一種基于LoRa+5G的低成本智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

張 濤，樊振興，宋青存，單海燕

（中國電子科技集團 第二十七研究所，河南 鄭州 450047）

0 引 言

我國是農(nóng)業(yè)大國，卻不是農(nóng)業(yè)強國，農(nóng)村人口有9億多，占全國總人口的70%左右，但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值僅占國民生產(chǎn)總值的20%。我國農(nóng)業(yè)土地分散、規(guī)模較小，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)多數(shù)還停留在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的階段，相當多的地區(qū)農(nóng)業(yè)基礎設施還比較落后，農(nóng)業(yè)勞動生產(chǎn)率還相對較低；且隨著農(nóng)村年輕一代大量進城務工，農(nóng)村空心化非常嚴重，為了追求高產(chǎn)量而大量使用化肥和農(nóng)藥，對水體、土壤、大氣和生物多樣性都造成了嚴重的影響，生態(tài)環(huán)境破壞嚴重，進而也極大影響農(nóng)作物的生長，糧食安全也無法保證。面對嚴峻的糧食安全形勢，黨和國家高度重視，歷年都將“三農(nóng)”問題作為國家的一號工程進行部署。

2016年9月，農(nóng)業(yè)部印發(fā)了《“十三五”全國農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化發(fā)展規(guī)劃》，提出“十三五”期間，把信息化作為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的制高點，以建設智慧農(nóng)業(yè)為目標，著力加強農(nóng)業(yè)信息基礎設施建設，著力提升農(nóng)業(yè)信息技術創(chuàng)新應用能力，著力完善農(nóng)業(yè)信息服務體系，加快推進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化、經(jīng)營網(wǎng)絡化、管理數(shù)據(jù)化、服務在線化，全面提高農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化水平[1]。

2017年1月，中央一號文件明確指出，2017年重點開展大田種植、設施園藝、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖4類數(shù)字農(nóng)業(yè)建設試點項目，結合產(chǎn)業(yè)類型，支持精準作業(yè)、精準控制設施設備、管理服務平臺等內容建設[2]。

2020年1月，中央一號文件明確指出，要加強現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設施建設，依托現(xiàn)有資源建設農(nóng)業(yè)農(nóng)村大數(shù)據(jù)中心，加快物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、人工智能、5G、智慧氣象等現(xiàn)代信息技術在農(nóng)業(yè)領域的應用[3]。農(nóng)業(yè)的智慧化和集約化生產(chǎn)迫在眉睫。

在國家政策、資金的持續(xù)引導下，我國建設了一批國家智慧農(nóng)業(yè)示范區(qū)，自主研制了一批智慧農(nóng)業(yè)傳感器、智能控制器、水肥一體化智能灌溉設備、智慧農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺等技術產(chǎn)品，對提高我國農(nóng)業(yè)智能化水平發(fā)揮了重要作用，我國智慧農(nóng)業(yè)應用得到了長足發(fā)展。據(jù)《中國互聯(lián)網(wǎng)+智慧農(nóng)業(yè)趨勢前瞻與產(chǎn)業(yè)鏈投資戰(zhàn)略分析報告》統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2015年中國智慧農(nóng)業(yè)潛在市場規(guī)模已達137.42億元，到了2017年中國智慧農(nóng)業(yè)潛在市場規(guī)模增長至175.73億元，截至2018年中國智慧農(nóng)業(yè)潛在市場規(guī)模突破200億元，達到了203.06億元。預計2020年我國智慧農(nóng)業(yè)潛在市場規(guī)模將達到267.61億元，2015—2020年復合增長率[4]將達到14.3%。我國智慧農(nóng)業(yè)市場前景廣闊，市場規(guī)模巨大。

在取得了大量成果的同時，我國智慧農(nóng)業(yè)在基礎研究、技術積累和規(guī)模化應用方面與發(fā)達國家還有較大的差距，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）核心傳感器技術研發(fā)投入不夠，國產(chǎn)傳感器的精度、可靠性還有待進一步提高；

