摘要：针对传统人工灌溉所带来的水资源利用率低、人力资源浪费等问题，提出了一种基于
LORA 的智能灌溉系统设计方案;LoRa是一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案，最大程度地实现更远的通信距离与更低功耗;通过设计基于 LoRa 通信技术的光照强度，空气温、湿度以及土壤湿度等信息的采集单元，通信网关，结合水阀控制单元以及智能管理 PC端灌溉控制平台软件设计，实现自动或手动灌溉模式;实验数据表明，所设计的灌溉系统灌溉方式灵活多样，智能高效，实用性强，满足系统需要，可以实现灌溉作业的精细化管理。
我国人均水资源占有量仅为世界平均水平的1/4，被联合国列为13 个贫水国家之一。每年农业用水占全国用水总量的 60%以上，其中用于灌溉方面的用水量超 过90%。水资源严重短缺、浪费，地区分布不均衡以及灌溉自动化水平较低的现状严重制约着我国农业的发展，因此提高灌溉效率，发展节水灌溉农业，实现灌溉智能化显得尤为重要。
节水灌溉技术发展比较好的是地区是美国、以色列、澳大利亚、印度等国家，这些国家积极推进农业节水体系建立，根据水资源的地区分配，大力推广滴灌、喷灌和地面节水灌溉技术，其水资源利用率高达 70%。相对于一些发达国家，我国部分地方正在大力推广节水灌溉技术。智能化半变量节水管理系统在中国科学院栾城农业生态系统实验站建成，成为地方高新技术与成果示范交流的基地。江苏省率先试用节水灌溉自动控制系统，在节水示范方面为地方经济建设做出贡献。虽然近年来取得了不小的进步，但是我国的节水灌溉技术并没有得到太多普及，水资源利用率仅为43%，与发达国家依然存在较大的差距。
随着科技的不断进步，物联网技术越来越多运用在农业方面，常见的无线技术主要分为局域网与广域网。局域网通信主要包括 WiFi、
ZigBee、蓝牙等通信协议，广域网主要包括 2G/3G/4G蜂窝通信技术。WiFi技术的传输速率约为6 M/s，传输数据快，产品成本低，但是安全性不高，稳定性比较弱，功耗相对比较大。ZigBee 功耗低，组网容量大，但是传输距离短，最远传输距离不超过75 m，只适用于小范围、短距离组网。蓝牙技术早期用于手机之间的文件传输，其功耗介于WiFi与ZigBee 之间，但是传输距离最短。以上3种通讯方式均不适用于大规模农田灌溉无线组网。2G/3G/4G主要依赖于移动运营商提供的网络数据，不但会产生额外的费用，对基站的信号强度也有较高的要求，不适合偏远地区的农作物的监控。
LoRa 是美国 Semtech 公司推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案，作为 LPWAN（low power wide area network）技术的一种，与以上
通讯技术相比，可以最大程度地兼顾远距离传输、低功耗和抗干扰性能。LoRa 最大链路预算可达168 dB，灵敏度超过一148 dBm，传输速率为0.018～37.5 kbps。接收电流仅9.9 mA，休眠电流小于200 nA，一节普通5号电池理论上可以使用5～10年，延长电池更换周期。LoRa融合了扩频调制和前向纠错编码技术（Forward Error Correction，FEC），扩大了数据传输距离，提高了数据传输的抗干扰性。在宽阔地带，通过LoRa技术传输数据的距离超过15km。另外，该技术支持标准的 FSK、MSK及OOK 等调制方式，可在全球免费频段（包括 433、868、915 MHz）内使用。
本文提出一种基于LoRa 的智能灌溉系统设计，旨在提高用水效率，实现农业灌溉精准化，智能化。本文的第1 部分为系统的网络架构，包括 LoRa 网络框架、终端的分类以及 LoRa传输模式分类。第 2部分为数据采集节点
硬件设计，包括
微控制器，采集单元，水阀控制单元，数据传输单元，电源单元以及灌溉模式指示。第 3部分为软件设计，包括数据采集节点以及 PC 端灌溉控制平台的开发。第 4部分为实验结果与分析，搭建模拟生态系统，随机选取几个节点，对本设计的功能性以及操作性进行实际测试及演示。最后是关于本设计的总结和对智能灌溉技术的展望。
