基于LoRa 技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

梁德明，魯冰程，夏紅莉

（AWL 農(nóng)業(yè)科技（泰州）有限公司，江蘇 泰州 225300）

0 引 言

現(xiàn)代科技學(xué)技術(shù)的發(fā)展，給農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來了非常重要的影響。當(dāng)前，我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型的步伐越來越快，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)以及現(xiàn)代通信技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的快速滲透，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的各個(gè)環(huán)節(jié)，幾乎都能夠看到相關(guān)技術(shù)應(yīng)用帶來的巨大變化。智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，不僅在很大程度上提高了農(nóng)業(yè)勞動生產(chǎn)力水平，同時(shí)還提高了社會資本、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各類要素的利用效率，從整體上提升了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的科技水平和競爭力[1]。智慧農(nóng)業(yè)利用物聯(lián)網(wǎng)以及現(xiàn)代通信技術(shù)等，構(gòu)建了集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)為一體的智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營系統(tǒng)，能夠?qū)Σ煌愋偷霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境及不同農(nóng)作物對象等進(jìn)行持續(xù)動態(tài)監(jiān)測，并通過農(nóng)業(yè)傳感設(shè)備感知農(nóng)作物的生長環(huán)境相關(guān)的參數(shù)指標(biāo)，例如對空氣溫濕度、光照等氣象參數(shù)、土壤溫濕度、電導(dǎo)率等土壤參數(shù)、植物莖稈果實(shí)生長參數(shù)、農(nóng)作物病蟲害情況等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，生產(chǎn)經(jīng)營者能夠根據(jù)分析結(jié)果與最優(yōu)指標(biāo)參考，隨時(shí)調(diào)控農(nóng)作物的生長環(huán)境，使其達(dá)到最優(yōu)。智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，在很大程度上提高了農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)，有助于提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營市場競爭力。

1 智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)整體技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)其具體功能的技術(shù)支撐。在過去很長一段時(shí)間中農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)，主要是由感知層、傳輸層以及應(yīng)用層三層子系統(tǒng)組成的基礎(chǔ)技術(shù)架構(gòu)。本研究對當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營管理方面的實(shí)際應(yīng)用情況，并系統(tǒng)分析了農(nóng)業(yè)智能化管理水平較低，數(shù)據(jù)分析缺乏以及數(shù)據(jù)處理不科學(xué)，提供的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理建議不合理等問題，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于LoRa 技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)相較于之前的系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)，增加了數(shù)據(jù)層，整體上包括了感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層4 個(gè)方面。

在上述4 個(gè)基礎(chǔ)技術(shù)架構(gòu)的支撐下，智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營管理全過程的智能化感知，進(jìn)行數(shù)據(jù)的深度挖掘和分析處理，通過智能終端呈現(xiàn)更加形象和清楚的分析結(jié)果，讓農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營者通過遠(yuǎn)程智能操作就能進(jìn)行相關(guān)控制和農(nóng)業(yè)管理活動[2]。

感知層系統(tǒng)是基于LoRa 無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)對農(nóng)作物生長的基礎(chǔ)環(huán)境信息和作物本體信息進(jìn)行感知，例如土壤中的溫度、濕度、電導(dǎo)率、pH 值、空氣溫度、濕度、太陽光照時(shí)長、輻射強(qiáng)度、降雨量、風(fēng)速風(fēng)向以及植物莖稈生長變化、果實(shí)生長變化、葉片溫度等本體參數(shù)。同時(shí)可以在感知層系統(tǒng)中設(shè)置高精度攝像系統(tǒng)，還能夠?qū)崿F(xiàn)對植物生長圖像信息的全天候監(jiān)控和數(shù)據(jù)信息采集。在感知層采集到上述相關(guān)的信息后，通過傳輸層將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)较到y(tǒng)的云平臺。應(yīng)用層通過接收來自集中控制系統(tǒng)發(fā)來的各項(xiàng)操作指令，進(jìn)而能夠進(jìn)行農(nóng)作物的灌溉、施肥以及農(nóng)藥噴灑等作業(yè)。

傳輸層承擔(dān)的是雙向傳輸信息數(shù)據(jù)的任務(wù)，方向一是傳輸從感知層采集系統(tǒng)傳來的數(shù)據(jù)信息，將其傳輸?shù)街腔坜r(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)層進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的存儲和分析；方向二是將系統(tǒng)控制中心發(fā)布的指令信息傳輸?shù)綉?yīng)用層，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對農(nóng)作物生長管理的遠(yuǎn)程智能化控制。

