周一振

摘 要：為提高小麥產(chǎn)量和對燃燒秸稈的管控效率，避免麥田火災(zāi)及不科學(xué)使用化肥引起的環(huán)境污染，文中設(shè)計了一款基于ZigBee和LoRa的麥田監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)將ZigBee、LoRa和GPRS技術(shù)應(yīng)用到麥田監(jiān)控中，通過終端對麥田土壤必要微量元素、麥田火災(zāi)及燃燒秸稈進(jìn)行監(jiān)控，將監(jiān)測數(shù)據(jù)和超限報警信息上傳給監(jiān)控中心和麥田負(fù)責(zé)人。該系統(tǒng)為麥田科學(xué)管理提供了數(shù)據(jù)依據(jù)，提高了管理效率。

關(guān)鍵詞：ZigBee；LoRa；GPRS；麥田監(jiān)控

中圖分類號：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）12-00-02

0 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。

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