无线灌溉控制系统的设计与试验.pdf

新疆农机化圆园24 年第 2 期doi:10.13620/ki.issn1007-7782.2024.02.016中图分类号:S275.6文献标识码院A0 引言近年来新疆地区的农田灌溉方式已由传统的大水漫灌转变为滴灌，农田智能滴灌也逐渐成为农田灌溉的主要方式。然而新疆耕地面积大，不同地区和不同环境的地块所需灌溉水量不同，如何进行水肥的高效管理是制约新疆农业发展的新问题。人工控制不同地块的滴灌阀门开关劳动强度大，效率低，通过在大田中铺设线缆来控制各个阀门的通断虽然可以做到省时省力，但田间作业环境复杂化，严重影响了农机设备的正常运行，因此引入无线控制是较为良好的解决办法，利用无线传感网络技术对灌溉系统各个部分进行组网可有效解决灌溉基础设施建设困难的问题。本文拟构建基于 LoRa 通信技术的农业灌溉控制系统，不仅节省了有线自动化控制设施的安装和维护费用，能更有效及时的对滴灌电磁阀进行准确控制，降低运维成本，根据大田种植环境信息的反馈完成对农田的灌溉，实现科学有效管理1。1 LoRa 无线通讯技术概述LoRa 是 LPWAN（Low-Power Wide-Area Network）技术的代表，是一种低功耗广覆盖的物联网通信技术。表 1为各无线传输技术参数对比，相较于在物联网中使用广泛的 NB-IoT 和 ZigBee 等其他通信技术，LoRa 具有灵敏度高、占用系统资源少、待机功耗低等优点2。由表 1 可看出相较于其他常见通信方式，LoRa 覆盖范围更广且功耗更低。在相同功耗下，LoRa 的传输距离比其他通讯手段长 35 倍，适合应用于农业大田生产。单从能耗问题来讲，若大田环境监测设备能耗较高，一旦文章编号院1007-7782渊2024冤02-0055-04无线灌溉控制系统的设计与试验杨会民1,2，陈毅飞1,2，齐亚聪1，罗文杰1，周 欣1，喻 晨1，蒋永新1,2（1.新疆农业科学院农业机械化研究所，新疆 乌鲁木齐 830091；2 农业部林果棉与设施农业装备科学观测实验站，新疆 乌鲁木齐830091）摘要院南疆的温带大陆性气候为棉花生长提供了良好的自然条件，该地区棉花种植范围广，但干旱少雨。为解决传统灌溉方式自动化程度低、水资源浪费严重等问题，本文以 LoRa 无线通信、传感器、远程控制等技术，设计了一套基于 LoRa 通信技术的农业灌溉控制系统。该系统采用高精度土壤墒情传感器，远程在线采集土壤温湿度，远程控制电磁阀开关等控制方式，获得作物最佳灌溉时间、灌溉水量。试验结果表明：应用该系统进行灌溉后，灌溉效率有了显著提高，灌溉均匀度可达95%以上，效果良好，可为大田灌溉提供参考。关键词院远程控制；节水灌溉；通信技术；试验DesignandtestofwirelessirrigationcontrolsystemYang Huimin1,2,Chen Yifei1,2,Qi Yacong1,Luo Wenjie1,Zhou Xin1,Yu Chen1,Jiang Yongxin1,2（1.Research Institute of Agricultural Mechanization,Xinjiang Academy of Agricultural Sciences,Urumqi,830091,Xinjiang,China;2.Ministry of Agriculture Cotton,Fruit and Agricultural Facilities Equipment Science Observation Experimental Station,Urumqi,830091,Xinjiang,China)Abstract:ThetemperatecontinentalclimateinsouthernXinjiangprovidesgoodnaturalgrowthconditionforcotton,thisareahasalarge range of cotton cultivation,but it is dry and short of rain.In order to solve the problems such as low level of automation andserious waste of water resources in traditional irrigation methods,an agricultural irrigation control system based on LoRacommunication