磁閥本體

電磁閥作為工業控制領域內的一種關鍵執行機構，在市場上占有一定的地位。常見的電磁閥有直動式電磁閥、先導式電磁閥和分步直動式電磁閥3類。電磁閥的啟停需用無線電信號控制，并且控制系統需要保證在低壓狀態下可以精準測定灌溉量。因此系統選用可以應用于低壓甚至負壓場合的直動式電磁閥。

3.2 無線電臺

3.2.1 LoRa無線擴頻技術

與傳統的數字信號傳輸理念不同，LoRa無線擴頻技術指用遠大于信號本身的帶寬去傳輸信息。因此，攜帶相同能量的信號在更大的帶寬范圍內傳輸會使得信道內的信號噪聲比更低，這樣傳輸的信號受到外部信號干擾和誤碼率隨之降低。LoRa無線擴頻技術即犧牲帶寬來換取信號信噪比以此來提高信號傳輸的可靠性，同時可以使在遠距離信號傳輸前提下保證設備的功率較低。對于選定的無線電臺，其工作頻譜范圍較窄，顯然頻段不夠用。因此，此系統中無線電臺和電磁閥之間的通信采用時分多址的方式進行控制，即所有接收器和電臺通信時采用相同的頻率，在時間上輪流占用信道進行數據的傳輸，這樣可以實現高效率的頻譜利用率，并且可以降低設備成本，但這樣會使得電臺需要不停地掃描各個接收器的收發數據狀態，導致電臺運算量較大。

3.2.2 無線電臺選型

無線電臺在使用時需要考慮其傳輸距離、數據傳輸的誤碼率、傳輸速率、天線的架設、接口類型等因素。在本系統中，無線電臺工作于地面全覆蓋無遮擋的廣袤草原地區，因此不存在被墻體遮擋而導致傳輸距離下降的風險；LoRa無線通信采用擴頻技術，為防止在出現電磁干擾時造成電臺信息干擾、通信故障或系統崩潰，上位機發送來的決策指令轉換后的數字信號需要經過加密后傳輸至無線電臺，在電磁閥接收器經過解密后得到正確的灌溉指令；無線電臺的傳輸速率和傳輸距離之間存在相悖的關系，在要求傳輸距離大的前提下，一般會選擇較低的波特率，而波特率的降低勢必會導致傳輸速率變慢，這樣會導致接受端信息接收的延時會加大。但對于本系統，開啟、停止電磁閥的控制傳遞的數據量很小，時延是在可以接受的范圍之內；無線電臺的天線架設高度和傳輸距離相關性很大，應盡可能高一點，但需做好防雷保護工作。

4 軟件設計

基于LoRa通信的無線電臺控制智能節水灌溉系統其控制流程，見圖1。

圖1 決策中心執行流程圖Fig.1 The execution flow chart of decision center

本系統中灌溉區域內的蒸發量ET采用聯合國糧農組織公布的彭曼公式計算得到，彭曼公式在計算蒸發量時只考慮了天氣因素，但實際中的蒸發量還要受到地表的實際作物的生長情況、生長周期等影響。因此需要對計算蒸發量進行修正得到每日實際蒸發量ETc，其中作物系數K根據季節不同，植物生長周期不同選擇不同的值。

利用彭曼公式計算出實際蒸發量后，若忽略某段時期土壤內地下水補給量、土壤濕潤層增加而增加的水分保有量，根據土壤得到的水分和被消耗和蒸發、流失的水分守恒，便可計算區域內實際的灌溉需水量Q。

灌溉決策指令的下達還需要考慮未來一天的降水量H。若未來一天降水量H大于實際蒸發量ETc，則無需下達灌溉指令即灌溉需水量Q=0；若未來一天降水量H小于實際蒸發量ETc，則灌溉需水量Q為：

無線電臺接收到灌溉指令后，通過無線傳輸發送信號至灌溉區域接收端，從而使相應的電磁閥進行開關和通斷；同時在電磁閥開啟或停止后，接受器將信號反饋至電臺。電磁閥工作過程，見圖2。

圖2 電磁閥執行流程Fig.2 The solenoid valve execution process

決策中心進行分析后形成灌溉控制指令，再通過無線網絡將控制信號發送到灌溉區太陽能電磁閥執行系統，當某個電磁閥無線信號接收器接收到控制中心的電臺發出的控制信號時，接收器將控制信號經解密后根據指令決定電磁閥閥口打開或關閉，從而完成區域灌溉。

5 結語

文章提出了一種基于LoRa通信的無線電臺控制智能節水灌溉系統，對于大面積無覆蓋的廣袤區域灌溉，可根據作物生長情況智能控制灌溉量并能有效的提高用水效率。