基于LoRa 的农田土壤墒情监测系统设计

张静芳，张 亚

（1.呼和浩特水文勘测局，呼和浩特 010020；2.水利部南京水利水文自动化研究所，南京 210012；3.江苏南水科技有限公司，南京 210012）

中国是一个农业大国，农田是用水大户，用水量约占全国用水总量的63%，然而大量的水在灌溉中被蒸发。开展农田土壤墒情的监测可以实现适时适量灌溉，有效解决了农业节水问题，充分发挥水资源和灌溉工程效益，从而达到节水增产、增效益的目的［1］。土壤墒情是政府决策部门实现节水的基础信息，为指导农业抗旱和合理配置水资源提供技术支持［2-4］。随着自动化技术与通信技术快速发展，人工监测的方式逐渐被取代，TDR 测量法能快速准确在线监测土壤含水量，被普遍认为是最有效的在线土壤墒情测量手段［5］。

自然环境恶劣、地形复杂、移动公网无法覆盖、传输信号不够稳定，同时采集节点分散、无法组网，容易导致农田土壤墒情监测效果非常不理想。针对这一问题，设计了基于LoRa 的农田土壤墒情监测系统，采用土壤水分传感器采集墒情数据，通过LoRa通信模块上传至网关，网关汇集数据后再经GPRS模块传输到远程监测平台，实现监测数据的远程传输、显示、查询，为抗旱减灾相关部门提供技术支撑。

1 低功耗广域网

低功耗广域网（LPWAN，Low Power Wide Area Network）是一种低功耗远距离的无线通信网络，由于其网络覆盖范围广、终端功耗低等特点适用于大规模的物联网应用场景［6］。与传统的Zig-Bee、Bluetooth、Wi-Fi 等无线通信方式相比较，LPWAN 的传输距离更远，一般在公里级，而且功耗低，电池供电的设备使用寿命可达数年，主流通信技术对比如图1 所示。LoRa 是LPWAN 通信技术的一种，是一种基于扩频通信的超远距离无线传输技术，很好地解决传统无线网络传输距离远与低功耗不能兼得的困难［7，8］。

2 系统总体设计

本系统主要包括土壤水分采集单元、网关节点和远程监测单元3 个部分，其整体架构如图2 所示。

图2 总体架构

采集单元主要采集土壤含水率的信息，将不同节点信息通过LoRa 模块汇聚于网关节点，网关节点由LoRa 和GPRS 通信模块集成组成，无线网关与终端采集节点采用星型拓扑结构［9］，各采集节点将所获得的数据统一传输给网关节点，网关节点再将数据通过GPRS 通信模块传输到监测平台，再按协议进行处理、存储、转发等操作。不同用户可通过远程监测单元登录电脑终端或移动端的交互平台，实时查询农田土壤墒情信息，为指导农业抗旱提供技术支撑。

3 硬件设计

3.1 数据采集

数据采集节点采用土壤水分传感器、主控制器、太阳能供电模块、LoRa通信模块，结构框如图3所示。

图3 数据采集节点结构

3.1.1 土壤水分传感器 该系统采用国产的基于TDR 原理SOILTOP-200 土壤水分传感器，相比传统的TDR 墒情传感器，其采用频域频率步进体制和矢量接收技术测量土壤水分［10］，实现对于土壤体积含水率的TDR 测量，具有精确度高，通用性强，抗干扰能力强等优势。土壤水分传感器如图4 所示。

图4 土壤水分传感器

3.1.2 主控制器 主控制器采用STM32L475VET6，是一个基于ARM Cortex®-M4 内核的32 位处理器，采用ARMv7ME 架构，支持所有ARM 单精度数据处理指令和数据类型。内部高达512 kb 大小的Flash，支持读写同步，高达128 kb 大小的SRAM 其中包含32 kb 预警奇偶校验，具有强劲的处理性能、较低功耗、处理速度快等特点［11］。

3.1.3 LoRa 通信模块 LoRa 通信模块采用宏电H6820 LoRa 模块，支持433、470、490 等Sub-GHz 频段，采用工业级32 位处理器和射频模块，H6820 模块支持4 种工作模式，即终端模式、网关模式、点对点模式和中继模式［12］。（1）终端模式——默认工作模式。与网关进行通信，将客户传感器数据传输给网关；（2）点对点模式——实现两节点模块之间互相通信；（3）网关模式——实现网关功能，充当LoRa 集中器应用，负责汇集本地所有传感器数据及下发客户采集器控制指令；（4）中继模式——用来中继终端与网关之间的数据。LoRa 模块实物如图5 所示。

图5 宏电H6820 LoRa 模块外观

3.1.4 太阳能供电模块 太阳能供电模块选择使用太阳能电池板+锂电池的方式供电。太阳能电池板材料选择单晶硅，功率为20 W，大容量锂电池选择容量100 Ah，12 V 酸性免维护可充电蓄电池，满足连续阴雨的天气下运行不少于15 d，具有过流、过压、过充、反极性等自动保护功能。

3.2 网关节点

网关节点由微控制器、太阳能供电模块、LoRa通信模块及GPRS 模块组成，是数据采集节点和监测平台之间的桥梁。结构框如图6 所示。

图6 网关节点结构框

微控制器采用搭载三星S3C2440A 的Mini2440开发板，板载64 M SDRAM、128 M 的闪存，百兆网卡接口、USB 接口及JTAG 调试等接口，拥有强大的扩展能力。网关节点通过LoRa 通信模块与采集节点进行通信，需要设置成网关模式，可以接收同频率、同速率其他采集终端发送的数据。网关节点设备配置的参数如图7所示。GPRS模块型号为宏电H7718，该模块能在恶劣环境下正常稳定运行，常用于水文气象、智能交通等领域。

图7 网关模式配置参数界面

4 监测平台设计

为了满足系统远程监测的需求，根据管理权限不同，登录时可以选择普通用户登录或管理员登录，便于用户对区域精细化管理。远程监测平台采用JAVA编程语言进行开发，开发工具采用Eclipse IDE，以SQL Server 2012 作为数据库，利用Tomcat 部署在系统上。远程监测平台采用B/S（Brower/Server）模式［13］，用户通过浏览器即可查询农田土壤墒情的信息。图8 为远程监测平台界面，软件界面的友好与实用，显示10、20、40 cm 不同深度的农田土壤含水量，为科学灌溉、防旱防灾提供准确的数据与技术支撑。

图8 远程监测平台界面

5 小结

设计了一种基于LoRa 的农田土壤墒情监测系统，网络通信采用星型拓扑结构，包括一个网关和多个终端采集节点。将土壤水分传感器采集到的墒情数据通过LoRa 通信模块上传至网关，网关汇集数据后再传输到远程监测平台，实现了土壤墒情实时远程传输、控制、显示，为指导农田节水灌溉、抗旱减灾工作提供重要的基础信息。在数据传输方面，相比传统GPRS 技术和Zig-Bee 技术的稳定性高、覆盖广、功耗更低、组网灵活。