一种基于LoRa+5G的低成本智慧农业物联网系统

张 涛，樊振兴，宋青存，单海燕

（中国电子科技集团 第二十七研究所，河南 郑州 450047）

0 引 言

我国是农业大国，却不是农业强国，农村人口有9亿多，占全国总人口的70%左右，但农业生产总值仅占国民生产总值的20%。我国农业土地分散、规模较小，农业生产多数还停留在传统农业的阶段，相当多的地区农业基础设施还比较落后，农业劳动生产率还相对较低；且随着农村年轻一代大量进城务工，农村空心化非常严重，为了追求高产量而大量使用化肥和农药，对水体、土壤、大气和生物多样性都造成了严重的影响，生态环境破坏严重，进而也极大影响农作物的生长，粮食安全也无法保证。面对严峻的粮食安全形势，党和国家高度重视，历年都将“三农”问题作为国家的一号工程进行部署。

2016年9月，农业部印发了《“十三五”全国农业农村信息化发展规划》，提出“十三五”期间，把信息化作为农业现代化的制高点，以建设智慧农业为目标，着力加强农业信息基础设施建设，着力提升农业信息技术创新应用能力，着力完善农业信息服务体系，加快推进农业生产智能化、经营网络化、管理数据化、服务在线化，全面提高农业农村信息化水平[1]。

2017年1月，中央一号文件明确指出，2017年重点开展大田种植、设施园艺、畜禽养殖、水产养殖4类数字农业建设试点项目，结合产业类型，支持精准作业、精准控制设施设备、管理服务平台等内容建设[2]。

2020年1月，中央一号文件明确指出，要加强现代农业设施建设，依托现有资源建设农业农村大数据中心，加快物联网、大数据、区块链、人工智能、5G、智慧气象等现代信息技术在农业领域的应用[3]。农业的智慧化和集约化生产迫在眉睫。

在国家政策、资金的持续引导下，我国建设了一批国家智慧农业示范区，自主研制了一批智慧农业传感器、智能控制器、水肥一体化智能灌溉设备、智慧农业大数据平台等技术产品，对提高我国农业智能化水平发挥了重要作用，我国智慧农业应用得到了长足发展。据《中国互联网+智慧农业趋势前瞻与产业链投资战略分析报告》统计数据显示，2015年中国智慧农业潜在市场规模已达137.42亿元，到了2017年中国智慧农业潜在市场规模增长至175.73亿元，截至2018年中国智慧农业潜在市场规模突破200亿元，达到了203.06亿元。预计2020年我国智慧农业潜在市场规模将达到267.61亿元，2015—2020年复合增长率[4]将达到14.3%。我国智慧农业市场前景广阔，市场规模巨大。

在取得了大量成果的同时，我国智慧农业在基础研究、技术积累和规模化应用方面与发达国家还有较大的差距，具体表现在以下几个方面：

（1）核心传感器技术研发投入不够，国产传感器的精度、可靠性还有待进一步提高；

（2）对动植物生长模型、智能决策理论算法研究不够深入，很难实现按需精准控制；

（3）智慧农业物联网系统总体成本相对较高，投入产出比还较低，不利于大规模普及应用[5]。

总之，低成本、低功耗、稳定可靠的智慧农业物联网系统是我国农业市场的迫切需求，因此，本文提出一种基于LoRa+5G的无线自组网技术的智慧农业物联网系统。

1 智慧农业物联网

1.1 智慧农业物联网系统概念

智慧农业物联网系统以先进的传感器、物联网、云计算、大数据、人工智能等信息技术为基础，由监测预警系统、有线/无线数据传输系统、智能控制系统及软件平台组成，通过对监测区域的土壤资源、水资源、气候信息及农情信息（苗情、墒情、虫情、灾情）等进行统一化监控与管理，构建以标准体系、评价体系、预警体系和科学指导体系为主的网络化、一体化智能监管平台[6]。实现农业生产的精准感知、智能分析、主动预警和自动控制，使传统农业更“智能”，大大提高农业生产效率，显著降低生产成本，最终达到改善产量品质、节水节肥、绿色种植的目的，确保我国农业增产增收和粮食安全。

