基于LoRa 的農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

張靜芳，張 亞

（1.呼和浩特水文勘測局，呼和浩特 010020；2.水利部南京水利水文自動化研究所，南京 210012；3.江蘇南水科技有限公司，南京 210012）

中國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)田是用水大戶，用水量約占全國用水總量的63%，然而大量的水在灌溉中被蒸發(fā)。開展農(nóng)田土壤墑情的監(jiān)測可以實現(xiàn)適時適量灌溉，有效解決了農(nóng)業(yè)節(jié)水問題，充分發(fā)揮水資源和灌溉工程效益，從而達到節(jié)水增產(chǎn)、增效益的目的［1］。土壤墑情是政府決策部門實現(xiàn)節(jié)水的基礎(chǔ)信息，為指導農(nóng)業(yè)抗旱和合理配置水資源提供技術(shù)支持［2-4］。隨著自動化技術(shù)與通信技術(shù)快速發(fā)展，人工監(jiān)測的方式逐漸被取代，TDR 測量法能快速準確在線監(jiān)測土壤含水量，被普遍認為是最有效的在線土壤墑情測量手段［5］。

自然環(huán)境惡劣、地形復雜、移動公網(wǎng)無法覆蓋、傳輸信號不夠穩(wěn)定，同時采集節(jié)點分散、無法組網(wǎng)，容易導致農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測效果非常不理想。針對這一問題，設(shè)計了基于LoRa 的農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)，采用土壤水分傳感器采集墑情數(shù)據(jù)，通過LoRa通信模塊上傳至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)匯集數(shù)據(jù)后再經(jīng)GPRS模塊傳輸?shù)竭h程監(jiān)測平臺，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程傳輸、顯示、查詢，為抗旱減災(zāi)相關(guān)部門提供技術(shù)支撐。

1 低功耗廣域網(wǎng)

低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN，Low Power Wide Area Network）是一種低功耗遠距離的無線通信網(wǎng)絡(luò)，由于其網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、終端功耗低等特點適用于大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景［6］。與傳統(tǒng)的Zig-Bee、Bluetooth、Wi-Fi 等無線通信方式相比較，LPWAN 的傳輸距離更遠，一般在公里級，而且功耗低，電池供電的設(shè)備使用壽命可達數(shù)年，主流通信技術(shù)對比如圖1 所示。LoRa 是LPWAN 通信技術(shù)的一種，是一種基于擴頻通信的超遠距離無線傳輸技術(shù)，很好地解決傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸距離遠與低功耗不能兼得的困難［7，8］。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)主要包括土壤水分采集單元、網(wǎng)關(guān)節(jié)點和遠程監(jiān)測單元3 個部分，其整體架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 總體架構(gòu)

采集單元主要采集土壤含水率的信息，將不同節(jié)點信息通過LoRa 模塊匯聚于網(wǎng)關(guān)節(jié)點，網(wǎng)關(guān)節(jié)點由LoRa 和GPRS 通信模塊集成組成，無線網(wǎng)關(guān)與終端采集節(jié)點采用星型拓撲結(jié)構(gòu)［9］，各采集節(jié)點將所獲得的數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸給網(wǎng)關(guān)節(jié)點，網(wǎng)關(guān)節(jié)點再將數(shù)據(jù)通過GPRS 通信模塊傳輸?shù)奖O(jiān)測平臺，再按協(xié)議進行處理、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)等操作。不同用戶可通過遠程監(jiān)測單元登錄電腦終端或移動端的交互平臺，實時查詢農(nóng)田土壤墑情信息，為指導農(nóng)業(yè)抗旱提供技術(shù)支撐。

3 硬件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集節(jié)點采用土壤水分傳感器、主控制器、太陽能供電模塊、LoRa通信模塊，結(jié)構(gòu)框如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集節(jié)點結(jié)構(gòu)

3.1.1 土壤水分傳感器 該系統(tǒng)采用國產(chǎn)的基于TDR 原理SOILTOP-200 土壤水分傳感器，相比傳統(tǒng)的TDR 墑情傳感器，其采用頻域頻率步進體制和矢量接收技術(shù)測量土壤水分［10］，實現(xiàn)對于土壤體積含水率的TDR 測量，具有精確度高，通用性強，抗干擾能力強等優(yōu)勢。土壤水分傳感器如圖4 所示。

圖4 土壤水分傳感器

3.1.2 主控制器 主控制器采用STM32L475VET6，是一個基于ARM Cortex?-M4 內(nèi)核的32 位處理器，采用ARMv7ME 架構(gòu)，支持所有ARM 單精度數(shù)據(jù)處理指令和數(shù)據(jù)類型。內(nèi)部高達512 kb 大小的Flash，支持讀寫同步，高達128 kb 大小的SRAM 其中包含32 kb 預警奇偶校驗，具有強勁的處理性能、較低功耗、處理速度快等特點［11］。

