基于LoRa技術(shù)山區(qū)茶園環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

程艷明，徐嘉欣，牛 晶

（1.北華大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，吉林省吉林市 132021；2.吉林化纖集團(tuán)有限責(zé)任公司規(guī)劃發(fā)展部，吉林省吉林市 132011）

1 概述

基于物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的茶園環(huán)境整體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過在茶園從空氣到土壤的環(huán)境里安裝各類茶園所需的傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控茶園上空的大氣壓力、風(fēng)速風(fēng)向、溫度濕度、光照輻射總量以及土壤成份等茶樹生長(zhǎng)情況。通過運(yùn)用這些傳感器組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)為專業(yè)的茶葉種植人員提供詳細(xì)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為專業(yè)人員及時(shí)調(diào)整和控制茶園培育環(huán)境提供專業(yè)依據(jù)，也為質(zhì)檢部門提供可靠的數(shù)據(jù)。但是由于監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝于山區(qū)野外環(huán)境，氣象條件和地理環(huán)境相對(duì)比較惡劣，通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋情況也比較不理想，如果在傳統(tǒng)的山區(qū)茶園監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采集層和數(shù)據(jù)傳輸層中引入LoRa技術(shù)，可極大提高茶園環(huán)境監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和可靠性，保障全天24h實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)、準(zhǔn)確為茶園耕作管理提供有效依據(jù)。

2 LoRa無線技術(shù)

LoRa是LPWAN通信技術(shù)中的一種，是美國(guó)Semtech公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案。目前，LoRa主要在全球免費(fèi)ISM頻段運(yùn)行，包括433、868、915 MHz等；協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)采用IEEE 802.15.4g；調(diào)制方式采用基于擴(kuò)頻技術(shù)的線性調(diào)制擴(kuò)頻（CSS），該技術(shù)具有前向糾錯(cuò)（FEC）能力；在容量方面，一個(gè)LoRa網(wǎng)關(guān)可以連接上千上萬個(gè)LoRa節(jié)點(diǎn)；電池壽命可長(zhǎng)達(dá)10年以上；安全加密技術(shù)采用AES128加密；傳輸速率從幾百到幾十Kbps；LoRa的名字由來即遠(yuǎn)距離無線電（Long Range Radio），它最大特點(diǎn)就是在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一，它在同樣的功耗下比傳統(tǒng)的無線射頻通信距離擴(kuò)大3-5倍。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證LoRa網(wǎng)關(guān)在高山、峽谷地形的衍射、反射能力較強(qiáng)，覆蓋效果良好。在多網(wǎng)關(guān)部署的情況下，對(duì)盲區(qū)會(huì)有很好補(bǔ)充覆蓋效果。即使在山區(qū)，LoRa網(wǎng)關(guān)的平均覆蓋距離也能保證在5千米左右。因此，LoRa技術(shù)比較適合應(yīng)用到山區(qū)茶園檢測(cè)系統(tǒng)中。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)茶園LoRa網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由LoRa終端即帶有各檢測(cè)功能的傳感器設(shè)備、LoRa網(wǎng)關(guān)（或稱基站）、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器以及應(yīng)用服務(wù)器組成。應(yīng)用數(shù)據(jù)可雙向傳輸。具體如下：

（1）系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，第一層為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集。采集茶園各監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。第二層為遠(yuǎn)程無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。通過LoRa或衛(wèi)星（如果需要）通訊方式，平臺(tái)可向監(jiān)測(cè)站發(fā)送上傳數(shù)據(jù)命令，監(jiān)測(cè)站可即時(shí)上報(bào)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)。第三層為數(shù)據(jù)匯聚平臺(tái)，通過網(wǎng)絡(luò)連接監(jiān)測(cè)中心站實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

