基于GPRS和LORA的大棚智能灌溉系统探索与设计

摘 要：相比于传统的种植田地方式，大棚是个封闭的农业生产设施。自然降雨不能被直接利用，大棚内农作物需要的水分完全依靠人工灌溉措施来保证。而传统的灌溉方式效率低、人工成本高，亟需向自动化、智能化转变。随着科学技术的发展，尤其是物联网技术在农业生产中的逐步应用，智能灌溉已经成为大棚灌溉的发展趋向。本文主要探讨了基于GPRS和LORA的大棚智能灌溉系统的探索与设计。

关键词：GPRS技术；LORA技术；大棚智能灌溉

中图分类号：S126；S274 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）11-0189-03

The Exploration and Design of Greenhouse Intelligent Irrigation System

Based on GPRS and LORA

FENG Jun，WANG Xiaodong，SHEN Zhihui，YANG Yang

（Talent Cloud Information Technology Co.，Ltd.，Nanning 530007，China）

Abstract：Greenhouse is a closed agriculture facilities compared with the traditional planting fields. The requisite moisture for crops in greenhouse completely depends on artificial irrigation，because the natural rainfall can’t be absorbed by the crops directly. As the efficiency of traditional irrigation is very low and the cost of labor is very high，so the traditional irrigation urgently needed to be more automated and more intelligent. With the development of science and technology，especially the internet of things has been using in agricultural production gradually，the intelligent irrigation has been a trend in the developing of greenhouse irrigation. The purpose of this study was to explore and design a greenhouse intelligent irrigation system based on GPRS and LORA.

Keywords：general packet radio service technology；LORA technology；greenhouse intelligent irrigation

0 引 言

近些年来，我国大棚种植面积不断提高。大棚农业是根据农作物生长发育需求，通过人工调节改变局部气象环境，为农作物的生长发育提供适宜的环境条件，一定程度上摆脱了对自然因素依赖的新型农业。它改变了传统农业的种植生产模式，打破了农作物生长在地域和时空上的界限，推动了现代农业的发展进程。但由于大棚是个相对封闭的农业生产设施，大棚内作物不能直接吸收自然降雨，所需要的水分完全依靠人工灌溉。而农作物的生长的土壤需要保持一定程度的湿度，并且不同的生长时期对水分的需求往往不同。人们通常是通过观察土壤湿度情况、农作物生长状态并结合自己在种植中的经验，对农作物进行灌溉。这种人工灌溉方式不能及时或者准确地控制灌溉水量，因此不能满足农作物的最佳适宜湿度，同时也会对水资源造成浪费。

智能灌溉系统的设计目标是通过对大棚土壤湿度情况的实时监测，根据农作物对土壤湿度情况的需求来设定自动灌溉条件，当大棚内土壤湿度低于设定值，就会自动启动灌溉系统对农作物进行浇水灌溉，当达到农作物适宜的土壤湿度时，就会自动停止灌溉。同时通过部署在大棚内的传感器可以实时观察土壤湿度情况。在大棚内部的硬件设备通过LORA无线组网，实时将数据指令发送给网关，网关通过GPRS连接到云服务器，通过云服务器对大棚灌溉系统进行监测和控制。从而保证对大棚农作物灌溉的及时性、准确性并能实时了解大棚内的土壤湿度情况。

1 GPRS技术简介

GPRS（General Packet Radio Service）是通用分组无线服务技术的简称，它是一种基于GSM无线系统的无线分组交换技术，可以提供设备终端到设备终端或设备终端到互联网之间的无线IP连接。GPRS网络具有以下特点：

（1）采用分组交换技术，通信效率高；

（2）数据传输率高，并且采用双向通信，接入网络时间短；

（3）网络资源合理，可以让用户“永远在线”；

（4）费用低廉，仅按数据流量计费；

（5）投资小，可靠性高，后期维护简单。

GPRS网络的以上特点，可以很好地应用在网关与云服务器的通信中，尤其是智能灌溉系统需要实时监测大棚内土壤湿度情况及设备运行状态。在偏远地区的农业大棚中，GPRS也具有信号覆盖范围广的优势，可以很好地满足系统对无线网络的需求。

2 LORA技术简介

LORA是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案，是低功耗局域网（Low Power Wide Area Network，LPWAN）通信技术中的一种。作为低功耗物联网无线技术中的典型技术，LORA技术具有以下特点：

（1）支持超远距离传输，最高可达无遮挡15公里，市区8公里；

（2）超低功耗待机，可灵活调整功率等级，适配传输中对距离和速率的要求，支持多种休眠和待机模式；

（3）多节点，支持点到点通讯、串口数据双向通讯；

（4）低成本，维护简单。

在大面积的大棚种植中，智能灌溉系统需要安装部署大量的传感设备、控制设备，不可能每台设备使用GPRS直接与无线网连接，这样会造成不必要的成本浪费。因为LORA技术具有以上特点，尤其是无线覆盖范围广，可以在传感设备、控制设备和网关之间采用LORA无线通讯，再通过网关GPRS模块将数据转发到云服务器。这样可以极大地节省成本，同时也便于设备维护。