technology was designed.This system can obtain the best irrigation time and best irrigation amount of waterthrough high-precision soil moisture senor,remote online collection of soil temperature and humidity,remote control of solenoidvalve switch.The test result show that the irrigation efficiency has been significantly improved after utilization of this system,theirrigationuniformitycanreach95%orabove,whichisagoodeffectandcanprovidereferencesforirrigationoffields.Key words:Remote control;Water saving irrigation;Communication technology;Test基金项目院四川省区域创新合作项目（2022YFQ0051）修回日期院2023-11-21窑 节水灌溉 窑55援援新疆农机化圆园24 年第 2 期电源供应不足，系统功能就会下降，甚至陷入瘫痪状态，因此监测和控制系统的能耗必须低。WiFi 和蓝牙传输距离短且能耗高，LoRa 无线通信技术支持超低能耗和长距离通信，可使用锂电池供电，供电时间可达数年之久3。表 1 常见无线通信技术参数LoRa 通信采用跳频扩频的调制技术，抗干扰能力强，覆盖范围可达 10 km，在不同频段下 LoRa 可跳频数量也不同。同等频段划分了不同数量的跳频通道，如在 433MHz频段划分出 8个信道来实现 8个基本的载频。LoRa 通讯技术采用可调节式扩频因子，一次发送数据过程中的扩频因子可设置在 712 范围内，系统的可拓展性得到了有效增强。由扩频通信的技术原理可知扩频因子关系到通讯的抗干扰能力，二者呈正相相关关系，即扩频的倍数提高时通讯的抗干扰性能也会提升，因此在 LoRa 无线通讯网络中对终端距离较近的系统采用扩频因子较小的配置，对终端距离较远的系统采用扩频因子较大的配置，可综合每个终端距离及通信状况灵活更改4。LoRa 在通讯速率方面支持通讯速率可配置，通信速率与编码率、传输带宽以及扩频因子之间的关系如式（1）。=伊2蓸蔀伊（1）式中通讯速率（Date Rate），bps；编码率（Code Rate）；信息带宽（Bandwidth），s；扩频因子（Spreading Factor）。由公式可知数据通讯速率与扩频因子成反比，当扩频因子增大时等量的信息在传输时需要更长的时间。数据通讯速率与编码率成正比，当编码率增大时数据通讯数率将会提高，提高信息带宽时设备的数据通讯数率也会提高5。LoRa 支持的带宽及速率如表 2，由表 2 可看出 L-oRa 拥有较高的通讯速率，因此适用于温室农业大棚多终端的使用场景。表 2 LoRa支持的带宽及速率2 系统总体设计利用 LoRa 通信技术将安装在农田中的墒情传感器以及电磁阀组成无线传感控制网络来实现田间环境信息及设备工作状态信息的实时监测，通过网关接收采集信息，然后网关通过内部的 4G 模块将接收的信息传输到 4G 网络6。传入 4G 网络的环境和设备信息通过互联网传输到主控计算机。用户使用计算机或手机通过 4G 网络访问主控计算机并获取田间环境及设备信息以及发送控制指令远程控制田间电磁阀的通断。灌溉控制系统主要有 3 方面功能：环境信息感知、数据传输以及指令控制。在灌溉管道内设置流量监测与脉冲电磁阀，通过 LoRa 无线通讯技术进行远程控制，可检测土壤温湿度、统计电磁阀开合信息以及检测与统计灌溉管道流量信息。灌溉系统总体结构如图 1。灌溉控制系统的核心是 LoRa 灌溉控制器，LoRa 通信模块将脉冲电磁阀工作状态等信息传输到 LoRa 网关节点，网关节点将数据汇总传输到上位机 PC 端，脉冲电磁阀通过 LoR-a 通信与灌溉控制器相连，在灌溉控制器收到上位机PC 端传来的控制指令后控制电磁阀的开启与关闭。图 1 灌溉系统总体结构2.1 土壤墒情感知节点本文选用管式墒情传感器来感知土壤的温度和湿度，该墒情传感器包括壳体组件和传感器组件，如图 2。