0 引言

我国是个水资源极度贫乏的国家，农业用水的关键一个环节是节水。未来50 年我国仍将面临普遍升温，农业干旱缺水态势将进一步加剧[1]。

为了推进农田水利建设，实现绿色发展和资源永续利用，促进农民收入稳定较快增长，就要加快农业物联网建设步伐，建立互联共享的信息平台，重点突破智慧农业关键技术，提高农业科技水平[2]。以无线传感网络技术和智能控制技术为核心的智能灌溉控制系统的研究己成为现代化农业发展的重要建设任务[3]。

LoRa（Long Range，远程）是一种新型无线通信技术，利用了先进的扩频调制技术和编解码方案，增加了链路预算和更好的抗干扰性能[4]，对深度衰落和多普勒频移具有更好的稳定性[5]，拥有超高接收灵敏度（RSSI）和超强信噪比（SNR）[6]。SX1278 射频模块采用了LoRa远程调制解调器，适合于要求长距离通信、抗干扰能力、低功耗的物联网网络环境[7]。土壤温湿度是一个动态变化的系统，传统农业靠人工检测费时费力。相较于传统的农业灌溉，基于无线传感器网络的农田管理系统减轻了农民巡视农田的负担。同时，传统农业多依赖于人的主观经验，判断存在误差，灌水过多或不足，造成水资源的浪费，水资源利用率往往不高。基于LoRa 的无线传感网的农田节水灌溉系统通过传感器的实时监测，在减少了测量误差的同时，实现了农田系统的水资源利用率，达到了节水灌溉的目的。

1 系统设计方案

1.1 系统设计整体结构

系统由上位机、下位机两部分构成。下位机负责信息采集、信息传输、实时控制，上位机负责信息传输、接收与自动控制（如图1 所示）。多个下位机组成了网络拓扑结构（如图2 所示），监测农田不同区域的环境信息。

下位机用STM32F103 系列单片机作为节点的控制MCU，定时进行数据采集、数据处理、数据传输。采用水流量传感器对农田灌水渠道进行水流量检测，采用温湿度传感器对农田土壤含水量进行检测，采用Lo-Ra 无线通信模块进行节点通信；上位机是由Python 语言设计的交互界面，通过LoRa 无线模块转串口与下位机进行串口数据传输，实现农田的智慧管理与人机交互。

图1 系统结构框图

1.2 硬件系统的整体设计

（1）主要元器件选型

为实现农田信息的采集与水阀的控制，采用YL-69电阻式土壤传感器做土壤湿度检测。将采集到的模拟信号通过STM32 内部12 位的AD 转换模块转换为数字信号，使用模拟信号输出。考虑到AD 转换速度快，也可能存在偶然误差，此处我们进行10 次测量，求平均值，再转换为湿度信息作为输出。电磁阀选用2W 常闭型直动式水气通用电磁阀。工作温度为-5°C～80°C，压力范围0-1.0Map，额定电压DC12V。水流量传感器选用YF-S201 水流量传感器。流量范围：1-30L/min 误差：±2%。

（2）无线传输方式的选择

常见的无线技术主要分为局域网与广域网[8]。局域网通信主要包括Wi-Fi、ZigBee、蓝牙等通信协议，广域网主要包括2G/3G/4G 蜂窝通信技术[9-10]。Wi-Fi 技术的传输速率约为6M/s，传输数据快，产品成本低，但是安全性不高，稳定性比较弱，功耗相对比较大。Zig-Bee 功耗低，组网容量大，但是传输距离短，最远传输距离不超过75m，只适用于小范围、短距离组网[11]。蓝牙技术早期用于手机之间的文件传输，其功耗介于Wi-Fi与ZigBee 之间，但是传输距离最短。以上3 种通讯方式均不适用于大规模农田灌溉无线组网。2G/3G/4G主要依赖于移动运营商提供的网络数据，不但会产生额外的费用，对基站的信号强度也有较高的要求，不适合偏远地区的农作物的监控[12]。

因此，我们采用LoRa 技术作为通信方式。无线传输采用泽耀公司的AS32-TTL-100 模块，将ISM 波段射频收发器与MCU 连接并共同集成在一块单板上，MCU 通过内嵌程序配置射频收发器建立无线数据传输机制，直接通过引出的单片机UART 接口收发无线数据。该模块的核心处理器采用ARM 公司的STM8L151G6 芯片，搭载SX1278 射频芯片，进行LoRa扩频传输。输出接口为TTL 电平。工作频率410MHz～441MHz，共 计32 个 信 道，每 个 信 道 间 隔1M。在省电模式下，消耗电流仅仅几十uA。采用高效的循环交织纠错编码算法，在突发干扰的情况下，能主动纠正被干扰的数据包，最大连续纠错64bit。

将节点LoRa 模块的工作方式设置为省电模式（串口接收关闭，等待唤醒），静态功耗只有15uA，发送数据时更改为一般模式。上位机的LoRa 模块则设置为唤醒模式（发送数据时自动添加唤醒码，唤醒省电状态下的接收方）。