3 智能灌溉系统体系结构

3.1 系统结构图

智能灌溉系统组成结构如图1所示，整个智能灌溉系统包括环境数据采集部分、灌溉控制部分、数据转发部分、云服务器部分和客户端部分，包括手机客户端和电脑客户端。

其中数据采集部分主要通过安装在土壤中的土壤湿度传感器，将土壤湿度数据实时上报给采集器。灌溉控制部分由安装在各个灌溉节点的电磁阀和控制器组成，两者之间使用有线连接，当控制器收到指令就通过内部继电器动作，打开电磁阀，从而对农作物进行灌溉，并能实时监测各个电磁阀的运行状态。数据转发部分主要由网关完成，通过将采集器、控制器的上报数据进行转发，并下发云服务器对各个设备的指令，从而将部署在大棚内的各设备与云服务器连接起来。云服务器通过软件平台搭建，将大棚内设备数据进行实时显示，用户通过手机客户端或电脑客户端能实时查看大棚内土壤湿度情况及各设备运行情况，可以根据农作物对土壤水分的不同需求来设定智能灌溉条件，满足灌溉需求。

3.2 系统硬件组成

（1）土壤湿度传感器。采用基于介电理论并运用频域测量技术的土壤湿度传感器，测量参数为土壤容积含水率，测量范围为0～100%。当土壤湿度传感器插入到土壤中时，通过信号线将检测到的信号以4-20mA制式传输给采集器；

（2）采集器。采用LORA无线通信模块和单片机设计，实时接收土壤湿度传感器上传数据，并将数据发送至网关。可以根据大棚土壤实际情况调整数据上报时间；

（3）电磁阀。采用DC 12V脉冲信号电磁阀，当接通+12V脉冲信号时，电磁阀打开，当接通-12V脉冲信号时，电磁阀关闭。使用脉冲信号控制，能有效减少设备功耗；

（4）控制器。采用LORA无线通信模块和单片机设计，通过内部继电器来控制电磁的打开与关闭。并通过网关将电磁阀运行状态上报至云服务器，保持对设备运行状态的实时掌握；

（5）网关。采用GPRS和LORA无线通信模块，GPRS无线模块用来与云服务器进行通信，实时转发采集器和控制器上报数据。LORA无线模块用来与采集器、控制器进行通信，实时转发云服务器给采集器与控制器的指令。

3.3 系统软件组成

软件平台设计为数据中心和控制中心。数据中心用来接收土壤湿度传感器实时数据和电磁阀实时运行状态。控制中心用来对电磁阀进行远程智能控制，并通过设定灌溉条件，对电磁阀进行控制，从而实现智能灌溉。

3.4 智能灌溉流程

用户根据大棚内农作物对土壤湿度的需求，通过客户端访问云服务器，设置大棚内电磁阀的启动条件，当达到该条件时，自动启动灌溉阀门进行灌溉。如农作物A的最适宜土壤湿度为40%，设定此区域电磁阀启动条件为此区域土壤湿度低于40%就自动启动，高于60%就自动停止。当此区域安装的土壤湿度传感器检测到土壤湿度低于40%，云服务器就会下发打开指令通过网关转发给控制器，控制器通过内部继电器动作来启动电磁阀，对此区域进行自动灌溉。随着灌溉的进行，土壤湿度会不断增加，当土壤湿度传感器检测到土壤湿度高于60%时，云服务器就会下发停止指令并通过网关转发给控制器，控制器通过内部继电器动作来关闭电磁阀，从而完成整个灌溉过程。

3.5 系统特点优势

（1）及时、精准性。大棚农作物什么时候需要灌溉，需要灌多少，这些单靠种植人员的观察和经验很难保证及时性和精准性。通过安装部署在大棚土壤中的土壤湿度传感器，可以及时知道灌溉需求。通过设定灌溉条件，自动启动电磁阀进行灌溉，能大幅提高灌溉的精准性；

（2）可复制性。不同农作物对土壤湿度的需求不相同，相同农作物不同生长时期对土壤湿度的需求也不相同。传统人工灌溉因人员不同难以有效记录长期灌溉信息。本系统可以根据历史灌溉记录分析不同农作物不同时期的灌溉需求，据此可以整理为有效灌溉参考依据，加以复制运用；

（3）管理可移动性。大棚内土壤湿度和灌溉阀门运行状态都通过GPRS网关实时将数据转发到云服务器，用户可以通过手机客户端或电脑客户端随时随地了解大棚内农作物灌溉情况，对生产管理进行统筹协调；

（4）节省人力成本。由于大棚种植对人工灌溉的依赖，在农作物生长期间需要不断灌溉保持大棚内土壤湿度。一个人可以管理10亩大棚灌溉，当大棚种植面积到100亩、1000亩甚至上万亩的时候，人工成本将会很大。通过本系统，可以实现智能灌溉，只需要少量人员即可管理整个种植区域的灌溉。

4 结 论

中国是传统农业大国，随着大棚种植在国内的不断推广，如何有效提高灌溉效率对大棚生产具有巨大的意义。本文主要探讨了基于GPRS和LORA技术的大棚智能灌溉系统的探索与设计。在大棚内安装部署土壤湿度传感器及灌溉控制设备，通过GPRS和LORA技术将部署在大棚内的各设备与云服务器连接起来，组成智能灌溉系统。用户通过智能灌溉系统可以随时随地掌握大棚内作物灌溉情况，更加及时、准确对农作物进行灌溉。大幅提高灌溉的精准度，实施合理的灌溉制度，提高水资源的利用率。同时在大面积大棚种植中可以大幅减少人力成本，提高生产效益。在传统农业向智慧农业的逐步转型中，物联网技术不断发展并应用于各行各业，大棚智能灌溉也将不断发展完善，在中国智慧农业中产生更大的价值。

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作者简介：冯军（1988-），男，湖北人，售后服务工程师，本科。研究方向：农业物联网。