1.2 智慧农业物联网系统三层体系架构

智慧农业物联网系统通常分为三个层次：感知层、传输层（网络层）和应用层[7]。

（1）感知层。该层主要包括农业生产场景中各种农业生产信息的采集，进行智能控制的信息的接收和执行。智慧农业物联网传感器主要包括温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度、视频、水流量、pH值、土壤墒情、土壤养分、重金属探测、气象探测等传感器。技术方面，绝大部分传感器技术基本成熟，可以做到实时在线精准探测，但土壤养分、重金属探测两类传感器，目前在线探测关键技术还在不断攻关中，还没有真正的实现实时在线探测。成本方面，随着传感器用量的不断增大，大部分传感器成本已经降下来了，但部分传感器目前价格还相对较高，这也是影响智慧农业发展的重要因素。

（2）传输层。传输层是智慧农业的神经中枢，该层的主要涉及将感知层采集的各类信息，通过物联网网络进行汇总，并将各种农业信息进行融合，通过有线或无线方式，向智慧农业信息平台网络发布。网络层包含通信技术与计算机网络技术的结合的网络、信息中心和数据处理中心等。早期的智慧农业物联网系统，传感器基本上采用的都是有线组网的方式。有线组网在农业生产过程中存在诸多问题：一是设备的安装比较麻烦，成本也较高；二是在生产过程中容易出现损坏。随着无线传输技术的不断发展，现在多采用无线组网的方式来建设智慧农业物联网系统。

（3）应用层。该层涉及的任务是将传输来的信息进行分析和处理，并根据信息进行分类和数据挖掘，为农业决策提供数据依据，并对农业生产设备进行远程控制，实现农业生产智能化和智慧化。应用层的主要应用包括：农业生产数据实时监测、水肥一体化智能灌溉、农事记录和管理、农作物追踪溯源、灾害早期预警和后期评估、专家系统等。

2 LoRa

远距离无线电（Long Range Radio, LoRa）是低功耗广域网（LPWAN）通信技术中的一种，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技术。LoRa基于CSS（Chirp Spread Spectrum, CSS）调制技术，在保持低功耗的同时极大地增加了通信范围，具有功耗低、传输距离远、抗干扰能力强等特点。

LoRa的特点：

（1）传输距离：城镇可达2～5 km，郊区可达15 km；

（2）工作频率：全球免费频段运行包括433 MHz，868 MHz，915 MHz等；

（3）标准：IEEE 802.15.4g；

（4）调制方式：基于扩频技术、线性调制扩频（CSS），具有前向纠错（FEC）能力；

（5）容量：一个LoRa网关可以连接上千上万个LoRa节点；

（6）功耗低：常规电池供电理论上可长达10年；

（7）安全：AES128加密；

（8）传输速率：几百b/s到几十Kb/s。

3 5G

5G，即第五代移动通信技术，是最新一代蜂窝移动通信技术，也是继2G（GSM）、3G（UMTS、LTE）和4G（LTE-A、WiMax）系统之后的延伸[8]。5G网络具有高速率、低时延、大带宽、广连接等特性。5G的主要优势在于：数据传输速率远远高于以前的蜂窝网络，最高可达10 Gb/s，比4G LTE蜂窝网络快100倍，满足高清视频、虚拟现实等大数据量传输；较低的网络延迟，低于1 ms，满足自动驾驶、远程医疗等实时应用，而4G为30～70 ms；频谱效率要比4G LTE提升10倍以上；超大网络容量，提供千亿设备的连接能力，满足万物互联网络需求；连续广域覆盖和高移动性下，用户体验速率达到100 Mb/s；系统协同化、智能化水平提升，表现为多用户、多点、多天线、多摄取的协同组网，以及网络间灵活地自动调整。