（2）對動植物生長模型、智能決策理論算法研究不夠深入，很難實現(xiàn)按需精準控制；

（3）智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)總體成本相對較高，投入產(chǎn)出比還較低，不利于大規(guī)模普及應用[5]。

總之，低成本、低功耗、穩(wěn)定可靠的智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是我國農(nóng)業(yè)市場的迫切需求，因此，本文提出一種基于LoRa+5G的無線自組網(wǎng)技術的智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

1 智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

1.1 智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)概念

智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)以先進的傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術為基礎，由監(jiān)測預警系統(tǒng)、有線/無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)及軟件平臺組成，通過對監(jiān)測區(qū)域的土壤資源、水資源、氣候信息及農(nóng)情信息（苗情、墑情、蟲情、災情）等進行統(tǒng)一化監(jiān)控與管理，構建以標準體系、評價體系、預警體系和科學指導體系為主的網(wǎng)絡化、一體化智能監(jiān)管平臺[6]。實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精準感知、智能分析、主動預警和自動控制，使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)更“智能”，大大提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，顯著降低生產(chǎn)成本，最終達到改善產(chǎn)量品質、節(jié)水節(jié)肥、綠色種植的目的，確保我國農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收和糧食安全。

1.2 智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)三層體系架構

智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通常分為三個層次：感知層、傳輸層（網(wǎng)絡層）和應用層[7]。

（1）感知層。該層主要包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場景中各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息的采集，進行智能控制的信息的接收和執(zhí)行。智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器主要包括溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度、視頻、水流量、pH值、土壤墑情、土壤養(yǎng)分、重金屬探測、氣象探測等傳感器。技術方面，絕大部分傳感器技術基本成熟，可以做到實時在線精準探測，但土壤養(yǎng)分、重金屬探測兩類傳感器，目前在線探測關鍵技術還在不斷攻關中，還沒有真正的實現(xiàn)實時在線探測。成本方面，隨著傳感器用量的不斷增大，大部分傳感器成本已經(jīng)降下來了，但部分傳感器目前價格還相對較高，這也是影響智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素。

（2）傳輸層。傳輸層是智慧農(nóng)業(yè)的神經(jīng)中樞，該層的主要涉及將感知層采集的各類信息，通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡進行匯總，并將各種農(nóng)業(yè)信息進行融合，通過有線或無線方式，向智慧農(nóng)業(yè)信息平臺網(wǎng)絡發(fā)布。網(wǎng)絡層包含通信技術與計算機網(wǎng)絡技術的結合的網(wǎng)絡、信息中心和數(shù)據(jù)處理中心等。早期的智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，傳感器基本上采用的都是有線組網(wǎng)的方式。有線組網(wǎng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中存在諸多問題：一是設備的安裝比較麻煩，成本也較高；二是在生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)損壞。隨著無線傳輸技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)在多采用無線組網(wǎng)的方式來建設智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

（3）應用層。該層涉及的任務是將傳輸來的信息進行分析和處理，并根據(jù)信息進行分類和數(shù)據(jù)挖掘，為農(nóng)業(yè)決策提供數(shù)據(jù)依據(jù)，并對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設備進行遠程控制，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化和智慧化。應用層的主要應用包括：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時監(jiān)測、水肥一體化智能灌溉、農(nóng)事記錄和管理、農(nóng)作物追蹤溯源、災害早期預警和后期評估、專家系統(tǒng)等。

2 LoRa

遠距離無線電（Long Range Radio, LoRa）是低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）通信技術中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸技術。LoRa基于CSS（Chirp Spread Spectrum, CSS）調制技術，在保持低功耗的同時極大地增加了通信范圍，具有功耗低、傳輸距離遠、抗干擾能力強等特點。

