基于LoRa技术的果园物联网系统

（河南科技学院 信息工程学院，河南 新乡 453003）

0 引 言

随着物联网在工业、农业、交通和日常生活等方面的应用加速，作为农业物联网技术应用的果园物联网也迅速发展。果园物联网利用传感器采集果园温湿度、CO2浓度、pH值、光照度等参数，为果园作物提供一个良好的生长环境，也为科学管理果园提供完备的数据支持，进一步达到降低成本、提高产量和品质、增加经济效益的目的[1-4]。

目前，常用的ZigBee、GPRS、WiFi等无线通信技术除了传输距离短，还存在着功耗大、抗干扰性弱、绕射性差、成本高等缺陷[5-9]。根据实际需求，本文采用LoRa技术构建一个果园物联网系统，以STM32F401高性能芯片为核心，监测温湿度等参数。经测试可以满足高精度、低功耗、高穿透性的要求，提高了系统的稳定性。

1 系统方案设计

因为果园距离远、面积大、地形复杂，所以本文使用STM32F401芯片和LoRa芯片SX1276，用以传送传感器采集到的采集温湿度、CO2浓度等数据信息到管理中心，管理中心对相关信息进行管理分析，作为调控参数的基础。

本文设计的基于LoRa技术的果园物联网系统方框图如图1所示。

图1 使用LoRa技术的果园物联网系统方框图

LoRa技术以及模块的选用如下：

（1）LoRa介绍

LoRa是一种新型的无线通信技术，英文全称是Long Range。它基于线性扩频调制技术，具有通信距离远（15 km以上）、功耗低（电池可使用10年以上）、高链路预算（高达157 dB）等优点。LoRa解决了传统无线通信技术无法同时兼顾通信距离和功耗的难题，具有广泛的应用前景。LoRa技术关键特性和优势[10-11]见表1所列。

表1 LoRa关键特性和优点

（2）LoRa模块

LoRa模块选取Semtech公司的基于SSC技术、采用SX1276芯片的低功耗远距离收发器。它通过SPI方式数据传送[12]，使模块的灵敏度超过-148 dBm，射频功率放大器达到20 dBm，高灵敏度、高射频功率和低至9.9 mA的接收电流的完美结合使链路预算也达到了行业领先水平，满足了超长距离传输和可靠性高的使用要求[13-14]。

（3）微处理器

该系统选用STM32F401微处理器为系统控制核心，它是基于STM32F401系列ARM®Cortex-M4，是ST32位最小系统，其功耗低，工作电流仅为137 μA，工作频率性能达到84 MHz，105 DMIPS。同时该微处理器该还带有FPU浮点单元（USB OTG、I2S、I2C、SPI）和DSP数字信号处理功能，多通道ADC和16/32位计时器，芯片工作电压1.7～3.6 V，集成功能丰富，使其在同级产品中较为优秀，有较为广泛的应用领域[15-16]。

（4）温湿度传感器

本系统中温湿度传感器选用DHT11。DHT11利用特有的采集技术和温湿度传感技术模块，供电电压最大为5.5 V，供电电流极低，温测量最高50 ℃，最低0 ℃，误差2 ℃，湿度测量最大90%RH，最小20%RH，误差5%RH，采样周期较短，具有较好的可靠性和稳定性[17]。

（5）CO2传感器

CO2传感器主要用于果园CO2浓度采集，本文采用MQ-2传感器。

2 系统软件设计

本文系统是一个典型的多传感器果园物联网系统，须采用多传感器数据融合技术才可以更有效地进行分类识别决策，并且采用模糊算法进行数据融合。系统的主程序流程如图2所示。

图2 系统主程序流程

3 系统测试和结果

系统软硬件配置完成后，在果园物联网模型中进行测试。本文选取早晨、中午、夜晚3个时间点，每个时间点选取3组温湿度数据。3个时间点9组测试数据见表2所列。

表2 果园物联网系统实验数据

由实验数据可知，传感器采集和人工测量的温湿度数据基本一致，系统达到预期设计要求。

4 结 语

本文系统应用LoRa技术，以STM32F401为主控芯片，采集传输果园监测点的相关数据。测试结果表明，该系统具有结构简单、传输距离远、功耗低[18]等优点，满足了果园面积达、距离远、低功耗、高穿透性的要求，同时具有成本低廉、便于维护等特点[19]，可以有效提升果园种植水平和经济效益。