基于LORA通信的茶園霧灌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐操喜，俞 龍，齊 攀，王躍亭，陽(yáng) 星,3

(1. 廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息學(xué)院，廣州 510800；2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院，廣州 510800；3. 廣州市農(nóng)瑞云信息科技有限責(zé)任公司，廣州 510800)

0 引 言

霧灌是指在通過(guò)人工方式模擬霧天氣，借此達(dá)到改變區(qū)域小氣候、節(jié)水灌溉等目的。在茶園種植過(guò)程中，霧灌操作將使得陽(yáng)光發(fā)生漫射，產(chǎn)生更多更易被茶樹(shù)利用的紅、黃光，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)茶葉的增產(chǎn)、增收[1-3]。為了提高霧灌的利用效率，獲得更好的灌溉效果，需要精細(xì)化分析霧灌對(duì)茶葉生長(zhǎng)環(huán)境的影響，繼而制定更加合理的灌溉策略。

隨著電子信息、計(jì)算機(jī)科學(xué)等技術(shù)的快速發(fā)展，研究人員開(kāi)始通過(guò)信息化手段采集茶園環(huán)境信息，逐漸取代人工現(xiàn)場(chǎng)采集：周立等[4-7]應(yīng)用不同通信網(wǎng)絡(luò)，獲取茶園環(huán)境信息，完成多點(diǎn)信息的采集；韓團(tuán)軍等[8,9]開(kāi)發(fā)不同的控制平臺(tái)，適應(yīng)不同的使用對(duì)象，完成茶園的及時(shí)、高效管理；李喬宇等[10]通過(guò)搭建多信息源獲取平臺(tái)，獲取茶園數(shù)字信息、圖像信息等，實(shí)現(xiàn)對(duì)茶園的全面、大范圍管理。

本文為實(shí)現(xiàn)在濕度較大、衰減較強(qiáng)的茶園中的環(huán)境信息采集，設(shè)計(jì)了一套基于LORA通信的茶園霧灌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。相較于其他環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，本系統(tǒng)通過(guò)選用抗干擾能力更強(qiáng)的LORA通信方式[11-17]，保證長(zhǎng)距離通信效果；引入嵌入式智能設(shè)備作為通信控制節(jié)點(diǎn)，完成數(shù)據(jù)緩存、編碼、轉(zhuǎn)發(fā)等操作，增強(qiáng)系統(tǒng)實(shí)用性和穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要包括茶園本地監(jiān)測(cè)單元、云服務(wù)器單元和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)單元三部分，其整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

茶園本地監(jiān)測(cè)單元主要采集茶園內(nèi)大氣溫濕度、土壤濕度等環(huán)境變量，構(gòu)建LORA通信網(wǎng)絡(luò)，將茶園內(nèi)不同節(jié)點(diǎn)信息收集、匯聚于通信控制節(jié)點(diǎn)，通信控制節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存、備份。本地監(jiān)測(cè)單元完成了茶園環(huán)境信息監(jiān)測(cè)的本地閉環(huán)控制。

云服務(wù)器端接收不同通信控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送的環(huán)境數(shù)據(jù)信息，按協(xié)議進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)等操作；同時(shí)，接收遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)的查詢命令，查詢特定地點(diǎn)、指定時(shí)段茶園信息。茶農(nóng)、專家等不同用戶可通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)單元登錄手機(jī)APP或電腦終端的交互平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)茶園的高效管理。

2 茶園通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

2.1 通信方式設(shè)計(jì)

茶樹(shù)生長(zhǎng)具有喜溫、喜濕、耐蔭等特點(diǎn)[18]，茶園常以梯田化、良種化、園林化等方式建設(shè)，堅(jiān)持等高梯層、密植綠化等標(biāo)準(zhǔn)[19-21]。霧灌是人工創(chuàng)建適宜茶樹(shù)生長(zhǎng)的環(huán)境，灌溉控制要求茶園通信具有抗干擾、高可靠、強(qiáng)繞射等特點(diǎn)。

