基于ZigBee和LoRa的麦田监控系统

引 言

我国是小麦种植大国，在麦田管理过程中，存在麦田火灾、 燃烧秸秆及过量使用化肥引起土壤环境问题等现象。近年来， 物联网技术的快速发展和应用 [1,2]，为解决上述问题提供了有 效方法。

ZigBee 技术的通信距离较短，且组网复杂 [3]。LoRa 技 术通信距离较远，主要采用星型轮询组网结构 [4]，组网简单。 通用分组无线业务（General Packet Radio Service，GPRS）是 基于 GSM 的一种新型数据处理业务，也被描述为 2.5G，具 有传输速率高、接入时间短等特点 [5]。由于麦田面积比较大、 监测点多，若只使用 ZigBee 和 GPRS 技术，组网较为复杂 [6]； 若只使用 LoRa 和 GPRS 技术，将会因通信范围内部署节点较 多而导致轮询获取信息的速度较慢。因此，将上述三种无线 通信技术相结合，形成分层系统结构。麦田监控系统可在麦田 科学管理、麦田火灾报警及燃烧秸秆管控方面发挥积极作用。

1 系统总体架构

该 系 统 主 要 由 ZigBee 终 端、ZigBee-LoRa 采 集 器、LoRa-LoRa 中继器、LoRa-GPRS 集中器组成。

由ZigBee 终端采集麦田信息，并将采集到的麦田信息传送到ZigBee-LoRa 采集器，ZigBee-LoRa 采集器将接收到的信息传送到LoRa-GPRS 集中器。若距离较远，则可以使用LoRa-LoRa 中继器，实现远距离传输。集中器将报警信息通过基站传送至麦田负责人，并可将麦田信息通过Internet上传给监控中心。麦田监控系统如图 1 所示。

2 系统硬件结构图

2.1 ZigBee终端

ZigBee 终端主要用于采集多麦田信息， 其结构如图 2所示，包括电源模块、交互模块、主控芯片 MSP430F169、 ZigBee 通信模块及烟雾传感器等。

微量元素和水分对小麦产量有着重要的影响[7]，而滥用肥料将会造成土壤污染[8]。麦田火灾不仅会造成生命财产损失， 且燃烧秸秆对空气亦会造成污染。因此，本文设计的系统主要对微量元素、水分、烟雾进行监测。为防止烟雾传感器被误认为遭到遮挡，特增加了对烟雾传感器遮挡的监测。

2.2 ZigBee-LoRa采集器

ZigBee-LoRa 采集器的结构如图 3 所示，包括电源模块、主控芯片MSP430F169、交互模块、ZigBee 通信模块、LoRa 通信模块及GPS 模块。

当ZigBee 通信模块完成对 ZigBee 终端信息的采集后， 由LoRa 通信模块将采集到的信息上传到LoRa-GPRS 集中器或 LoRa-LoRa 中继器， 全球定位系统（Global Positioning System，GPS）[9]为麦田监控系统提供位置信息。由于ZigBee通信距离较近，因此，在ZigBee-LoRa 采集器中应用GPS 模块即可满足采集信息的位置要求，同时大大节省了成本。

2.3 LoRa-LoRa中继器

LoRa-LoRa 中继器的结构如图 4 所示，包括电源模块、交互模块及LoRa 通信模块。对于距离大面积麦田相对较远的孤立麦田，为减少 GPRS 模块的使用，可以通过LoRa-LoRa 中继器对信号进行复制、放大，保证 LoRa-GPRS 集中器可以不失真地接收到信号。

2.4 LoRa-GPRS集中器

LoRa-GPRS 集中器的结构如图 5 所示，包括电源模块、LoRa 通信模块、交互模块及GPRS 通信模块。LoRa 通信模块用于接收LoRa-LoRa 中继器和ZigBee-LoRa 采集器上传的信息，GPRS 通信模块将LoRa-GPRS 集中器收到的信息上传给基站。监控中心可以通过Internet 远程获取信息[10]，且用户可以短信查询和接收报警信息。

3 结 语

本文设计的基于ZigBee 和 LoRa 的麦田监控系统可以为小麦的种植和管理提供数据信息，提升对麦田火灾监测和对燃烧秸秆监管的管理效率，能够在第一时间发出报警信息， 减少因燃烧秸秆造成的空气污染和降低因麦田火灾造成的生命财产损失。该监控系统的使用将会降低工作人员的劳动强度，大幅提升管控效率。