程艳明，徐嘉欣，牛 晶

（1.北华大学电气与信息工程学院，吉林省吉林市 132021；2.吉林化纤集团有限责任公司规划发展部，吉林省吉林市 132011）

1 概述

基于物联网实现的茶园环境整体监测系统是通过在茶园从空气到土壤的环境里安装各类茶园所需的传感器，实时监控茶园上空的大气压力、风速风向、温度湿度、光照辐射总量以及土壤成份等茶树生长情况。通过运用这些传感器组成的无线传感器网络实时为专业的茶叶种植人员提供详细的监测数据，为专业人员及时调整和控制茶园培育环境提供专业依据，也为质检部门提供可靠的数据。但是由于监测设备安装于山区野外环境，气象条件和地理环境相对比较恶劣，通信网络的覆盖情况也比较不理想，如果在传统的山区茶园监测系统的采集层和数据传输层中引入LoRa技术，可极大提高茶园环境监测的实时性和可靠性，保障全天24h实时监测，及时、准确为茶园耕作管理提供有效依据。

2 LoRa无线技术

LoRa是LPWAN通信技术中的一种，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。目前，LoRa主要在全球免费ISM频段运行，包括433、868、915 MHz等；协议标准采用IEEE 802.15.4g；调制方式采用基于扩频技术的线性调制扩频（CSS），该技术具有前向纠错（FEC）能力；在容量方面，一个LoRa网关可以连接上千上万个LoRa节点；电池寿命可长达10年以上；安全加密技术采用AES128加密；传输速率从几百到几十Kbps；LoRa的名字由来即远距离无线电（Long Range Radio），它最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3-5倍。经测试验证LoRa网关在高山、峡谷地形的衍射、反射能力较强，覆盖效果良好。在多网关部署的情况下，对盲区会有很好补充覆盖效果。即使在山区，LoRa网关的平均覆盖距离也能保证在5千米左右。因此，LoRa技术比较适合应用到山区茶园检测系统中。

3 系统设计

整个茶园LoRa网络监测系统主要由LoRa终端即带有各检测功能的传感器设备、LoRa网关（或称基站）、网络服务器以及应用服务器组成。应用数据可双向传输。具体如下：

（1）系统采用分层分布式结构，第一层为远程数据采集。采集茶园各监测点监测数据。第二层为远程无线传输网络。通过LoRa或卫星（如果需要）通讯方式，平台可向监测站发送上传数据命令，监测站可即时上报实时数据或历史数据。第三层为数据汇聚平台，通过网络连接监测中心站实现数据共享。

（2）系统采用信息无线采集、软件工程设计、网络传输协议、无线通信技术等先进技术。可实现快速采集和存储茶园各个测点的大气压、空气温湿度，光照、雨量、土壤营养成份等实时数据及监测设备工作电压和环境温度数据。

（3）前端采集数据的传感器与数据传输的终端均集成LoRa通讯模块上，适应于高海拔山区复杂地形、高低温环境下工作，具有低功耗、稳定性高、便于安装等特点，完全满足恶劣的野外工作条件。

（4）监测系统可支持GPRS/4G/卫星等通讯方式发送至多个远程监测中心，并满足通过LoRa无线传感网络，传感器节点、终端节点以及中心节点之间可相互通信。网关与网络服务器之间通过TCP/IP协议通信。

4 系统特点

基于LoRa技术实现的山区茶园环境监测系统具有如下优点：

（1）一体化设计理念。数据采集LoRa终端采用模块化思路设计，具有低功耗和低成本的特点。LoRa网关可对传感器节点进行集中管理和控制，并将采集到的传感数据进行处理和存储。

（2）网络具有较强的自愈性。在无需人工干预的情况下，LoRa网络节点能够感知其他节点的存在，并确定链接关系，然后组成结构化的网络；当节点位置发生变化或故障时，网络可自我进行修复，并对网络拓扑结构进行相应的调整，保证系统稳定正常工作。

（3）具有较高兼容性。LoRa网关具备协调器功能，除完成接收终端节点发送过来的请求和数据，终端节点的入网管理，负责网络结构的维护，实现网络自组织功能，如果需要远程数据实时监测，可链接GPRS/4G网络，完成与监控中心之间的数据传输和命令管理，完全满足茶园环境监测系统的数据传输要求。

（4）具有较强的抗干扰性。为保证监测中心可以随时正确获取监测站数据、读取任意时段数据或各监测点工作状态等信息，数据到达监测中心服务器后，首先由通讯程序接收数据，通讯程序负责对数据包进行拆包、解码，对数据进行纠检错处理，这一过程减少了数据的误码率、提高了数据完整率。监测数据合成后被存入数据库中并存入日志文件中。

（5）具有较低的功耗设计。系统采用定时唤醒的模式来管理各级节点，当需要采集数据时，由监控中心下发命令给中心节点，中心节点再来唤醒各个终端节点，开始数据的采集和传输。

（6）具有较低运维成本。相比ZigBee/WiFi数据传输，LoRa数据传输，具有相对较少的监测节点并且功耗很低，这样可大幅降低项目后期的运营维护成本。

5 结论

随着基于物联网的智慧农业进一步发展，本论文通过对现有基于ZigBee/WiFi技术实现的智慧茶园的分析，特别是在高海拔山区复杂地貌的茶园，基于ZigBee/WiFi的无线传感器网络已经不能很好的进行信号无死角的全覆盖，甚至采集数据在传输过程丢失。因此本论文将LoRa无线网络传感技术引入到茶园环境监测系统中，最主要的是提高了信号的完全覆盖，保证了各监测点所采集的数据准确可靠的传输。同时降低了整体系统的功耗，节约了系统成本，提高了茶园监测系统的实时性和可靠性，可在茶园环境监测中加以推广。