為適應(yīng)茶園通信的以上特點(diǎn)，本系統(tǒng)在茶園內(nèi)選用LORA+4G的混合通信方式，LORA網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)本地信息采集，4G網(wǎng)絡(luò)將采集的信息接入云服務(wù)器。LORA通信具有強(qiáng)繞射、低功耗、長(zhǎng)距離等特點(diǎn)，采用星型組網(wǎng)方式，能很好地適應(yīng)野外通信；4G網(wǎng)絡(luò)單元可部署于固定監(jiān)測(cè)站或信號(hào)較好的地點(diǎn)，保證系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信的穩(wěn)定性和可靠性。

2.2 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)主要由充/供電電路和控制處理單元兩部分組成，如圖2圖3所示。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

圖3 終端節(jié)點(diǎn)實(shí)物與電路封裝圖

茶園野外環(huán)境缺乏供電設(shè)施，梯田式的建設(shè)使得茶樹(shù)每行高低分離，系統(tǒng)利用茶田間充沛的太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)供電。為方便系統(tǒng)的集中管理和靈活部署，利用GPS/北斗定位模塊獲取節(jié)點(diǎn)位置信息，并將位置信息作為不同終端節(jié)點(diǎn)的唯一標(biāo)識(shí)，實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)的管理。

意法半導(dǎo)體公司的STM32F103C8T6芯片具有性能高、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)選用其作為主控芯片以適應(yīng)野外低功耗、高可靠的需求。本地?zé)o線通信選用LORA模塊，LORA模塊因消除了同步開(kāi)銷和跳數(shù)，使其具有低功耗、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)；擴(kuò)頻技術(shù)的使用，允許終端與網(wǎng)關(guān)之間的通信可在不同頻率、速率下互不干擾的傳輸數(shù)據(jù)，滿足了茶園長(zhǎng)距離、大范圍使用的需求。

2.3 通信控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

通信控制節(jié)點(diǎn)同樣包括充/供電電路和控制處理單元兩部分，其結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示。

圖4 通信控制節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 通信控制節(jié)點(diǎn)電路封裝圖

通信控制節(jié)點(diǎn)作為茶園本地監(jiān)測(cè)單元的核心控制部分，需要更高的穩(wěn)定性和便捷的管理接口。為此，系統(tǒng)一方面選用規(guī)格更大的太陽(yáng)能電池板，另一方面以蓄電池替換鋰電池，保證電量的充足供應(yīng)。同時(shí)，為避免數(shù)據(jù)冗余堵塞，造成數(shù)據(jù)丟失，引入樹(shù)莓派進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提高了上傳云端數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

通信控制節(jié)點(diǎn)選用樹(shù)莓派Zero_WH作為核心控制單元，通過(guò)串口通信方式，接受LORA通信模塊發(fā)送的茶園環(huán)境信息；4G通信單元選用華為ME909S-821無(wú)線通信模塊，通過(guò)USB接口與樹(shù)莓派連接，最終實(shí)現(xiàn)LORA網(wǎng)絡(luò)與4G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)對(duì)接。

3 云服務(wù)器端與用戶交互平臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用騰訊云服務(wù)器，安裝有Ubuntu 16.04 64位操作系統(tǒng)，利用MongoDB數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)不同節(jié)點(diǎn)獲取的環(huán)境信息，利用MYSQL數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)茶園管理人員信息，搭建JAVA運(yùn)行環(huán)境，使用Netty結(jié)構(gòu)完成數(shù)據(jù)接入等操作。

用戶交互平臺(tái)主要采用JAVA語(yǔ)言進(jìn)行PC端和Android應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。其中，PC端采用B/S(Brower/Server)模式[22]，茶農(nóng)通過(guò)瀏覽器即可進(jìn)行茶園環(huán)境信息查詢等操作；Android應(yīng)用程序則選用Android Studio作為開(kāi)發(fā)工具，采用MVC設(shè)計(jì)模式，將模型、視圖和控制進(jìn)行各自的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果

為測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)地運(yùn)行情況，將系統(tǒng)部署于廣州市鐘落潭鎮(zhèn)廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院示范茶田內(nèi)，對(duì)霧灌主要影響的土壤溫濕度、大氣溫濕度等信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)[23-25]。示范田內(nèi)種植有英紅九號(hào)紅茶，并配有霧灌裝置，其部署如圖6所示，終端節(jié)點(diǎn)、通信控制節(jié)點(diǎn)野外部署如圖7所示。