數(shù)據(jù)層是對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行集中智能化分析處理的核心應(yīng)用系統(tǒng)，其主要是為智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)計(jì)算分析服務(wù)。在接收到感知層傳來的數(shù)據(jù)信息后，對其進(jìn)行分類存儲和相關(guān)的數(shù)據(jù)清洗，以及不同類別信息的一致化轉(zhuǎn)化，從而讓系統(tǒng)能夠輸出標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)層將處理標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)信息放置到數(shù)據(jù)存儲模塊中，借助人工智能大數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)對相關(guān)信息數(shù)據(jù)的挖掘和深度分析，根據(jù)應(yīng)用層的實(shí)際需要進(jìn)行相關(guān)信息數(shù)據(jù)的提供和傳輸。

應(yīng)用層是整個(gè)智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的終端控制系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)終端、手機(jī)終端等設(shè)備，在上述三個(gè)系統(tǒng)的支持下，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)作物生長等各個(gè)環(huán)節(jié)的遠(yuǎn)程化監(jiān)控，及時(shí)動態(tài)地跟蹤和獲取農(nóng)作物的生長情況信息。用戶借助應(yīng)用層的專業(yè)應(yīng)用軟件上不同的功能，能夠?qū)r(nóng)作物進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，如日常的滅蟲、灌溉等，還可以與農(nóng)業(yè)專家進(jìn)行線上溝通交流，對農(nóng)業(yè)病蟲災(zāi)害進(jìn)行問診和咨詢。

2 基于LoRa 技術(shù)的一體化集成數(shù)據(jù)采集基站

智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的感知層設(shè)置不同功能的傳感器，這些不同功能的傳感器在日常工作狀態(tài)下能夠?qū)r(nóng)作物的生長環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行感知和采集，其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息量會很大。但是在上述數(shù)據(jù)信息的傳輸過程中，可能會由于傳感器自身的故障或者是傳輸網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定、信號弱等因素，導(dǎo)致采集到的數(shù)據(jù)精確度不夠，而傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也并不都是結(jié)構(gòu)化的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，還不能夠直接放置到數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)進(jìn)行存儲[3]。因此，在設(shè)計(jì)智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，需要對上述非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)信息以及有雜質(zhì)和噪聲的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行深度清洗，刪除無效和不相關(guān)以及錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)信息，在將這些信息進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，才能進(jìn)行存儲和分析。本文在研究中基于LoRa 技術(shù)設(shè)計(jì)一種一體化集成數(shù)據(jù)采集基站，通過該基站，使得不同功能的傳感器能夠更加科學(xué)合理地集成在數(shù)據(jù)采集基站。這種設(shè)計(jì)能夠在很大程度上減少傳感器的投放數(shù)量，使設(shè)備的投入和運(yùn)營成本變得相對較低，在提升系統(tǒng)智能化監(jiān)控水平的同時(shí)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的效益。

具體來說，該集成采集基站在設(shè)計(jì)時(shí)，分為地上和地下兩個(gè)模塊。地上基站主要內(nèi)置溫度傳感器、光照傳感器以及高清成像采集系統(tǒng)等，分布在農(nóng)作物生長環(huán)境的周圍；地下基站模塊內(nèi)置土壤水分傳感器、土壤酸堿度傳感器等，這類傳感器在地下，主要是對土壤環(huán)境的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集。這種基站地上和地下兩個(gè)模塊化結(jié)構(gòu)集中了農(nóng)作物生長監(jiān)控的主要傳感系統(tǒng)，大大降低了占地面積?；就ㄟ^LoRa技術(shù)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)信息傳輸。這種設(shè)計(jì)的基站模式功耗相對較低，而且能夠?qū)崿F(xiàn)較遠(yuǎn)距離的通信。

