基于LoRa技術(shù)的農(nóng)業(yè)土壤調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：隨著科技的持續(xù)進(jìn)步與廣泛應(yīng)用，智能化灌溉已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要趨勢。在此背景下，介紹一種基于LoRa技術(shù)的農(nóng)業(yè)土壤調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，并對該系統(tǒng)的功能、總體架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)通信過程、硬件開發(fā)設(shè)計(jì)、Android移動客戶端和Web端軟件開發(fā)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行深入分析。該系統(tǒng)基于LoRa無線傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對土壤濕度數(shù)據(jù)的實(shí)時采集與水泵的智能控制。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)所采用的設(shè)計(jì)策略在智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，能夠顯著增強(qiáng)自動化信息服務(wù)的效能與水平。

關(guān)鍵詞：LoRa；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；智慧農(nóng)業(yè)；土壤調(diào)節(jié)；智能化灌溉；智云服務(wù)器

中圖分類號：TP391.44；TN929.5；S365 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）05-00-05

0 引 言

目前，我國的灌溉方式主要依賴農(nóng)民的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，存在水資源浪費(fèi)和灌溉不均等弊端[1]。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)急需向智能化、信息化的智慧農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，為農(nóng)業(yè)的智能化發(fā)展提供了極大的便利[2]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心思想是借助無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)，將現(xiàn)實(shí)世界的事物和數(shù)字信息相聯(lián)結(jié)，實(shí)現(xiàn)智能化、自動化管理[3]。物聯(lián)網(wǎng)涵蓋感知、傳輸、處理、控制等多個環(huán)節(jié)，具有強(qiáng)大的傳感識別與智能嵌入能力[4]。

針對ZigBee網(wǎng)絡(luò)在智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用中存在的單跳傳輸距離短、多跳組網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、信號易干擾、丟包率和誤碼率高、實(shí)用性差等缺點(diǎn)[5]，提出一種基于LoRa技術(shù)的農(nóng)業(yè)土壤調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)利用LoRa的超高速、低時延、多通道的優(yōu)勢并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，能夠?qū)崟r采集和監(jiān)測溫度、濕度和土壤水分等數(shù)據(jù)。系統(tǒng)能夠通過搭建的網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)器，協(xié)助管理人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，從而顯著提升管理人員的工作效率。通過對通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云平臺的綜合應(yīng)用，管理人員可以遠(yuǎn)程實(shí)時調(diào)控設(shè)備，進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)、水泵控制等操作，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)業(yè)環(huán)境的智能調(diào)控。

1 系統(tǒng)功能及架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 農(nóng)業(yè)土壤調(diào)節(jié)系統(tǒng)功能

農(nóng)業(yè)土壤調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠?qū)崟r控制水泵的開關(guān)，并將控制結(jié)果即時反饋給相關(guān)節(jié)點(diǎn)。同時，該系統(tǒng)還能實(shí)時收集溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)推送至智云數(shù)據(jù)中心，使得用戶可以通過Android移動客戶端和Web端隨時隨地了解土壤狀態(tài)。系統(tǒng)功能說明見表1。

1.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)土壤調(diào)節(jié)系統(tǒng)基于智云物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的四層架構(gòu)模型進(jìn)行深入分析，具體如圖1所示。

感知層：主要包含采集類、控制類傳感器。由STM32F103

單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)采集與繼電器的控制。

網(wǎng)絡(luò)層：感知層節(jié)點(diǎn)同網(wǎng)關(guān)之間的無線通信借助LoRa技術(shù)實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)關(guān)同智云服務(wù)器、上層應(yīng)用設(shè)備間通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

平臺層：平臺層主要負(fù)責(zé)提供基于互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)存儲、交換、分析功能。同時，該層還支持物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、遠(yuǎn)程訪問及有效控制。

應(yīng)用層：應(yīng)用層主要是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的人機(jī)交互接口，通過PC端、移動端為用戶提供界面友好、操作交互性強(qiáng)的應(yīng)用。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信過程

農(nóng)業(yè)土壤調(diào)節(jié)系統(tǒng)傳輸過程分為三部分：傳感節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)，客戶端（Android、Web），其通信流程如圖2所示。

（1）傳感器節(jié)點(diǎn)通過LoRa網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)的協(xié)調(diào)器進(jìn)行組網(wǎng)，網(wǎng)關(guān)的協(xié)調(diào)器通過串口與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

（2）底層節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過 LoRa網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)服務(wù)，通過實(shí)時數(shù)據(jù)推送服務(wù)將數(shù)據(jù)推送給所有連接網(wǎng)關(guān)的客戶端。

