基于LORA通信的山地果園灌溉系統(tǒng)

龍曉明，王躍亭，俞 龍，張健濤

(1.華南農業(yè)大學電子工程學院，廣州 510642；2.廣州市農情信息獲取與應用重點實驗室，廣州 510642； 3.廣東省農情信息監(jiān)測工程技術研究中心，廣州 510642)

0 引 言

水果因富含維生素、纖維素等眾多人體必需的營養(yǎng)物質，成為了健康生活不可或缺的一部分。我國南方的山地丘陵，因其具有排水好、光照充足、通風好以及環(huán)境適宜[1,2]等特點，產有眾多高品質的水果。起伏的山勢雖然為果樹的生長提供了適宜的條件，但也為果園的管理造成了人力成本過高、交通不便等眾多問題[3,4]。

為克服山地、丘陵對果園管理帶來的不便，保證果農的增產增收，研究人員對果園管理各個環(huán)節(jié)進行了研究：果樹種植方面，馮曉龍等[5-9]通過研究氣候、土壤、套種以及地貌等信息，為不同果樹的生長提出不同的指導建議；果樹生長監(jiān)測、控制方面，余國雄等[10-13]利用信息化技術，搭建果園通信網絡、引入專家系統(tǒng)等，實現(xiàn)果樹墑情采集、灌溉控制；果樹收獲、采摘方面，李建平等[14-16]設計新的農業(yè)機械，實現(xiàn)對山地果園收獲的機械化設計，減輕了果農負擔，減少人力管理成本。LORA作為一種新的通信方式，具有通信覆蓋面積廣、星型網絡等特點，適合于野外大范圍、長距離等應用場景，李瀟楊[17-20]等利用LORA進行農情、灌溉、水情等方面監(jiān)測、研究。LORA通信技術在野外通信等方面有著重要的應用。

本文針對山地果園灌溉管理過程中灌溉面積大、人力管理成本較高等問題，提出了一套基于LORA通信的山地果園灌溉系統(tǒng)。系統(tǒng)利用LORA通信模塊通信距離遠、繞射能力強等特點[21-23]，實現(xiàn)了山地果園長距離、大面積的無線灌溉操作。系統(tǒng)利用LORA通信方式，實現(xiàn)大范圍、長距離的野外通信；同時，通過太陽能供電、低功耗運行模式，以及定點傳輸?shù)鹊凸牟呗?，一方面實現(xiàn)了山地果園內的精準灌溉控制，另一方面則實現(xiàn)了野外通信的可靠、持久，系統(tǒng)具有一定的創(chuàng)新意義。

1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)主要包括山地通信控制網絡，遠程云服務器和用戶信息交互平臺三部分組成，其示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體示意圖

山地通信控制網絡分為2部分，主要是終端節(jié)點和通信控制節(jié)點。終端節(jié)點根據實際使用場景，部署于果園之中，用于果園不同地點的信息采集和灌溉；通信控制節(jié)點則位于果農家中或者其他通信條件較好的場所，用于實現(xiàn)山地果園環(huán)境條件、控制操作等信息的“上傳下達”。

遠程云服務器作為遠端控制單元，一方面用來接受各個通信控制節(jié)點發(fā)送的數(shù)據，并進行存儲、轉發(fā)至客戶端；另一方面用來接受來自客戶端的控制命令，并對其進行存儲、下達至對應通信控制節(jié)點。用戶交互平臺則為用戶提供人機交互，方便果農了解、管理山地果園。

2 山地果園通信、控制網絡設計

2.1 通信方式選擇與網絡拓撲設計

山地果園具有面積大、多起伏、植被多等特點，為適應山地果園的上述特點，解決山地野外通信，本文設計有“LORA+GPRS”的雙通信方式。其中，LORA的遠距離、強繞射等特點能夠解決山地果園長距離、多植被的問題；GPRS通信方式的引入，解決了果園本地信息與云服務器遠端信息的交互。

為保證山地果園的精準灌溉、分片管理，山地果園灌溉設施常常對不同區(qū)域設置不同灌溉控制開關。根據實際應用需求，系統(tǒng)設計采用星形網絡，將終端節(jié)點部署于灌溉開關附近，通信控制節(jié)點位于通信條件較好的場所，可以較好的實現(xiàn)山地果園分片分區(qū)的灌溉需求。

2.2 終端節(jié)點設計

終端節(jié)點主要由充/供電電路和處理控制單元兩部分組成，其結構示意圖如圖2所示，終端節(jié)點實物圖和封裝圖如圖3所示。

圖2 終端節(jié)點結構圖

圖3 終端節(jié)點實物與電路封裝圖

考慮到終端節(jié)點部署于果園實地，供電基礎設施建設配套缺失，系統(tǒng)通過太陽能進行供能，將太陽能轉化為節(jié)點工作的正常工作電壓。同時，引入GPS/北斗定位模塊，能夠實現(xiàn)對終端節(jié)點的快速定位，方便對節(jié)點的精確管理。

終端節(jié)點選用意法半導體公司的STM32F103C8T6作為主控芯片，其性能高、功耗低、成本低等特點，適合于山地果園應用場景。無線通信模塊選用LORA模塊，模塊因消除了同步開銷和跳數(shù)，具有低功耗、結構簡單等特點；同時，采用擴頻技術，終端與網關之間的通信可以使用不同的頻率和數(shù)據傳輸速率，而不會相互干擾，理論上可配置65536個地址，完全能夠滿足山地果園實際使用需求。