3 對農(nóng)作物數(shù)據(jù)信息進(jìn)行挖掘和分析

在數(shù)據(jù)層系統(tǒng)將感知層收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化處理之后，就可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和分析?；贚oRa 技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，在對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行挖掘和分析方面，運(yùn)用分類、聚類等數(shù)據(jù)挖掘算法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人工智能算法，對數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的農(nóng)作物數(shù)據(jù)信息進(jìn)行深度的挖掘和分析，能夠?qū)崿F(xiàn)對農(nóng)作物病蟲災(zāi)害的預(yù)警監(jiān)控，農(nóng)作物種植密度分析以及產(chǎn)量預(yù)測分析等，從而能夠提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化管理水平。例如，目前在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中比較成熟的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠集植物AI 數(shù)據(jù)庫、LoRa 芯片模組和云平臺為一體，為農(nóng)業(yè)企業(yè)提供智慧農(nóng)業(yè)解決方案，支持多樣化的物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)備，包括農(nóng)業(yè)里常用的電磁閥、配電箱、電動門、過濾器、燈光等，并將這些設(shè)備本身的數(shù)據(jù)，以及傳感器采集到的土壤溫度、濕度、pH 值、氮、磷、鉀等數(shù)據(jù)，基于LoRa 和通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆破脚_。在云端，把采集到的植物生長大數(shù)據(jù)，與農(nóng)科院的基礎(chǔ)植物數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對比修正，并結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的人工修正，形成最終的種植決策，通過LoRa 技術(shù)控制智能硬件和算法的執(zhí)行。過程中，云端積累海量的數(shù)據(jù)以形成植物生長模型，這些數(shù)據(jù)可用于溯源、調(diào)用和指導(dǎo)生產(chǎn)作業(yè)。智慧農(nóng)業(yè)解決方案可以幫助提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率，達(dá)到高效作業(yè)、降本增效以及病蟲害預(yù)測等目的。

4 基于LoRa 技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)案例分析

4.1 農(nóng)作物智能環(huán)境控制案例

4.1.1 項(xiàng)目背景

我國冬季冷空氣活動頻繁，氣溫普遍低于0 ℃，風(fēng)雪天氣的出現(xiàn)，給農(nóng)作物的種植和養(yǎng)護(hù)帶來了一定難度。提高溫度和二氧化碳，雖然會增加某些作物的產(chǎn)量，但許多雜草、害蟲和真菌在溫度升高、氣候潮濕和二氧化碳升高的情況下，能夠茁壯成長，將嚴(yán)重威脅作物。在該項(xiàng)目中，通過轉(zhuǎn)變?nèi)斯す莛B(yǎng)模式，用農(nóng)業(yè)智慧微觀小環(huán)境解決目前冬季無法正常種植作物瓶頸。以設(shè)計(jì)生產(chǎn)的主體集裝箱，通過智慧控制平臺實(shí)現(xiàn)理想的農(nóng)業(yè)微觀環(huán)境來控制植物生長的溫度、濕度、排碳量等因素，營造理想的植物生長環(huán)境，造就高產(chǎn)量低成本的價(jià)值。

4.1.2 技術(shù)路徑分析

利用LoRa 的信息感知和傳輸功能，收集和處理植物生長的AI 模型和采集的方艙內(nèi)各種精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，在云平臺對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行精準(zhǔn)控制。面對冬季無法正常種植的瓶頸，使用農(nóng)業(yè)智慧微觀小環(huán)境轉(zhuǎn)變?nèi)斯す莛B(yǎng)模式，利用傳感器采集土壤濕度、方艙溫度、養(yǎng)分含量、pH 值、二氧化碳、空氣溫濕度、氣壓、光照強(qiáng)度等環(huán)境數(shù)據(jù)，基于LoRa 傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳到云平臺，平臺則根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)控溫控系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)等，最后實(shí)現(xiàn)了在冬季做到高產(chǎn)量低成本的效果。在該項(xiàng)目中，通過對植物生長AI 模型和采集的方艙內(nèi)各種精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行精準(zhǔn)控制，每6 m 6 層箱每6 d 收一茬，在提升產(chǎn)量的同時(shí)，降低人工成本、降低能耗及實(shí)現(xiàn)吸收大量的碳。

4.2 智慧農(nóng)業(yè)無線灌溉系統(tǒng)

4.2.1 項(xiàng)目背景

水利是農(nóng)業(yè)的命脈，傳統(tǒng)的人工灌溉對于大面積種植來說，不僅浪費(fèi)人力，而且不能準(zhǔn)確地把握土壤水分的多少，這導(dǎo)致了不同程度上的灌溉不均勻和水資源的浪費(fèi)。而通過設(shè)計(jì)基于LoRa 無線組網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)無線灌溉系統(tǒng)，能夠極大程度提高農(nóng)業(yè)灌溉效率，減少農(nóng)業(yè)灌溉水資源浪費(fèi)[4]。智慧灌溉，顧名思義是一種無需人工監(jiān)控，自動感知灌溉需求信息，自動執(zhí)行灌溉操作任務(wù)的一種自動化灌溉系統(tǒng)。對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)而言，智慧灌溉的推廣和應(yīng)用除了可以有效解決農(nóng)業(yè)用水浪費(fèi)問題，還是將“節(jié)水”口號化為行動的關(guān)鍵一環(huán)。有研究顯示，智慧灌溉的水利用系數(shù)已從原來的0.6 提高到0.9。隨著科技的進(jìn)步，越來越多的新技術(shù)被應(yīng)用到農(nóng)業(yè)中，LoRa 無線組網(wǎng)技術(shù)就是其一。