4 基于LoRa+5G的无线自组网的智慧农业物联网系统

基于LoRa+5G的无线自组网的智慧农业物联网系统[9]是一种低成本、高效率的智能化农业物联网系统。系统利用自主开发的LoRa物联网智能网关[10]，将各类传感器通过无线自组网的方式实现互联互通和互操作；通过自建LoRa基站，实现区域信号覆盖，从而实现各物联网网关的数据汇集；再通过LoRa基站与5G基站的连接，实现数据的上下贯通。系统通过移动智能终端或PC，可实时监测农作物生长环境、智能化诊断和分析预警、智能化精准农事管理和设备管理，实现农产品全过程可追溯，确保农产品品质高和安全可控。系统功能架构和系统功能架构如图1、图2所示。

图1 系统网络架构

图2 系统功能架构

4.1 系统主要功能

系统功能界面如图3所示。

图3 系统功能界面

（1）数据采集。农作物生长现场温度、湿度、光照度、土壤含水量、土壤养分等传感器配合LoRa采集器与LoRa网关、LoRa基站实现自适应区域组网，再通过5G基站，将数据传递给云服务中心进行智能分析和处理。

（2）视频监控。用户通过智能手机或电脑可以随时随地观看到农作物种植现场实际影像，远程监控农作物生长情况。

（3）数据存储。系统将采集的各类数据统一上传至云服务中心进行存储，以备随时进行处理和查询。

（4）数据智能分析。系统可根据用户需求，将采集到的数值通过直观的形式向用户展示；可提供日报、月报等历史报表。

（5）远程控制管理。在获得系统授权后，用户在任何时间、任何地点通过任意联网终端均可实现对大棚现场各种设备进行远程控制。

（6）智能预警服务。系统允许用户制定自定义的数据范围，超出范围的错误情况会在系统中进行标注，以达到报警的目的。

（7）统一认证管理。系统实现统一认证、集中管理控制，包括用户管理、设备管理、认证管理、权限管理等功能。

（8）智能终端监控管理。智能终端上可以实现与电脑终端同样功能，实时查看由各种传感器传来的数据，并能手动控制大棚现场的喷淋、卷帘、风机等各种设备。

（9）自动控制。通过系统专家数据库和智能算法，基于作物生长模型和传感器数据，可智能调节农作物生长环境参数，为农作物营造最适合的生长环境。

（10）农事管理。农业管理人员可通过系统，合理制定农事计划，系统将准确记录、存储、分析和评估计划执行情况，为农产品追踪溯源提供基础数据。

4.2 系统主要特性

（1）低功耗。系统采用超低功耗设计，传感器平时处于休眠状态，采用定时唤醒和数据异常变化唤醒相结合的模式，结合智能边缘计算功能，减少正常数据频繁传输，确保异常数据及时上报等。一般一节6 V /3 000 mA·h锂电池，单传感器可使用2～3年。

（2）低成本。系统采用LoRa无线自组网通信技术，设备安装、使用、维护成本极低。

（3）无线自组网。传感器初次加电后即发出“握手”信息，向最近的LoRa网关发出连接请求，LoRa网关自动对传感器进行身份识别和解析后，实现智能组网。

（4）通信距离远。LoRa网关实际无线控制监测范围达3～5 km，开阔区域可达到10 km。

（5）超大容量。单个LoRa网关可实现800个以上设备接入量，而且可通过中继器进行多级拓扑，可满足智能监测控制的实际应用。

（6）抗干扰能力强。系统采用扩频传输技术，前向纠错技术设计，抗干扰能力强。

（7）安全可靠。系统具有自我巡检功能，在固定的时间内，会自动收发数据一次，可有效预防数据传输故障；另外，设备按照军工标准进行了严格的质量检测和性能测试，设备可适用于高温、严寒、潮湿等复杂环境。

（8）控制模式灵活智能。设备的控制模式采用了标准化模块设计，可根据应用场景或设备的不同而灵活选择电平控制、自动控制或者业务逻辑控制等控制模式。

5 结 语

本文提出了一种基于LoRa+5G的低成本智慧农业物联网系统，其是一种低成本、低功耗、大连接、智能化农业物联网系统，现在和将来一段时间时期内都是一种非常实用且适合我国现代农业发展现状的智慧农业物联网系统。其以低成本、易安装、易维护、便捷性操作赢得广大农业从业者的青睐，为推进我国现代农业发展和居民食品安全做出突出贡献，具有非常广阔的市场空间和应用前景。