2.3 通信控制節(jié)點設計

通信控制節(jié)點同樣包括充/供電電路和處理控制單元兩部分組成，其結構示意圖如圖4所示，電路封裝圖如圖5所示。

圖4 通信控制節(jié)點結構示意圖

圖5 通信控制節(jié)點電路封裝圖

相較于終端節(jié)點，通信控制節(jié)點的穩(wěn)定性要求更高，且控制方式更加靈活。因此，在供電電路中，系統(tǒng)中加入市電供電方式；同時，引入本地控制面板方便果農對節(jié)點的控制、操作等。

通信控制節(jié)點的通信、定位模塊選用安信可公司的A6模塊，模塊工作電壓為3.3～4.2 V，低功耗平均電流能夠保持在2 mA下，模塊可在850、900、1 800、1 900 MHz四個頻段下工作。

3 云服務器端與用戶交互平臺設計

系統(tǒng)選用阿里云服務器作為云服務器，服務器安裝有Ubuntu操作系統(tǒng)，配置有MongoDB、MYSQL兩種數(shù)據庫，可分別用于節(jié)點信息、用戶信息的存儲；同時，服務器中搭建有JAVA運行環(huán)境，能保證山地果園的數(shù)據接入、數(shù)據存儲、展示等程序的正常運行。

用戶交互平臺設計利用JAVA語言進行開發(fā)，開發(fā)工具選用IntelliJ IDEA，設計采用MVC設計模式，將控制、試圖和數(shù)據模型分開，使程序開發(fā)的更清晰、靈活。交互平臺則采用B/S(Brower/Server)模式[10]，果農通過瀏覽器連接至云服務器，經過業(yè)務解析，服務器將所需的信息、操作等結果反饋至瀏覽器。

4 實驗測試與結果

2017年12月，系統(tǒng)在廣西省昭平縣北陀鎮(zhèn)一柑橘園進行實地測試。果園占地約20 hm2，其中有5個絕對海拔約為140 m的山包，山坡上種植有柑橘，試驗場地如圖6所示。

圖6 試驗場地衛(wèi)星圖和實地場景圖

4.1 通信范圍測試

為了測試系統(tǒng)的實地通信覆蓋范圍及其監(jiān)測范圍，進行有實地通信范圍測試。試驗以果園原先部署的基于ZigBee的無線灌溉網絡為參照，對系統(tǒng)進通信、作用范圍測試。

圖7 ZigBee網絡節(jié)點分布圖

如圖7所示，ZigBee網絡依據果園內原有基礎設施而建，為實現(xiàn)對整個果園的灌溉控制，ZigBee網絡在原有的灌溉設施基礎上，搭建有21個終端節(jié)點、6個中繼節(jié)點、1個協(xié)調器節(jié)點的通信網絡，完成了對整個果園的灌溉控制覆蓋。

試驗時，LORA通信模塊空中速率設置為2.4 kbps，發(fā)送功率為30 dBm，天線為2 dB的棒狀天線。選用與ZigBee相同的拓撲布局。通信時，設定終端節(jié)點與通信控制節(jié)點的工作于定點模式下，測試時通信控制節(jié)點通過選擇指定通信地址實現(xiàn)與指定終端節(jié)點通信，測試結果如圖8所示。

圖8 LORA通信效果圖

LORA網絡直連的情況下，27個通信節(jié)點中正常通信節(jié)點數(shù)量可達到25個，對果園灌溉控制可達到92%以上。參照ZigBee通信網絡，LORA通信在直連的通信方式下，其通信范圍可與多級跳轉通信的ZigBee網絡相差不大；同時，LORA繞射、穿透能力強，更適應于大范圍、高密度的野外工作場景。

4.2 通信距離測試

為測試實地LORA通信距離，確定系統(tǒng)最佳部署設置，本文進行系統(tǒng)通信距離測試試驗。試驗時，通信控制節(jié)點放置于果園內，測試人員分別在果園左側、右側村莊以及可到最遠距離進行通信距離檢測，其結果如圖9所示。

圖9 LORA通信距離測試圖

在距離通信控制節(jié)點1000m、1500m的A、B兩村莊處分別能夠正常通信；系統(tǒng)最遠通信距離可達到距通信控制節(jié)點2600m的D處山頂處。長距離、強繞射的效果可以將部分通信節(jié)點部署于果農家內，方便果農實時、便捷了解果園信息；同時，遠距離的通信特點為同一網絡管理跨區(qū)域多果園提供技術支撐。

5 結果與討論

在通信范圍測試中，本文以ZigBee通信網絡為參照，對LORA在果園內的通信、覆蓋范圍進行了測試。試驗表明，系統(tǒng)利用直連方式對果園通信覆蓋率達到92%以上，系統(tǒng)可節(jié)省數(shù)量眾多的中繼節(jié)點。在通信距離測試中，通過測試節(jié)點在鄰近村莊、通信最遠距離等，表明系統(tǒng)可部署于果農家中，完成對果園內信息采集、監(jiān)測。系統(tǒng)仍存在有不足，如系統(tǒng)部分節(jié)點通信信號不穩(wěn)定，大范圍、多區(qū)域覆蓋需要搭建多通基站節(jié)點。