基于ZigBee和LoRa的麥田監(jiān)控系統(tǒng)

引 言

我國是小麥種植大國，在麥田管理過程中，存在麥田火災(zāi)、 燃燒秸稈及過量使用化肥引起土壤環(huán)境問題等現(xiàn)象。近年來， 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用 [1,2]，為解決上述問題提供了有 效方法。

ZigBee 技術(shù)的通信距離較短，且組網(wǎng)復(fù)雜 [3]。LoRa 技 術(shù)通信距離較遠(yuǎn)，主要采用星型輪詢組網(wǎng)結(jié)構(gòu) [4]，組網(wǎng)簡單。 通用分組無線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）是 基于 GSM 的一種新型數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)，也被描述為 2.5G，具 有傳輸速率高、接入時間短等特點 [5]。由于麥田面積比較大、 監(jiān)測點多，若只使用 ZigBee 和 GPRS 技術(shù)，組網(wǎng)較為復(fù)雜 [6]； 若只使用 LoRa 和 GPRS 技術(shù)，將會因通信范圍內(nèi)部署節(jié)點較 多而導(dǎo)致輪詢獲取信息的速度較慢。因此，將上述三種無線 通信技術(shù)相結(jié)合，形成分層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。麥田監(jiān)控系統(tǒng)可在麥田 科學(xué)管理、麥田火災(zāi)報警及燃燒秸稈管控方面發(fā)揮積極作用。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

該 系 統(tǒng) 主 要 由 ZigBee 終 端、ZigBee-LoRa 采 集 器、LoRa-LoRa 中繼器、LoRa-GPRS 集中器組成。

由ZigBee 終端采集麥田信息，并將采集到的麥田信息傳送到ZigBee-LoRa 采集器，ZigBee-LoRa 采集器將接收到的信息傳送到LoRa-GPRS 集中器。若距離較遠(yuǎn)，則可以使用LoRa-LoRa 中繼器，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。集中器將報警信息通過基站傳送至麥田負(fù)責(zé)人，并可將麥田信息通過Internet上傳給監(jiān)控中心。麥田監(jiān)控系統(tǒng)如圖 1 所示。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 ZigBee終端

ZigBee 終端主要用于采集多麥田信息， 其結(jié)構(gòu)如圖 2所示，包括電源模塊、交互模塊、主控芯片 MSP430F169、 ZigBee 通信模塊及煙霧傳感器等。

微量元素和水分對小麥產(chǎn)量有著重要的影響[7]，而濫用肥料將會造成土壤污染[8]。麥田火災(zāi)不僅會造成生命財產(chǎn)損失， 且燃燒秸稈對空氣亦會造成污染。因此，本文設(shè)計的系統(tǒng)主要對微量元素、水分、煙霧進(jìn)行監(jiān)測。為防止煙霧傳感器被誤認(rèn)為遭到遮擋，特增加了對煙霧傳感器遮擋的監(jiān)測。

2.2 ZigBee-LoRa采集器

ZigBee-LoRa 采集器的結(jié)構(gòu)如圖 3 所示，包括電源模塊、主控芯片MSP430F169、交互模塊、ZigBee 通信模塊、LoRa 通信模塊及GPS 模塊。

當(dāng)ZigBee 通信模塊完成對 ZigBee 終端信息的采集后， 由LoRa 通信模塊將采集到的信息上傳到LoRa-GPRS 集中器或 LoRa-LoRa 中繼器， 全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）[9]為麥田監(jiān)控系統(tǒng)提供位置信息。由于ZigBee通信距離較近，因此，在ZigBee-LoRa 采集器中應(yīng)用GPS 模塊即可滿足采集信息的位置要求，同時大大節(jié)省了成本。

2.3 LoRa-LoRa中繼器

LoRa-LoRa 中繼器的結(jié)構(gòu)如圖 4 所示，包括電源模塊、交互模塊及LoRa 通信模塊。對于距離大面積麥田相對較遠(yuǎn)的孤立麥田，為減少 GPRS 模塊的使用，可以通過LoRa-LoRa 中繼器對信號進(jìn)行復(fù)制、放大，保證 LoRa-GPRS 集中器可以不失真地接收到信號。

2.4 LoRa-GPRS集中器

LoRa-GPRS 集中器的結(jié)構(gòu)如圖 5 所示，包括電源模塊、LoRa 通信模塊、交互模塊及GPRS 通信模塊。LoRa 通信模塊用于接收LoRa-LoRa 中繼器和ZigBee-LoRa 采集器上傳的信息，GPRS 通信模塊將LoRa-GPRS 集中器收到的信息上傳給基站。監(jiān)控中心可以通過Internet 遠(yuǎn)程獲取信息[10]，且用戶可以短信查詢和接收報警信息。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計的基于ZigBee 和 LoRa 的麥田監(jiān)控系統(tǒng)可以為小麥的種植和管理提供數(shù)據(jù)信息，提升對麥田火災(zāi)監(jiān)測和對燃燒秸稈監(jiān)管的管理效率，能夠在第一時間發(fā)出報警信息， 減少因燃燒秸稈造成的空氣污染和降低因麥田火災(zāi)造成的生命財產(chǎn)損失。該監(jiān)控系統(tǒng)的使用將會降低工作人員的勞動強(qiáng)度，大幅提升管控效率。