基于LoRa技术的土壤墒情监控系统设计

王国杰 薛 磊 赵 凯

(邯郸职业技术学院 计算机系，河北 邯郸 056005)

引言

随着物联网技术的发展，无线通讯已逐渐成熟并广泛应用到了很多领域。目前在物联网领域通讯技术针对不同的应用有了几种不同的方式，如远距离无线通信的5G、4G和NB-IOT等[1]，近距离无线通信的蓝牙、WiFi、红外和Zigbee等，有线通信以太网、RS232和RS485等。有线通信优点是抗干扰性好，但也存在布线相对困难、安装维护麻烦、可拓展性相对较差等缺点。无线通信具有组网灵活、简单、不需要布线、成本低廉等优点，并可借助网关模组接入远程网络传输信息到远程数据服务中心。

LoRa属于LPWAN(low-power Wide-Area Network，低功耗广域网)，具有广覆盖、低带宽、低成本、低功耗、免费的非授权频段以及可具有多终端节点等特点。LoRa数据速率可达300Kbps，节点数量最多5000个，在空旷场地通信距离可高达几Km，非常适合用于农田、林业和野外等场地的部署，完全可以满足本设计对无线数据传输的要求。LoRa网络主要由采集节点、网关模组、数据服务器以及应用终端组成。其网络架构为星形拓扑结构，LoRa网关模组相当于一个透明传输的中继器，用于连接采集节点和数据服务器。采集节点可与一个或多个网关进行单跳双向通信。

1 系统架构设计

土壤墒情监测系统主要用于采集和传输土壤中温度和湿度的数据并实现存储和应用管理等功能，其中包括了感知层、传输层和应用层三个物联网架构[2-3]，架构如图1所示。本系统硬件主要由采集节点和网关模组两部分组成，数据传输采用LoRa无线通信方式，采集节点和网关模组可根据客户实际的需求灵活调整位置。本设计由于采用锂电池供电，为了延长土壤墒情的监测时间，通过严谨的设计大大降低了采集节点的功率消耗。

图1 系统物联网架构图

2 系统硬件设计

系统硬件设计包括采集节点和网关模组两部分。采集节点主要完成温、湿度数据的采集、处理和传输等过程，网关模组主要负责将采集节点上传的数据转发到云端数据服务器[4]。最后，云端服务器数据系统对来自采集节点的所有数据进行处理和分析。

2.1 采集节点设计

采集节点属于物联网架构的感知层，其任务有两个：一获取土壤的温、湿度数据并通过LoRa模块发送至网关模组；二是接收网关模组的控制指令，如采集节点的睡眠周期、时间校准及采集间隔等。节点电路主要包括四部分：电源管理、温、湿度传感器、STM32微处理系统和LoRa模块SX1278[5-6]。采集节点硬件如图2所示。

图2 采集节点硬件架构图

本系统中主控核心芯片选用ST公司的超低功耗32位ARM处理器STM32L151RET6，该芯片基于Cortex-M3内核，主频高达32 MHz，内部具有32～512KB Flash，电源电压为 1.71V～3.6V，具有动态运行和低功耗运行模式，同时具有外部晶振 32.768 kHz的RTC、后备寄存器与低压检测器。主要用于工业、医疗和消费类应用，其主要特点为片上快速集成。CPU模块的SPI总线引脚用于连接LoRa无线通信模块SX1278的SPI总线端，由于本芯片ADC通道输入电压范围为0-3.3V，而温、湿度传感器输出模拟量电压为0-5V，因此本系统采用串联电阻分压方式来满足电路设计要求。

本系统为了满足土壤温湿度实时采集的需求，传感器主要采用威盟士科技VMS-3000-TR土壤温、湿度变送器。该变送器输出为模拟量0～5V/0～10V，供电电压DC 10-30V，温度参数量程 为-40～80℃，精度 ±0.5℃；水分参数量程 0-100%，精度0-50%内±2%，50-100%内±3%；特点是精度高，响应快，输出稳定，主要适用于土壤温度以及水分湿度的测量，抽真空灌封完全防水，耐腐蚀，耐电解[7]，可长期埋入各种土质土壤中。传感器接线如表1所示。

表1 传感器硬件接线表

本系统主控芯片和LoRa模块SX1278 供电电压为3.3V，依据设计需求，电源模块选用LM296T-3.3，该模块为降压型电源管理单片集成电路的开关电压调节器，具有良好的线性和负载调节特性，可提供超低噪声和低静态电流，具有关断功能。电源模块设计原理如图3所示。

图3 电源模块设计原理图

LoRa 模块采用 SX1278无线模块，具有高性能、高稳定性、低功耗、抗干扰能力强、远距离的微功率、接收灵敏度高等特性，内部具有自动扩频跳频技术和硬件校验处理能力；2.1-3.6V 宽电压范围，微功率标准 100mW，接收灵敏度高达-148dBm，最大发射功率+20dBm。采用SPI 总线与STM32主控芯片通信，适合低功耗、低数据量和远距离等应用场合。SX1278无线模块设计原理如图4所示。

图4 SX1278无线模块设计原理图

2.2 网关模组设计

在本系统中网关模组主要负责数据的采集与转发服务及GPS/北斗定位，它是连接众多采集节点与服务器之间数据传输的桥梁，网关模组的可靠性与稳定性直接关系到系统的整体性能。在本系统中网关模组并不需要采集土壤的温、湿度数据，主要完成接收采集节点上传来的温、湿度数据，并把该网管模组管理下的所有采集节点的数据打包发送到云端远程服务器，同时由云端服务器下发的控制命令如时间同步等参数则经过网关模组转发给全部或指定的采集节点。

