摘要：现阶段，我国农业智能化普遍采用ZigBee技术，但ZigBee由于通信频率较高、容易受到外界信号的干扰、传输距离短、网络结构复杂，无法保证传输的完整性、准确性、实用性和便捷性。针对ZigBee技术的短板，基于LoRa技术以及LoRa开放协议的智能农业系统设计成为农业生产者的理想选择。文章以LoRa技术作为支撑，设计了集低耗、高效、绿色于一体的智能化农业物联网系统。
关键词：LoRa技术；智能农业系统；系统设计；系统实现
随着社会与经济的发展，物联网的兴起将农业产业推向了新的高度。为了完成物联网的全球部署，农民及牧场主亟需一种低功耗、低成本、高频率的传感器。LoRa作为超远距离传输技术，其优势有以下三个方面：首先，LoRa功耗极低，可满足农业生产的最基本需求。第二，LoRa具有接收灵敏度高的特点，能够满足无线连接准确性的需求。第三，LoRa具有超远的通信距离，能够有效降低信息干扰。如何利用LoRa技术的优点，将多元化LoRa网络与智能农业系统相结合是本文研究的重点。
1系统设计
系统总体设计如图1所示。本文所设计的LoRa智能农业系统主要包括以下五个方面，分别是：农业专家系统、绿态农业系统、用户访问平台、数据管理云平台、LoRa基站以及终端节点。其中农业专家系统具有智能学习、生产模拟、制定生产策略、技术指导等功能。绿态农业系统能够根据农业生产监控数据，精细化管理农业生产的农药用量、饲料添加量等。用户访问平台主要指PC端或手机客户端，用以视频监控农业生产状况或接受反馈信息。数据管理云平台负责对整个系统的数据进行处理，包括储存、上传和反馈。LoRa基站是系统中必不可少的中继站，用以连接数据管理云平台和终端节点，保证数据交互。终端节点包括采集节点和控制节点。本文对LoRa智能农业系统的设计原则为双向、可视可控、绿色以及智能。在自下而上的传输过程中，采集节点收集农业生产的相关数据，通过LoRa自组网传输给LoRa基站，再经过WiFi/3G/4G互联网络发送给数据管理云平台，该系统的优点不仅体现在LoRa技术的低耗性、高效性和抗干扰性，还实现了农业生产的精细化管理，能够有效降低农业生产的成本和对环境的破坏。
2系统平台设计
2.1系统硬件设计
2.1.1网关硬件设计
LoRa网关可以通过传感器，在LoRa技术与网关组成的传感网络中收集数据，也可以通过RS-485芯片采集数据。与其他芯片相比，它是一个真正意义上的单芯片RS485集成芯片，可大大减少PCD板面积，在RS485输入/输出引脚提供±15kVESD保护。总线最多支持与256个节点连接，具有开路和短路故障保护接收器输入、高共模瞬变抗扰、热关断保护等功能。
2.1.2LoRa基站硬件设计
对LoRa基站而言，低功耗是在其能够满足自身复杂计算需求的前提而言。ARMSTM32F103VET6是一款32位微处理器，具有72MHzCPU的速度和高达1MB的闪存。包含电动机控制设备以及CAN和USB全速接口、两个高级定时器和两个基本定时器。LoRa基站主要包括网络接口、电源、主控芯片、SX1278四个模块构成。
2.1.3终端节点硬件设计
LoRa终端节点选用Semtech公司生产的SX1278扩频技术芯片，其主要优势为传输距离远、抗干扰性能强、功耗低。根据系统需求，终端节点包括采集节点和控制节点两个部分，主控芯片选用MSP430F149其中采集节点主要负责采集农业生产数据，并将数据上报至LoRa基站，控制节点负责执行上级指令。
2.2系统软件设计
2.2.1终端节点软件设计
终端节点在接通电源后进行系统初始化，随后开始接入串口，同时将LoRa模块激活。在完成数据接收工作后，LoRa模块对数据进行逐帧分析，若数据来自数据云管理平台，则通过LoRa无线网络传输给终端节点；若数据来自终端节点，则通过WiFi/3G/4G，将数据发送给数据管理云平台。数据管理云平台在接收到来自基站的数据后，迅速发送给用户访问平台。
2.2.2LoRa基站软件设计
LoRa基站在接通电源后进行系统初始化，开始接入串口，同时将LoRa模块激活。在完成数据接收工作后，LoRa模块对数据进行逐帧分析，若数据来自终端节点，则对数据进行打包，添加帧头、帧尾和两位CRC校验位，通过LoRa无线网络传输给LoRa基站；若数据来自LoRa基站，则先去除数据的帧头、帧尾和两位CRC校验位，随后将数据发送给控制节点。
3网络协议设计
为了保证整个系统数据传输的准确性和真实性，对数据帧的设计可包含以下五种类型：（1）上行数据帧。上行数据帧表示采集节点向数据管理云平台传递的农业生产实时数据信息；（2）下行应答帧。下行应答帧是对控制节点执行上层指令情况的反馈，以避免重复。（3）下行指令帧。下行指令帧表示数据管理云平台给控制节点发出的指令；（4）下行配合指令帧。下行配合指令帧是指数据云管理平台服务器在对控制节点发出指令的同时，对采集节点的相关指令；（5）下行应答帧。下行应答帧表示数据云管理平台服务器已经接收到下层控制节点或采集节点的信息，并将接收情况反馈给控制节点和采集节点。
4系统优势
4.1技术优势
LoRa是智能化农业系统首选技术，支持一对一、一对多、多对多的控制模式，网络结构具有动态性和多元性。采用防碰撞算法，在多个采集节点同时运行的情况下，保证数据的准确性。在数据的处理上，采用认证、验证、按需工作的方式保证数据传输的安全性、可靠性和及时性。
4.2管理优势
本系统包括自动管理和人工管理两个部分。其中自动管理是指在农业生产现场的传感器可以实时监控影响种养殖的因素。当采集节点上报的数据有异常时，系统将会进行智能防控。人工管理是指农业工作者可通过农业专家系统提供的建议对农业生产进行全局管理。人工管理与自动化管理相结合，有效降低了农业生产的管理成本。
4.3科学和环保优势
在本系统设计中，首先加入了“农业专家系统”，用户可以从专家系统中获取种养殖方法、农业发展动态、国家政策等信息。在种养殖方法指导下，进行科学、正确的农业生产；了解国家政策，跟进国家发展脚步；知晓行业动态，精实生产。此外，本系统还特意加入了“绿态农业管理系统”，在响应国家“绿色”发展的同时，注重农业生产的可持续发展。
5结束语
综上所述，根据对现阶段我国农业发展现状、以及对农业发展需求的分析，农业发展离不开现代化信息技术。在LoRa技术下，农业发展将向数字化、可控化、智能化以及绿色化发展，为农业工作者提供了显著的技术、管理以及科学环保优势。
参考文献：
[1]陈宇翔.LoRa应用关键技术研究[D].杭州电子科技大学，2019.
[2]郭恋恋.基于LoRa技术的农业温室监测系统设计与实现[D].安徽大学，2018.
[3]陈彪，揭晶方，张伟，等.基于LoRa的智能农业系统设计与实现[J].计算机测量与控制，2018，26（10）：134-137+142.
作者:吴江雪 单位:中北大学