圖6 實(shí)地測(cè)試部署圖

圖7 通信控制節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)野外部署實(shí)物圖

系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測(cè)由2019年3月1日至2019年3月21日近20 d的土壤、大氣溫濕度情況；其中3月4日至3月10日，示范田所在地區(qū)陸續(xù)出現(xiàn)降雨，其中3月4日小雨、3月5日中雨、3月6日中雨、3月7日大雨轉(zhuǎn)中雨，3月8日小雨、3月7日中雨轉(zhuǎn)小雨和3月10日小雨。

4.1 土壤溫濕度監(jiān)測(cè)測(cè)試

土壤溫濕度是衡量灌溉效果、水土保持的重要因素之一，因此我們對(duì)土壤溫濕度也做了監(jiān)測(cè)。測(cè)試時(shí)，根據(jù)英紅九號(hào)種植規(guī)范，在40 cm深土層處埋入土壤溫濕度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[26]，其結(jié)果如圖8所示。

圖8 土壤溫濕度監(jiān)測(cè)結(jié)果

由圖8(a)所示，在霧灌情況下，除下雨期間(96～220 h)土壤降溫明顯，其他時(shí)間變化較小，大氣溫度在大暴雨過(guò)后出現(xiàn)最低溫度(190 h左右)，因此在土壤降溫方面，霧灌操作相對(duì)于降水對(duì)土壤溫度的影響效果較小，不能較大程度的提升土壤溫度。由圖8(b)可知，土壤的含水率在96～220 h區(qū)間總體呈上升趨勢(shì)，在220～400 h區(qū)間總體呈下降趨勢(shì)；大暴雨(190 h左右)天氣土壤含水率出現(xiàn)偏高現(xiàn)象(維持在55%左右)，土壤含水率240～400 h期間基本上維持在25%，在整個(gè)試驗(yàn)期間的土壤含水率維持在15%～25%之間，因此在水土保持方面，霧灌能夠保持土壤的含水量，使其在大部分時(shí)間內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，保證了茶葉等作物生長(zhǎng)在一個(gè)含水率較穩(wěn)定的環(huán)境中。同時(shí)監(jiān)測(cè)到暴雨過(guò)后溫度和含水量出現(xiàn)極值現(xiàn)象，能有效地為茶農(nóng)提供預(yù)警提示，以便茶農(nóng)提前根據(jù)土壤溫濕度值的變化情況來(lái)采取相應(yīng)的處理對(duì)策。

4.2 大氣溫濕度監(jiān)測(cè)測(cè)試

大氣濕度、環(huán)境溫度同樣影響著茶樹(shù)的品質(zhì)、產(chǎn)量，霧灌將直接影響著大氣溫濕度。系統(tǒng)對(duì)在霧灌影響下的大氣溫濕度進(jìn)行了記錄、統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果如圖9所示。當(dāng)遇到雨水天氣或霧灌時(shí)大氣濕度將超過(guò)100%，水分在空氣中將以液體的形式存在；大氣溫度隨著空氣濕度的增加而降低；可見(jiàn)，霧灌方式可影響大氣溫濕度，營(yíng)造適合茶樹(shù)生長(zhǎng)的環(huán)境。

圖9 大氣溫濕度監(jiān)測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論與討論

本文針對(duì)霧灌操作所主要影響的大氣溫濕度、土壤溫濕度進(jìn)行了信息化監(jiān)測(cè)。測(cè)試結(jié)果表明，霧灌對(duì)土壤溫度影響不大，但具有較好的水分保持效果；對(duì)大氣溫濕度有著較好的作用效果，通過(guò)制定合理的霧灌策略，調(diào)節(jié)大氣溫濕度達(dá)到茶葉增產(chǎn)增收的目的。系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中仍有不足之處，當(dāng)前霧灌監(jiān)測(cè)結(jié)論只適用40 cm土深層，對(duì)其他層次的土壤溫濕度影響，系統(tǒng)尚未研究；此外，系統(tǒng)在野外環(huán)境中持續(xù)、高效的運(yùn)行需要穩(wěn)定的能源供給，而連續(xù)陰雨天氣將對(duì)此產(chǎn)生較大障礙。