基于LORA通信的山地果园灌溉系统

龙晓明，王跃亭，俞 龙，张健涛

(1.华南农业大学电子工程学院，广州 510642；2.广州市农情信息获取与应用重点实验室，广州 510642； 3.广东省农情信息监测工程技术研究中心，广州 510642)

0 引 言

水果因富含维生素、纤维素等众多人体必需的营养物质，成为了健康生活不可或缺的一部分。我国南方的山地丘陵，因其具有排水好、光照充足、通风好以及环境适宜[1,2]等特点，产有众多高品质的水果。起伏的山势虽然为果树的生长提供了适宜的条件，但也为果园的管理造成了人力成本过高、交通不便等众多问题[3,4]。

为克服山地、丘陵对果园管理带来的不便，保证果农的增产增收，研究人员对果园管理各个环节进行了研究：果树种植方面，冯晓龙等[5-9]通过研究气候、土壤、套种以及地貌等信息，为不同果树的生长提出不同的指导建议；果树生长监测、控制方面，余国雄等[10-13]利用信息化技术，搭建果园通信网络、引入专家系统等，实现果树墒情采集、灌溉控制；果树收获、采摘方面，李建平等[14-16]设计新的农业机械，实现对山地果园收获的机械化设计，减轻了果农负担，减少人力管理成本。LORA作为一种新的通信方式，具有通信覆盖面积广、星型网络等特点，适合于野外大范围、长距离等应用场景，李潇杨[17-20]等利用LORA进行农情、灌溉、水情等方面监测、研究。LORA通信技术在野外通信等方面有着重要的应用。

本文针对山地果园灌溉管理过程中灌溉面积大、人力管理成本较高等问题，提出了一套基于LORA通信的山地果园灌溉系统。系统利用LORA通信模块通信距离远、绕射能力强等特点[21-23]，实现了山地果园长距离、大面积的无线灌溉操作。系统利用LORA通信方式，实现大范围、长距离的野外通信；同时，通过太阳能供电、低功耗运行模式，以及定点传输等低功耗策略，一方面实现了山地果园内的精准灌溉控制，另一方面则实现了野外通信的可靠、持久，系统具有一定的创新意义。

1 系统总体设计

本系统主要包括山地通信控制网络，远程云服务器和用户信息交互平台三部分组成，其示意图如图1所示。

图1 系统整体示意图

山地通信控制网络分为2部分，主要是终端节点和通信控制节点。终端节点根据实际使用场景，部署于果园之中，用于果园不同地点的信息采集和灌溉；通信控制节点则位于果农家中或者其他通信条件较好的场所，用于实现山地果园环境条件、控制操作等信息的“上传下达”。

远程云服务器作为远端控制单元，一方面用来接受各个通信控制节点发送的数据，并进行存储、转发至客户端；另一方面用来接受来自客户端的控制命令，并对其进行存储、下达至对应通信控制节点。用户交互平台则为用户提供人机交互，方便果农了解、管理山地果园。

2 山地果园通信、控制网络设计

2.1 通信方式选择与网络拓扑设计

山地果园具有面积大、多起伏、植被多等特点，为适应山地果园的上述特点，解决山地野外通信，本文设计有“LORA+GPRS”的双通信方式。其中，LORA的远距离、强绕射等特点能够解决山地果园长距离、多植被的问题；GPRS通信方式的引入，解决了果园本地信息与云服务器远端信息的交互。

为保证山地果园的精准灌溉、分片管理，山地果园灌溉设施常常对不同区域设置不同灌溉控制开关。根据实际应用需求，系统设计采用星形网络，将终端节点部署于灌溉开关附近，通信控制节点位于通信条件较好的场所，可以较好的实现山地果园分片分区的灌溉需求。

2.2 终端节点设计

终端节点主要由充/供电电路和处理控制单元两部分组成，其结构示意图如图2所示，终端节点实物图和封装图如图3所示。

图2 终端节点结构图

图3 终端节点实物与电路封装图

考虑到终端节点部署于果园实地，供电基础设施建设配套缺失，系统通过太阳能进行供能，将太阳能转化为节点工作的正常工作电压。同时，引入GPS/北斗定位模块，能够实现对终端节点的快速定位，方便对节点的精确管理。