1、网络架构
1）LoRa 网络架构，采用典型的星型网络拓扑结构，主要包括终端、网关、云服务器以及应用服务。LoRa 的网络框架如图1所示。
终端包括各种温度、湿度、光照等传感器，完成对相应数据的采集，并通过LoRa 扩频技术传输。同时，接收上一级设备的命令信息，进行灌溉作业。网关负责终端设备上行数据的接收和下行数据的发送。并通过 TCP/IP 协议与云服务器通讯。LoRa 网关融合了速度自适应调整（adaptive data rate，ADR），根据网关与节点的距离，自动调节数据传输速率。当距离比较近时，终端节点将采用较高传输速率，反之，传输速率降低，有效提高了网络吞吐量。云服务器实现对采集数据和操作命令信息的处理，存储，加密以及发布，与传统的服务器相比较，具有集约化程度高，资源配置速度快，容量无限大以及对用户端的设备要求低等优势。应用服务主要通过各种设备，比如手机，平板或者 PC等利用蜂窝数据或者以太网从云服务器获取数据。拥有管理员权限，还可以对指定终端进行远程操作，方便高效。
2）终端设备分类，根据终端设备与网关之间通讯模式的不同，将终端设备分为3类，分别为Class A，Class B和Class Ci6]。
Class A（双向通讯终端设备）∶终端节点每次发送一个上行信号后，按照一定时间间隔定期开放两个下行接收窗口。接收窗口的时间长短可以根据数据量的大小进行调整，所以 Class A功耗最低。只有终端发送上行信号，网关才能进行下行数据传输。Class A 应用最为广泛。
Class B（具有预设接收槽的双向通讯终端设备）∶工作模式与Class A类似，不同之处在于终端设备开放多余的接收窗口，同时通过
Beacon信号与网关保持时间同步。Class B功耗大于Class A。
3）LoRa传输模式分类，主要分为透明广播模式和定向传输模式。透明广播模式就是地址相同、信道相同的模块，任意一个发送，其余的都能可以收到，接收方收到是数据。定向传输模式指的是发送模块在发送的数据前面需要增加"目标地址十目标信道"，接收方收到的是数据。
2、数据采集节点硬件设计
数据采集节点硬件设计主要包括微控制器，采集单元，水阀控制单元，数据传输单元，电源单元以及灌溉模式指示，实现对光照强度，空气温、湿度以及土壤的湿度等数据的采集，处理以及传输。通过控制电磁阀的通断，进而控制农作物灌溉水量。
1）微控制器，采集节点采用STM32F103C8T6
单片机为控制核心，其内核为ARM32位的Cortex一M3 CPU。最高73 MHz 工作频率，64 K 闪存的程序存储器，内嵌 8 MHz的RC振荡器，2个12 bit 模数转化器，2个TC，3个USART，3个通用定时器，1个高级定时器。STM32F103C8T6具有较强的数据处理能力及外设接口，可以满足系统需求。
2）信息采集单元，主要包括光照模块，空气温、湿度模块以及土壤湿度模块。光照模块采用 BH1750FVI光照传感器，可以计算1.1lx 到l00000Ix 马克斯/分钟的范围。空气温、湿度模块采用
DHT11数字传感器，测量范围∶湿度20～90%RH，温度0～50 ℃，测量精度∶湿度±5%RH，温度士2 ℃。采用土壤传感器做土壤湿度的检测，表面采用镀镍处理，延长使用寿命。
3）水阀控制单元，水阀控制单元
电路图如图 2所示。U1为光耦合器，Q1为三极管，K1为继电器。当光耦合器导通，继电器工作，电磁阀打开，水泵开始抽水。同时，蓝色指示灯 RELAY LED长亮。灌溉作业结束时，电磁线圈突然断电，产生反向电动势。为防止反向电动势的电压值超过串联回路上
元器件的反向击穿电压，对元器件造成严重损坏，在线圈两端反向并联
二极管 D1，用于电磁线圈的能量快速泄放，增加继电器动作的可靠性。
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发表于 2022-3-29 15:55