本设计采用LoRa网关芯片SX1301，这是专为在全球ISM频段提供突破性网关功能而设计的专用芯片，具有巨大的数字信号处理引擎，集成了LoRa集中器IP。SX1301的目标是智能计量固定网络和物联网每平方公里最多5000个节点的应用程序中度干扰环境，具有高达-142.5dBm的接收灵敏度、49个LoRa“虚拟”通道和ADR技术。网关模组主控芯片STM32和SX1301的通信总线是SPI。SX1301依赖微代码来运行，上电后主控芯片负责发送微代码给SX1301。ADR(Adaptive Data Rate，速率自适应)是LoRa网络核心优势所在，它依赖采集节点和网关模组的距离自动调节通讯速率，越近，采集节点将采用高速率；越远则采用低速率[8]。SX1301与主控芯片(MCU)STM32连接如图5所示。

图5 SX1301与主控芯片(MCU)STM32连接图

本系统远程传输采用MC20无线通讯模块，这是基于多功能通信和定位全功能一体化芯片，集成先进算法GNSS 引擎，为四频段GSM/GPRS 全功能一体化的通信及定位模块，具有体积小、功耗低等优势。本身内部嵌有多种网络协议如TCP/UDP/NTP/PING/FTP/PPP/HTTP 等[9]，还集成了多星座卫星定位系统如北斗/GPS/等，使其定位更加精准、时间获得更加精确及抗多路径干扰能力更强。其与主控芯片STM32采用UART串口通信，在共享单车、车载追踪器及行车记录仪等领域有着广泛的应用。MC20无线通讯模块原理如图6所示。

图6 MC20无线通讯模块原理图

3 系统软件设计

土壤墒情监控系统软件主要包括采集节点程序、网关模组程序及云组态程序三部分[10]，其中采集节点程序是土壤墒情底层硬件的采集及通讯程序，网关模组程序主要用于定位、同步及数据上传下载，而云组态程序完成采集数据的存储、处理及人机交互等。

3.1 采集节点程序

采集节点作为土壤墒情监测中最重要的部分，是整个土壤墒情系统的关键。 其程序运行模式可以分为两种，即：周期性数据采集和实时数据采集[11]。周期性数据采集主要是指采集节点周期性采集土壤中的温、湿度数据，然后将数据传输至网关模组；实时数据采集主要是指采集节点接收到来自云组态的查询指令时，采集节点进行数据采集后向网关模组发送数据。

在周期数据采集中，当周期唤醒节点时，采集节点首先发送请求连接信息，当收到来自本域内网关模组带有时钟同步的应答信息后，立即进行对本地时钟的同步工作，包括：时间校准、RTC 下次唤醒的时间等。然后对土壤进行数据采集处理，最后上传数据到网关模组，完成后进入睡眠状态。而实时数据采集主要指节点通过SPI串口中断被唤醒，进行上述步骤。其程序流程如图7所示。

图7 采集节点程序流程图

3.2 网关模组程序

为了保证本域内所有采集节点的时间统一，网关模组会周期性地使用GPS或北斗模块校准本地时钟。并且对本域内所有采集节点进行侦听，当收到采集节点请求信号后，网关模组将本地时钟、采样周期等信息发送给采集节点，当收到采集节点发来的土壤数据时，网关模组将对本域内所有节点数据进行处理并发送至云组态。同时，网关模组把从云组态下载的指令转发至所有节点或指定节点进行数据实时采集。

3.3 云组态软件

本系统基于成本、安全性、可靠性及快速性等各方面因素的考虑，云组态开发采用基于阿里云的公有云物联网数据平台[12]，云组态软件主要实现土壤数据采集汇总、存储、数据查询、数据分析、历史曲线等功能，为用户提供良好人机交互界面，使用户更加方便地管理监控系统。云组态数据报表如图8所示。

图8 云组态数据报表

4 系统测试及性能分析

LoRa组网设计测试采用 LoRa通信协议进行组网通信，系统由本域内所有采集节点和网关模组组成，实现系统的互相通信。首先将采集节点在云组态系统中逐一注册，然后将采集节点放置在网关模组的可接收范围内，组网成功后节点将采集到的温、湿度数据通过网关模组上传至云组态系统。

4.1 丢包率测试

丢包率是检验数据发送和接收的一项关键指标，是指在通信中数据包丢失的数量与发送总数之间的比值。影响丢包率的因素有很多，如：通信距离、外界信号的干扰、软硬件设计缺陷及数据包字节长度等。经过实际测试，在无外界信号干扰的情况下，节点周期性发送数据包至网关模组，当采集节点和网关模组测量范围在1.5km以内时，丢包率约为2%左右，随着距离逐渐增加，丢包率会不断上升。当测量范围在3km以内时，丢包率不超过4%。考虑到外界的各种干扰，节点和网关的传输范围在2.5km以内可以满足设计要求。

4.2 功耗测试

为确保在空旷的田野中采集节点能够长期应用，本系统中硬件电路设计的两个主要性能指标为LoRa 远距离通讯以及节点的低功耗。因此在工作电压3.3V，发射功率+20 dBm等标准情况下，对不同运行模式的采集节点分别进行功耗测试。测试表明采集节点无论在发射、接收及休眠状态下功耗设计都达到了预期目标。采集节点功耗测试如表2所示。

表2 采集节点功耗测试表

结论

本设计实现了基于LoRa技术的土壤墒情监测系统。该系统充分利用了LoRa技术远距离通讯及STM32系统的低功耗特性，系统主要由三部分组成：采集节点、网关模组和云组态。具有通信距离远、低成本、低功耗、抗干扰性强等特点。可用于对农田、林业等土壤的温、湿度进行周期或实时监测，为用户对土壤的管理提供数据依据，保证农作物适宜的生长环境。经过对软硬件系统测试，设计满足预期目标，可广泛应用于偏远的农田和林业园区土壤墒情监测。