（3）客戶端（Android、Web）應(yīng)用通過調(diào)用智云數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)采集等功能。

3 系統(tǒng)硬件開發(fā)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件說明

農(nóng)業(yè)土壤調(diào)節(jié)系統(tǒng)中主要使用到的傳感器有以下兩種：

（1）溫濕度傳感器：型號為HTU21D，采用數(shù)字信號輸出方式，通過I2C通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該傳感器的溫度測量范圍為-40～125 ℃，濕度測量范圍為5%RH～95%RH。

（2）繼電器控制模塊：輸出無線節(jié)點(diǎn)的兩路繼電器接口，支持5 V電源開關(guān)控制。

3.2 系統(tǒng)底層開發(fā)框架

本項(xiàng)目底層開發(fā)的函數(shù)名稱及功能見表2。

3.3 傳感器驅(qū)動程序流程分析

土壤溫濕度傳感器屬于采集類傳感器，設(shè)定每隔30 s（默認(rèn)）主動上報(bào)傳感器數(shù)值。智能無線土壤溫濕度檢測程序邏輯如圖3所示。

水泵控制模塊屬于控制類傳感器，設(shè)定每隔30 s（默認(rèn)）主動上報(bào)傳感器數(shù)值。智能無線水泵控制檢測程序邏輯如圖4所示。

4 系統(tǒng)Android移動端軟件開發(fā)設(shè)計(jì)

4.1 Android工程設(shè)計(jì)框架

Android Studio開發(fā)環(huán)境中的本項(xiàng)目工程目錄列表如圖5所示。

系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)框架說明見表3。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

智云物聯(lián)云平臺為用戶提供了實(shí)時數(shù)據(jù)推送服務(wù)的API接口，用戶根據(jù)這些API接口可以實(shí)現(xiàn)與底層傳感器的信息交互。用戶具備在底層自定義協(xié)議的能力，結(jié)合智云提供的API和自定義協(xié)議，可以輕松實(shí)現(xiàn)對底層傳感器的控制以及數(shù)據(jù)的采集。特別地，在智云Android應(yīng)用編程接口的設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)主要依賴于實(shí)時數(shù)據(jù)API接口來完成各項(xiàng)應(yīng)用功能的設(shè)計(jì)與開發(fā)。Application程序框架如圖6所示。

5 Web頁面功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 運(yùn)營首頁

Web端應(yīng)用在啟動時，默認(rèn)加載并展示運(yùn)營首頁頁面，該頁面上設(shè)有光照數(shù)據(jù)顯示模塊、補(bǔ)光燈控制模塊、遮陽簾控制模塊、模式切換模塊、光照閾值設(shè)備模塊按鈕。用戶只需點(diǎn)擊這些按鈕，便可進(jìn)入相應(yīng)模塊的展示或控制頁面，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)業(yè)土壤環(huán)境的調(diào)節(jié)與管理。運(yùn)營首頁頁面如圖7所示。

5.2 歷史數(shù)據(jù)查詢頁面

在歷史數(shù)據(jù)頁面可以對土壤溫度、濕度數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，歷史數(shù)據(jù)查詢頁面如圖8所示。

6 系統(tǒng)部署測試

6.1 硬件設(shè)備部署

系統(tǒng)的硬件構(gòu)成主要依托于XLab實(shí)驗(yàn)箱，其中核心組件包括經(jīng)典型無線節(jié)點(diǎn)ZXBeeLiteB、采集類傳感器Sensor-A、控制類傳感器Sensor-B以及Android智能網(wǎng)關(guān)。本項(xiàng)目需要使用采集類傳感器Sensor-A節(jié)點(diǎn)板、控制類傳感器Sensor-B節(jié)點(diǎn)板，按照實(shí)驗(yàn)箱的使用說明書進(jìn)行設(shè)備間的連接操作，硬件設(shè)備部署情況如圖9所示。

6.2 Web端應(yīng)用測試

在瀏覽器中打開本項(xiàng)目的index.html文件。此時，Web端主頁面中各個設(shè)備處于離線狀態(tài)，離線顯示如圖10所示。

當(dāng)系統(tǒng)設(shè)備的右上角狀態(tài)顯示為離線時，需要通過“更多信息”頁面輸入服務(wù)器ID與IDkey，以連接智云服務(wù)器。服務(wù)器連接成功后，系統(tǒng)主頁面顯示的設(shè)備狀態(tài)更新為在線。在線狀態(tài)下，即可通過“水泵”按鈕實(shí)時控制水泵的開關(guān)或通過歷史數(shù)據(jù)頁面查看土壤溫濕度曲線變化圖，具體如圖11、圖12和圖13所示。