3.1.3 LoRa 通信模塊 LoRa 通信模塊采用宏電H6820 LoRa 模塊，支持433、470、490 等Sub-GHz 頻段，采用工業(yè)級32 位處理器和射頻模塊，H6820 模塊支持4 種工作模式，即終端模式、網(wǎng)關(guān)模式、點對點模式和中繼模式［12］。（1）終端模式——默認工作模式。與網(wǎng)關(guān)進行通信，將客戶傳感器數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)關(guān)；（2）點對點模式——實現(xiàn)兩節(jié)點模塊之間互相通信；（3）網(wǎng)關(guān)模式——實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)功能，充當LoRa 集中器應(yīng)用，負責匯集本地所有傳感器數(shù)據(jù)及下發(fā)客戶采集器控制指令；（4）中繼模式——用來中繼終端與網(wǎng)關(guān)之間的數(shù)據(jù)。LoRa 模塊實物如圖5 所示。

圖5 宏電H6820 LoRa 模塊外觀

3.1.4 太陽能供電模塊 太陽能供電模塊選擇使用太陽能電池板+鋰電池的方式供電。太陽能電池板材料選擇單晶硅，功率為20 W，大容量鋰電池選擇容量100 Ah，12 V 酸性免維護可充電蓄電池，滿足連續(xù)陰雨的天氣下運行不少于15 d，具有過流、過壓、過充、反極性等自動保護功能。

3.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點

網(wǎng)關(guān)節(jié)點由微控制器、太陽能供電模塊、LoRa通信模塊及GPRS 模塊組成，是數(shù)據(jù)采集節(jié)點和監(jiān)測平臺之間的橋梁。結(jié)構(gòu)框如圖6 所示。

圖6 網(wǎng)關(guān)節(jié)點結(jié)構(gòu)框

微控制器采用搭載三星S3C2440A 的Mini2440開發(fā)板，板載64 M SDRAM、128 M 的閃存，百兆網(wǎng)卡接口、USB 接口及JTAG 調(diào)試等接口，擁有強大的擴展能力。網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過LoRa 通信模塊與采集節(jié)點進行通信，需要設(shè)置成網(wǎng)關(guān)模式，可以接收同頻率、同速率其他采集終端發(fā)送的數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)備配置的參數(shù)如圖7所示。GPRS模塊型號為宏電H7718，該模塊能在惡劣環(huán)境下正常穩(wěn)定運行，常用于水文氣象、智能交通等領(lǐng)域。

圖7 網(wǎng)關(guān)模式配置參數(shù)界面

4 監(jiān)測平臺設(shè)計

為了滿足系統(tǒng)遠程監(jiān)測的需求，根據(jù)管理權(quán)限不同，登錄時可以選擇普通用戶登錄或管理員登錄，便于用戶對區(qū)域精細化管理。遠程監(jiān)測平臺采用JAVA編程語言進行開發(fā)，開發(fā)工具采用Eclipse IDE，以SQL Server 2012 作為數(shù)據(jù)庫，利用Tomcat 部署在系統(tǒng)上。遠程監(jiān)測平臺采用B/S（Brower/Server）模式［13］，用戶通過瀏覽器即可查詢農(nóng)田土壤墑情的信息。圖8 為遠程監(jiān)測平臺界面，軟件界面的友好與實用，顯示10、20、40 cm 不同深度的農(nóng)田土壤含水量，為科學灌溉、防旱防災(zāi)提供準確的數(shù)據(jù)與技術(shù)支撐。

圖8 遠程監(jiān)測平臺界面

5 小結(jié)

設(shè)計了一種基于LoRa 的農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)通信采用星型拓撲結(jié)構(gòu)，包括一個網(wǎng)關(guān)和多個終端采集節(jié)點。將土壤水分傳感器采集到的墑情數(shù)據(jù)通過LoRa 通信模塊上傳至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)匯集數(shù)據(jù)后再傳輸?shù)竭h程監(jiān)測平臺，實現(xiàn)了土壤墑情實時遠程傳輸、控制、顯示，為指導農(nóng)田節(jié)水灌溉、抗旱減災(zāi)工作提供重要的基礎(chǔ)信息。在數(shù)據(jù)傳輸方面，相比傳統(tǒng)GPRS 技術(shù)和Zig-Bee 技術(shù)的穩(wěn)定性高、覆蓋廣、功耗更低、組網(wǎng)靈活。