LoRa的特點：

（1）傳輸距離：城鎮(zhèn)可達2～5 km，郊區(qū)可達15 km；

（2）工作頻率：全球免費頻段運行包括433 MHz，868 MHz，915 MHz等；

（3）標準：IEEE 802.15.4g；

（4）調制方式：基于擴頻技術、線性調制擴頻（CSS），具有前向糾錯（FEC）能力；

（5）容量：一個LoRa網(wǎng)關可以連接上千上萬個LoRa節(jié)點；

（6）功耗低：常規(guī)電池供電理論上可長達10年；

（7）安全：AES128加密；

（8）傳輸速率：幾百b/s到幾十Kb/s。

3 5G

5G，即第五代移動通信技術，是最新一代蜂窩移動通信技術，也是繼2G（GSM）、3G（UMTS、LTE）和4G（LTE-A、WiMax）系統(tǒng)之后的延伸[8]。5G網(wǎng)絡具有高速率、低時延、大帶寬、廣連接等特性。5G的主要優(yōu)勢在于：數(shù)據(jù)傳輸速率遠遠高于以前的蜂窩網(wǎng)絡，最高可達10 Gb/s，比4G LTE蜂窩網(wǎng)絡快100倍，滿足高清視頻、虛擬現(xiàn)實等大數(shù)據(jù)量傳輸；較低的網(wǎng)絡延遲，低于1 ms，滿足自動駕駛、遠程醫(yī)療等實時應用，而4G為30～70 ms；頻譜效率要比4G LTE提升10倍以上；超大網(wǎng)絡容量，提供千億設備的連接能力，滿足萬物互聯(lián)網(wǎng)絡需求；連續(xù)廣域覆蓋和高移動性下，用戶體驗速率達到100 Mb/s；系統(tǒng)協(xié)同化、智能化水平提升，表現(xiàn)為多用戶、多點、多天線、多攝取的協(xié)同組網(wǎng)，以及網(wǎng)絡間靈活地自動調整。

4 基于LoRa+5G的無線自組網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

基于LoRa+5G的無線自組網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)[9]是一種低成本、高效率的智能化農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。系統(tǒng)利用自主開發(fā)的LoRa物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關[10]，將各類傳感器通過無線自組網(wǎng)的方式實現(xiàn)互聯(lián)互通和互操作；通過自建LoRa基站，實現(xiàn)區(qū)域信號覆蓋，從而實現(xiàn)各物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關的數(shù)據(jù)匯集；再通過LoRa基站與5G基站的連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上下貫通。系統(tǒng)通過移動智能終端或PC，可實時監(jiān)測農(nóng)作物生長環(huán)境、智能化診斷和分析預警、智能化精準農(nóng)事管理和設備管理，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品全過程可追溯，確保農(nóng)產(chǎn)品品質高和安全可控。系統(tǒng)功能架構和系統(tǒng)功能架構如圖1、圖2所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡架構

圖2 系統(tǒng)功能架構

4.1 系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)功能界面如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能界面

（1）數(shù)據(jù)采集。農(nóng)作物生長現(xiàn)場溫度、濕度、光照度、土壤含水量、土壤養(yǎng)分等傳感器配合LoRa采集器與LoRa網(wǎng)關、LoRa基站實現(xiàn)自適應區(qū)域組網(wǎng)，再通過5G基站，將數(shù)據(jù)傳遞給云服務中心進行智能分析和處理。

（2）視頻監(jiān)控。用戶通過智能手機或電腦可以隨時隨地觀看到農(nóng)作物種植現(xiàn)場實際影像，遠程監(jiān)控農(nóng)作物生長情況。

（3）數(shù)據(jù)存儲。系統(tǒng)將采集的各類數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳至云服務中心進行存儲，以備隨時進行處理和查詢。

（4）數(shù)據(jù)智能分析。系統(tǒng)可根據(jù)用戶需求，將采集到的數(shù)值通過直觀的形式向用戶展示；可提供日報、月報等歷史報表。

（5）遠程控制管理。在獲得系統(tǒng)授權后，用戶在任何時間、任何地點通過任意聯(lián)網(wǎng)終端均可實現(xiàn)對大棚現(xiàn)場各種設備進行遠程控制。