在壳体组件内限定出装配空间，壳体组件上设有检测区域和传感器组件，包括探头组件和支撑座，探头组件与支撑座相连，探头组件设在装配空间内，通过检测区域检测土壤情况，支撑座与壳体组件插接配合。该传感器可以获取地下 10 cm、20 cm 和 40cm 深度的土壤含水率以及土壤温度且可在手机端随时随地查看。带宽（kHz）扩频因子编码率比特率（bps）7.8124/51810.4124/52415.6124/53720.8124/54931.2124/57341.7124/59862.5124/5146125124/5293250124/5586种类灵敏度通信速率通讯距离工作频段系统资源待机能耗组网成本LoRa-148 dBm200 kbit/s10 km433/470/868/915 MHz2 kb0.0018 mA低ZigBee-100 dBm250 kbit/s300 m2.4 GHz432 kb0.003 mA低WiFi-92 dBm55 296 Mbit/s50 m2.4 GHz1 Mb+20 mA较高Bluetooth-90 dBm720 kbit/s10 m2.4 GHz250 kb+3.5 mA较低脉冲电磁阀LoRa 终端灌溉控制器LoRa网关PC 端LoRa无线通信LoRa无线通信RS-485协议窑 节水灌溉 窑56援援新疆农机化圆园24 年第 2 期图 2 田间土壤墒情传感器2.2 电磁阀控制节点电磁阀作为该系统的执行节点发挥着重要作用。电磁阀控制节点的设计思路为电磁阀节点通电后手动加入到 LoRa 网络中并获取属于自身的地址来执行电磁阀的开启或停止并将电磁阀的状态传送到 LoRa 网络中，既可通过手机或计算机操作控制电磁阀的启停，也可存储电磁阀的启停状态。2.3 LoRa 灌溉控制器节点LoRa 通信终端具备信息采集和 LoRa 射频调制解调功能，同时具有低功耗的特性。LoRa 灌溉控制器主要有两个功能：（1）完成对脉冲电磁阀工作状态的采集监测；（2）通过网关接收 PC 端发出的指令驱动脉冲电磁阀改变工作状态。根据终端的功能将 LoRa 灌溉控制器设计为 3 部分：电源管理模块、射频收发处理模块和微处理器模块，内部设计框图如图 3。图 3 LoRa 灌溉控制器设计电源管理模块的作用是为微处理器模块和LoRa 模块供能以及为锂离子电池串联供电。微处理器模块选择意法半导体公司生产的具有超低功耗的STM32LO 系列微处理器，该处理器在低功耗模式下电流仅为 0.29 uA 左右，其提供的 IIC（Inter-IntegratedCircuit）、SPI（Serial Peripheral Interface）、ADC（Analogto Digital Converter）、Timer、全双工的通用同步/异步串行收发器和通用的输入输出 I/O 端口等外设完全满足设计要求。射频收发模块基带处理器采用 Semtech 公司生产的 SX1278。市面上常见的 LoRa 芯片参数比较如表3。通过比较三款参数可知 SX1278 的频率范围是三款中最小的，但通信稳定性最高。所以选择该芯片作为终端通信芯片，该芯片能满足数据实时传输的需求。配合LoRa脉冲电磁阀使用可实现对电磁阀的远程控制。3 灌溉控制系统性能测试3.1 系统无线通信距离性能测试影响 LoRa 通信性能的参数主要有通信距离、扩频因子以及通信带宽等，在网关接收到数据后计算丢包率，（Received Signal Strength Indication）含义为接收灵敏度，即接收的信号强度指示。可以通过接收到的信号的强弱来测定信号发射点与接收点间的距离。在 LoRa 通信 SX1278 芯片中提供了值读取功能，通过读取芯片中 RegRssiValue 寄存器的值然后由公式 2计算得出。（dBm）=RegRssiValue-157（2）为测试通信距离，定义丢包率如公式 3：=（3）式（2）（3）中，-接收的信号强度，dBm；-丢包率，%；-接收数据包个数；-发送数据包个数。在中对无线通信性能影响最显著的是通信距离。将网关发射频率定为 20 dBm，工作频率选择 433 MHz，具体参数见表 4。表 4 设备参数配置如图 4，实际测试表明系统在传输距离为 3 km时丢包率为 4.4%，此时值为-89.42 dBm。在传输距离为 3.5 km 时丢包率为15%，此时值为126 dBm。随着距离的增加信息传输丢包率逐渐上升，因此该系统稳定的传输距离可达 3 km。