终端节点选用意法半导体公司的STM32F103C8T6作为主控芯片，其性能高、功耗低、成本低等特点，适合于山地果园应用场景。无线通信模块选用LORA模块，模块因消除了同步开销和跳数，具有低功耗、结构简单等特点；同时，采用扩频技术，终端与网关之间的通信可以使用不同的频率和数据传输速率，而不会相互干扰，理论上可配置65536个地址，完全能够满足山地果园实际使用需求。

2.3 通信控制节点设计

通信控制节点同样包括充/供电电路和处理控制单元两部分组成，其结构示意图如图4所示，电路封装图如图5所示。

图4 通信控制节点结构示意图

图5 通信控制节点电路封装图

相较于终端节点，通信控制节点的稳定性要求更高，且控制方式更加灵活。因此，在供电电路中，系统中加入市电供电方式；同时，引入本地控制面板方便果农对节点的控制、操作等。

通信控制节点的通信、定位模块选用安信可公司的A6模块，模块工作电压为3.3～4.2 V，低功耗平均电流能够保持在2 mA下，模块可在850、900、1 800、1 900 MHz四个频段下工作。

3 云服务器端与用户交互平台设计

系统选用阿里云服务器作为云服务器，服务器安装有Ubuntu操作系统，配置有MongoDB、MYSQL两种数据库，可分别用于节点信息、用户信息的存储；同时，服务器中搭建有JAVA运行环境，能保证山地果园的数据接入、数据存储、展示等程序的正常运行。

用户交互平台设计利用JAVA语言进行开发，开发工具选用IntelliJ IDEA，设计采用MVC设计模式，将控制、试图和数据模型分开，使程序开发的更清晰、灵活。交互平台则采用B/S(Brower/Server)模式[10]，果农通过浏览器连接至云服务器，经过业务解析，服务器将所需的信息、操作等结果反馈至浏览器。

4 实验测试与结果

2017年12月，系统在广西省昭平县北陀镇一柑橘园进行实地测试。果园占地约20 hm2，其中有5个绝对海拔约为140 m的山包，山坡上种植有柑橘，试验场地如图6所示。

图6 试验场地卫星图和实地场景图

4.1 通信范围测试

为了测试系统的实地通信覆盖范围及其监测范围，进行有实地通信范围测试。试验以果园原先部署的基于ZigBee的无线灌溉网络为参照，对系统进通信、作用范围测试。

图7 ZigBee网络节点分布图

如图7所示，ZigBee网络依据果园内原有基础设施而建，为实现对整个果园的灌溉控制，ZigBee网络在原有的灌溉设施基础上，搭建有21个终端节点、6个中继节点、1个协调器节点的通信网络，完成了对整个果园的灌溉控制覆盖。

试验时，LORA通信模块空中速率设置为2.4 kbps，发送功率为30 dBm，天线为2 dB的棒状天线。选用与ZigBee相同的拓扑布局。通信时，设定终端节点与通信控制节点的工作于定点模式下，测试时通信控制节点通过选择指定通信地址实现与指定终端节点通信，测试结果如图8所示。

图8 LORA通信效果图

LORA网络直连的情况下，27个通信节点中正常通信节点数量可达到25个，对果园灌溉控制可达到92%以上。参照ZigBee通信网络，LORA通信在直连的通信方式下，其通信范围可与多级跳转通信的ZigBee网络相差不大；同时，LORA绕射、穿透能力强，更适应于大范围、高密度的野外工作场景。

4.2 通信距离测试

为测试实地LORA通信距离，确定系统最佳部署设置，本文进行系统通信距离测试试验。试验时，通信控制节点放置于果园内，测试人员分别在果园左侧、右侧村庄以及可到最远距离进行通信距离检测，其结果如图9所示。

图9 LORA通信距离测试图

在距离通信控制节点1000m、1500m的A、B两村庄处分别能够正常通信；系统最远通信距离可达到距通信控制节点2600m的D处山顶处。长距离、强绕射的效果可以将部分通信节点部署于果农家内，方便果农实时、便捷了解果园信息；同时，远距离的通信特点为同一网络管理跨区域多果园提供技术支撑。

5 结果与讨论

在通信范围测试中，本文以ZigBee通信网络为参照，对LORA在果园内的通信、覆盖范围进行了测试。试验表明，系统利用直连方式对果园通信覆盖率达到92%以上，系统可节省数量众多的中继节点。在通信距离测试中，通过测试节点在邻近村庄、通信最远距离等，表明系统可部署于果农家中，完成对果园内信息采集、监测。系统仍存在有不足，如系统部分节点通信信号不稳定，大范围、多区域覆盖需要搭建多通基站节点。