（6）智能預警服務。系統(tǒng)允許用戶制定自定義的數(shù)據(jù)范圍，超出范圍的錯誤情況會在系統(tǒng)中進行標注，以達到報警的目的。

（7）統(tǒng)一認證管理。系統(tǒng)實現(xiàn)統(tǒng)一認證、集中管理控制，包括用戶管理、設備管理、認證管理、權限管理等功能。

（8）智能終端監(jiān)控管理。智能終端上可以實現(xiàn)與電腦終端同樣功能，實時查看由各種傳感器傳來的數(shù)據(jù)，并能手動控制大棚現(xiàn)場的噴淋、卷簾、風機等各種設備。

（9）自動控制。通過系統(tǒng)專家數(shù)據(jù)庫和智能算法，基于作物生長模型和傳感器數(shù)據(jù)，可智能調節(jié)農(nóng)作物生長環(huán)境參數(shù)，為農(nóng)作物營造最適合的生長環(huán)境。

（10）農(nóng)事管理。農(nóng)業(yè)管理人員可通過系統(tǒng)，合理制定農(nóng)事計劃，系統(tǒng)將準確記錄、存儲、分析和評估計劃執(zhí)行情況，為農(nóng)產(chǎn)品追蹤溯源提供基礎數(shù)據(jù)。

4.2 系統(tǒng)主要特性

（1）低功耗。系統(tǒng)采用超低功耗設計，傳感器平時處于休眠狀態(tài)，采用定時喚醒和數(shù)據(jù)異常變化喚醒相結合的模式，結合智能邊緣計算功能，減少正常數(shù)據(jù)頻繁傳輸，確保異常數(shù)據(jù)及時上報等。一般一節(jié)6 V /3 000 mA·h鋰電池，單傳感器可使用2～3年。

（2）低成本。系統(tǒng)采用LoRa無線自組網(wǎng)通信技術，設備安裝、使用、維護成本極低。

（3）無線自組網(wǎng)。傳感器初次加電后即發(fā)出“握手”信息，向最近的LoRa網(wǎng)關發(fā)出連接請求，LoRa網(wǎng)關自動對傳感器進行身份識別和解析后，實現(xiàn)智能組網(wǎng)。

（4）通信距離遠。LoRa網(wǎng)關實際無線控制監(jiān)測范圍達3～5 km，開闊區(qū)域可達到10 km。

（5）超大容量。單個LoRa網(wǎng)關可實現(xiàn)800個以上設備接入量，而且可通過中繼器進行多級拓撲，可滿足智能監(jiān)測控制的實際應用。

（6）抗干擾能力強。系統(tǒng)采用擴頻傳輸技術，前向糾錯技術設計，抗干擾能力強。

（7）安全可靠。系統(tǒng)具有自我巡檢功能，在固定的時間內，會自動收發(fā)數(shù)據(jù)一次，可有效預防數(shù)據(jù)傳輸故障；另外，設備按照軍工標準進行了嚴格的質量檢測和性能測試，設備可適用于高溫、嚴寒、潮濕等復雜環(huán)境。

（8）控制模式靈活智能。設備的控制模式采用了標準化模塊設計，可根據(jù)應用場景或設備的不同而靈活選擇電平控制、自動控制或者業(yè)務邏輯控制等控制模式。

5 結 語

本文提出了一種基于LoRa+5G的低成本智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，其是一種低成本、低功耗、大連接、智能化農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，現(xiàn)在和將來一段時間時期內都是一種非常實用且適合我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀的智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。其以低成本、易安裝、易維護、便捷性操作贏得廣大農(nóng)業(yè)從業(yè)者的青睞，為推進我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展和居民食品安全做出突出貢獻，具有非常廣闊的市場空間和應用前景。