4.2.2 技術(shù)路徑分析

設(shè)計(jì)一套由LoRa 網(wǎng)關(guān)、傳感器（氣象傳感器+土壤傳感器）、灌溉閥門、農(nóng)業(yè)測報(bào)云平臺組成的系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要將采集到的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)通過4G/以太網(wǎng)等方式上傳到農(nóng)業(yè)四情測報(bào)平臺上，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的查看及控制。

該套智慧農(nóng)業(yè)無線灌溉系統(tǒng)運(yùn)用了基于擴(kuò)頻通信的超遠(yuǎn)距離、低功耗LoRa 無線傳輸技術(shù)，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、光照強(qiáng)度、土壤溫度、土壤水分等要素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，分析處理傳感器數(shù)據(jù)信息。將所設(shè)閾值或人為干預(yù)操作，作為灌溉設(shè)備運(yùn)行的控制條件，實(shí)現(xiàn)智能化灌溉，改變了以往關(guān)于傳輸距離與功耗相矛盾的問題。LoRa 網(wǎng)關(guān)采用金屬鈑金外殼，自帶屏蔽抗干擾功能，現(xiàn)場運(yùn)行更穩(wěn)定。網(wǎng)關(guān)可以配對32 個(gè)傳感器和32 個(gè)控制閥，進(jìn)行3 km 的傳輸。支持兩路LoRa 通道同時(shí)通信，可設(shè)置兩路不同的通信速率，確保近距離高速通信，遠(yuǎn)距離可靠通信，并采用特有加密技術(shù)確保不被監(jiān)聽、控制可靠，杜絕錯(cuò)誤操作。

4.2.3 項(xiàng)目具有的優(yōu)勢

（1）LoRa 無線組網(wǎng)技術(shù)。LoRa 網(wǎng)絡(luò)具有傳輸距離遠(yuǎn)，工作功耗低，組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)多，抗干擾性強(qiáng)，低成本等特點(diǎn)。不僅避免了布線的不便，還提高了節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的靈活性。

（2）能夠?qū)崿F(xiàn)更加精準(zhǔn)的灌溉。該系統(tǒng)可通過土壤傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)、不同植物的需水規(guī)律和需水量為植物提供精準(zhǔn)灌溉，智能控制灌溉設(shè)備適時(shí)適量地灌水?？茖W(xué)有效地控制土壤墑情，并進(jìn)行合理調(diào)度，做到計(jì)劃用水、優(yōu)化配水，以達(dá)到節(jié)約生產(chǎn)成本、降低生產(chǎn)能耗、提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的目的。

（3）利用脈沖控制原理。通過脈沖信號控制灌溉閥門的開關(guān)，灌溉時(shí)不需要持續(xù)輸出信號。既保證低功耗，又保證控制響應(yīng)的及時(shí)性，采用LoRa 無線通信技術(shù)及低功耗技術(shù)，在保證最長3 年的電池壽命的基礎(chǔ)上，能夠做到2 s 內(nèi)從手機(jī)APP 控制到閥門的開關(guān)，一天開關(guān)4 次。

（4）實(shí)現(xiàn)了智能化控制。為了方便客戶使用，該項(xiàng)智慧農(nóng)業(yè)無線灌溉系統(tǒng)提供手動控制、自動控制、定時(shí)控制3 種灌溉控制模式。用戶可通過我們提供的農(nóng)業(yè)四情測報(bào)平臺，根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)來做閥門的自動控制[5]。智慧農(nóng)業(yè)無線灌溉系統(tǒng)運(yùn)行操作簡便，維護(hù)方便，無需布線。農(nóng)業(yè)四情測報(bào)平臺，兼具PC端和手機(jī)端（微信端公眾號、小程序以及APP），管理人員可隨時(shí)隨地遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看和控制，支持?jǐn)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)查詢/導(dǎo)出、超限報(bào)警等功能。

5 結(jié) 語

智慧農(nóng)業(yè)是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢，而智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，需要現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)人工智能等先進(jìn)技術(shù)的支撐?；贚oRa 無線通信技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠?qū)r(nóng)作物的生長環(huán)境進(jìn)行科學(xué)監(jiān)控，使數(shù)據(jù)化、智能化管理成為現(xiàn)實(shí)，從而能夠?yàn)檗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營效益的提升，提供可靠的技術(shù)保障。