（2）系統(tǒng)采用信息無線采集、軟件工程設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議、無線通信技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)?？蓪?shí)現(xiàn)快速采集和存儲(chǔ)茶園各個(gè)測(cè)點(diǎn)的大氣壓、空氣溫濕度，光照、雨量、土壤營(yíng)養(yǎng)成份等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及監(jiān)測(cè)設(shè)備工作電壓和環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。

（3）前端采集數(shù)據(jù)的傳感器與數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K端均集成LoRa通訊模塊上，適應(yīng)于高海拔山區(qū)復(fù)雜地形、高低溫環(huán)境下工作，具有低功耗、穩(wěn)定性高、便于安裝等特點(diǎn)，完全滿足惡劣的野外工作條件。

（4）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可支持GPRS/4G/衛(wèi)星等通訊方式發(fā)送至多個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心，并滿足通過LoRa無線傳感網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)以及中心節(jié)點(diǎn)之間可相互通信。網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間通過TCP/IP協(xié)議通信。

4 系統(tǒng)特點(diǎn)

基于LoRa技術(shù)實(shí)現(xiàn)的山區(qū)茶園環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）一體化設(shè)計(jì)理念。數(shù)據(jù)采集LoRa終端采用模塊化思路設(shè)計(jì)，具有低功耗和低成本的特點(diǎn)。LoRa網(wǎng)關(guān)可對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中管理和控制，并將采集到的傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。

（2）網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的自愈性。在無需人工干預(yù)的情況下，LoRa網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠感知其他節(jié)點(diǎn)的存在，并確定鏈接關(guān)系，然后組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變化或故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)可自我進(jìn)行修復(fù)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，保證系統(tǒng)穩(wěn)定正常工作。

（3）具有較高兼容性。LoRa網(wǎng)關(guān)具備協(xié)調(diào)器功能，除完成接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的請(qǐng)求和數(shù)據(jù)，終端節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)管理，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的維護(hù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自組織功能，如果需要遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可鏈接GPRS/4G網(wǎng)絡(luò)，完成與監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸和命令管理，完全滿足茶園環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸要求。

（4）具有較強(qiáng)的抗干擾性。為保證監(jiān)測(cè)中心可以隨時(shí)正確獲取監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)、讀取任意時(shí)段數(shù)據(jù)或各監(jiān)測(cè)點(diǎn)工作狀態(tài)等信息，數(shù)據(jù)到達(dá)監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器后，首先由通訊程序接收數(shù)據(jù)，通訊程序負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行拆包、解碼，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行糾檢錯(cuò)處理，這一過程減少了數(shù)據(jù)的誤碼率、提高了數(shù)據(jù)完整率。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)合成后被存入數(shù)據(jù)庫中并存入日志文件中。

（5）具有較低的功耗設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用定時(shí)喚醒的模式來管理各級(jí)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)需要采集數(shù)據(jù)時(shí)，由監(jiān)控中心下發(fā)命令給中心節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)再來喚醒各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，開始數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

（6）具有較低運(yùn)維成本。相比ZigBee/WiFi數(shù)據(jù)傳輸，LoRa數(shù)據(jù)傳輸，具有相對(duì)較少的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)并且功耗很低，這樣可大幅降低項(xiàng)目后期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。

5 結(jié)論

隨著基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展，本論文通過對(duì)現(xiàn)有基于ZigBee/WiFi技術(shù)實(shí)現(xiàn)的智慧茶園的分析，特別是在高海拔山區(qū)復(fù)雜地貌的茶園，基于ZigBee/WiFi的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能很好的進(jìn)行信號(hào)無死角的全覆蓋，甚至采集數(shù)據(jù)在傳輸過程丟失。因此本論文將LoRa無線網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)引入到茶園環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，最主要的是提高了信號(hào)的完全覆蓋，保證了各監(jiān)測(cè)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠的傳輸。同時(shí)降低了整體系統(tǒng)的功耗，節(jié)約了系統(tǒng)成本，提高了茶園監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，可在茶園環(huán)境監(jiān)測(cè)中加以推廣。