电源管理模块通信天线SX1278晶振微处理器射频模块名称发射功率（dBm）工作频率（MHz）带宽（kHz）扩频因子LoRa 网关参数2043312512LoRa 灌溉控制器参数1843312512芯片工作频段（MHz）最大发射功率（dBm）接收灵敏度（dBm）带宽（kHz）扩频因子有效数据速率（kbps）SX12761371 02020-1487.85007120.01837.5SX12771371 02020-1397.85007120.1137.5SX127813752520-1487.85007120.01837.5表 3 三款常见 LoRa通信芯片参数窑 节水灌溉 窑57援援新疆农机化圆园24 年第 2 期3.2 控制器功耗测试分析LoRa 灌溉控制器采用 5 200 mAh 锂电池供电。实测控制器待机电流为 16 uA，当发射功率为 17 dBm 时发射电流为 120 mA，接受电流为 24.8 mA。单节电池19 AH，一共 200 个节点，平均每个节点每天循环开关通讯 4次，每个节点每 5 min 上传一次数据的情况下可支持 6 年使用。3.3 LoRa 灌溉控制系统试验与分析为验证远程控制系统的功能，将系统安装在新疆库车的试验田实施远程控制灌溉并测试其系统功能。测试时在田间安装了 3 个土壤墒情传感器、28 个电磁阀以及 1 个 4G 网关汇聚点，各节点通过 LoRa 的数传模块进行数据通信，再将数据发送给汇聚节点。汇聚节点利用 4G 模块发射信号，通过安装在附近的信号塔将田间数据远程发送至服务器并存储在后台数据库。用手机 APP 进行测试，点击设备控制按钮，在控制界面选择电磁阀节点可以控制电磁阀打开或关闭。可以在现场观察到用户通过手机选择相应电磁阀发送开启指令后田间对应编号的电磁阀开启，水流经电磁阀通过水表，得到灌溉量。本文选取新疆库车地区为试验地，对灌溉控制器进行为期一年的实际应用，数据如表 5。采用灌水均匀度对已建成的滴灌系统进行灌水均匀性评价。根据我国微灌工程技术规范（GB/T50485-2009）7，灌水均匀度采用下式计算：=1-驻蓸蔀伊100%（4）式中灌水均匀度，%；驻 各阀门流量平均值与各阀门流量之差绝对值的平均值；各阀门流量平均值，L/h。灌水均匀度不应小于 80%8，由式（1）计算可得灌水均匀度为 96.8%，符合我国 微灌工程技术规范。4 结论基于LoRa 的农田滴灌远程控制系统允许农户通过移动终端远程实时采集和显示农田土壤水分以及温度等相关环境参数，并且根据作物生长需求通过手机开启、关闭电磁阀进行远程灌溉。该系统的应用可满足作物生长发育的需求，并提高农业信息化管理水平。参考文献院1闵沛袁郑剑锋袁强浩袁等.现代化智慧农业温室监控系统设计J.自动化与仪表袁2017袁32渊2冤院60-63袁67.2杨扬.物联网基础与应用M.北京院北京大学出版社袁2015.3雷万荣袁魏堃袁杨超袁等.基于 LoRa 通信技术的智能控制节水灌溉系统J.农业技术与装备袁2022渊9冤院50-52.4赵文举.低功耗广覆盖 LoRa 系统的研究与应用D.北京院北京邮电大学袁2019.5龙晓明袁王跃亭袁俞龙袁等.基于 LORA通信的山地果园灌溉系统J.节水灌溉袁2018渊12冤院114-117.6刘育辰袁李江全袁左乾坤.基于物联网的农田滴灌远程监控系统设计J.自动化与仪表袁2018袁33渊4冤院82-86.7中华人民共和国水利部.GB/T50485-2009 微灌工程技术规范M.北京院中国计划出版社.8鞠学良袁吴普特袁朱德兰袁等.基于样本流量偏差率的微灌灌水均匀度评价方法J.排灌机械工程学报袁2016袁34渊2冤院173-178.编号1234567891011121314151617181920开启时长（h）147.97167.55171.71139.82231.70136.21123.28201.47100.98149.82110.96207.29145.71182.80160.72149.88131.60153.53149.88134.83灌溉总量（m3）731.3774.1872.3632.01 156.2653.8570.8957.0515.0753.6552.6992.9679.0861.0779.5743.4672.5756.9750.9628.3灌溉流量（m3/h）4.944.625.084.524.994.804.634.755.105.034.984.794.664.714.854.965.114.935.014.66表 5 电磁阀总灌溉时间及灌溉量对比001 0002 0003 0004 0005 00051015202530通信距离（m）丢包率图 4 LoRa 通信距离与丢包率之间的关系窑 节水灌溉 窑58援援