6.3 Android移動端應(yīng)用安裝與測試

6.3.1 Android移動端應(yīng)用安裝

Android網(wǎng)關(guān)設(shè)備使用USB數(shù)據(jù)連接線通過OTG接口與PC的USB接口進(jìn)行連接。一旦連接建立并成功識別，用戶需在電腦上打開所連接的內(nèi)存設(shè)備，拷貝“SoilRegulaion.apk”文件到Android網(wǎng)關(guān)設(shè)備中，即可在Android網(wǎng)關(guān)上成功安裝該應(yīng)用。

6.3.2 Android移動端應(yīng)用測試

Android移動端應(yīng)用操作同Web端應(yīng)用操作流程基本一致，其主頁面如圖14所示。

7 系統(tǒng)應(yīng)用的優(yōu)勢

本文系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢：

（1）自動化：基于LoRa技術(shù)的農(nóng)業(yè)土壤調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠自動監(jiān)測溫濕度參數(shù)，并自動控制水泵灌溉設(shè)備，減少人工干預(yù)和操作，提高灌溉效率。

（2）智能化：通過對溫濕度環(huán)境數(shù)據(jù)的分析，系統(tǒng)能夠根據(jù)作物的生長需求和土壤狀況，智能控制灌溉設(shè)備的運(yùn)行時間和水量，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉。

（3）遠(yuǎn)程化：通過云平臺和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，用戶可以在任何地點(diǎn)對系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，方便快捷。

（4）可移動性強(qiáng)：由于采用無線通信技術(shù)，系統(tǒng)可以隨時移動和重新配置，適應(yīng)不同的環(huán)境和作物需求。

（5）抗干擾能力強(qiáng)：LoRa無線通信技術(shù)具有較低的功耗和較強(qiáng)的抗干擾能力，可以在各種環(huán)境條件下穩(wěn)定工作。

（6）提高水資源利用率：通過智能化灌溉控制，可以避免灌溉過量或不足，減少水資源浪費(fèi)，提高水資源利用率。

（7）提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量：農(nóng)業(yè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的精準(zhǔn)灌溉可以為作物提供最佳的生長環(huán)境，提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。

8 結(jié) 語

當(dāng)前，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)正成為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和可持續(xù)發(fā)展的重要引擎[6]。本文針對大田農(nóng)業(yè)所面臨的面積廣闊、布線困難及運(yùn)維成本高昂等問題，聚焦于農(nóng)田土壤環(huán)境的監(jiān)測與調(diào)控，依托物聯(lián)網(wǎng)與LoRa無線通信技術(shù)，提出了一套基于LoRa的農(nóng)業(yè)土壤調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。該系統(tǒng)通過精準(zhǔn)灌溉，最大限度地減少水資源浪費(fèi)，并提升灌溉用水效率。為確保系統(tǒng)的可靠性，本文對基于LoRa技術(shù)的農(nóng)業(yè)土壤調(diào)節(jié)系統(tǒng)做了整體測試[7]。測試結(jié)果表明，現(xiàn)場部署的采集設(shè)備能夠準(zhǔn)確采集土壤溫濕度數(shù)據(jù)，服務(wù)器端能夠順利接收并處理這些數(shù)據(jù)，控制端能夠精確控制水泵的開啟與關(guān)閉[8]。此外，Android移動客戶端與Web端均能夠?qū)崟r監(jiān)測數(shù)據(jù)、查詢歷史記錄等，為用戶提供了便捷的操作體驗(yàn)。該系統(tǒng)功能穩(wěn)定、操作簡便且實(shí)時性高，使用戶能夠輕松實(shí)現(xiàn)對設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境的遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控[9]。通過設(shè)置合理的閾值，系統(tǒng)能夠智能控制水泵的運(yùn)行，從而自動調(diào)節(jié)土壤溫濕度。總體而言，該系統(tǒng)有效解決了傳統(tǒng)灌溉方法存在的諸多問題，在節(jié)水、提效及生態(tài)保護(hù)等方面均展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了全新的解決方案。相信該系統(tǒng)能在更多農(nóng)業(yè)灌區(qū)中得到廣泛應(yīng)用，為推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化與可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量[10]。未來，將進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)功能，通過增加更多傳感器來豐富操作體驗(yàn)，提升系統(tǒng)的智能化水平。

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