基于LoRa物联网的智能节水灌溉系统_刘书伦

智慧城市与智慧农业等领域的研究和实施近年来一直在快速增长，基于物联网的绿色环保和节能减排一直是研究的热门领域，在这些领域中， 资源优化占据着中心位置。物联网旨在通过集成的基础设施和服务，提高智慧城市与智慧农业的效率，达到节能减排，节约水资源的目的。

我国大部分城市都在建设园林绿地，不仅是为了休闲娱乐，还因为有助于调节温度与净化环境。但这些绿色空间的维护需要使用大量的水资源，基于手动配置控制器的自动灌溉解决方案，由 定时器和每天在同一时间和持续时间进行灌溉， 是新建园林绿地的基本解决方案。由于价格低廉和操作简单，这种类型的解决方案仍然是８０％ 左右的自动灌溉项目的主要选择，但是这种类型的解决方案在水资源管理效率很低；人们经常看到

第一作者简介：刘书伦（１９７８－），男，硕士，副教授，现主要从事物联网与人工智能应用等研究工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｓｌ１００１

＠１６３．ｃｏｍ．

基金项目：河南省科技攻关计划资助项目（１６２１０２２１０３６６）； ２０１８年度河南省高等学校青年骨干教师培养计划资助项目（２０１８ＧＧＪＳ２６０）。

收稿日期：２０２０－０５－０６

在下雨天、高温天气或者大风天气还在进行着灌溉过程，这种情况会造成大量的水资源浪费。

目前中国水资源短缺正日益加剧。我国农业灌溉用水约 ６０％ 用于与灌溉有关的活动，大约 ３０％的水资源可能由于环境条件或未优化循环而被浪费，这种浪费不仅影响了消费者的成本，而且由于灌溉不足和过度灌溉的现象还影响到农田土壤健康。

ＬｏＲａ通信技术是一种近年来发展起来的远距离无线通信技术，采用直序扩频方式，抗干扰性强，接收灵敏度高；同时满足低功耗需求［１］，它与 ＮＢ－ＩＯＴ 技术已成为远距离、低功耗、低速率、低成本、大规模组网通信的理想技术。ＬｏＲａ 无线传感器网络具有低功耗、远距离、灵敏度高、抗干扰性强的优点，广泛应用于物联网农业、智能无线抄表、机器人控制、安防系统、车辆跟踪、智慧城市等领域［２］。

为实现减少园林绿地与农业灌溉系统中水浪费的目标，该研究介绍了一种新的灌溉系统用水管理方法，该系统利用 ＬｏＲａ无线传感器网络，直接在灌溉环境中采集实时数据，对灌溉环境进行检测，并将这些信息与天气预报、蒸发量等数据进

１６８

北 方 园 艺 ３月（下）

行融合，通过机器学习算法，提出解决方案，预测灌溉环境的实际需水量。且该系统还可以检测到天气状况如何影响灌溉过程，安排最佳的灌溉实施时间。

１ 系统架构设计

为了达到实时采集灌溉环境信息的目的，考虑到无线传感器网络的发展趋势，提出的解决方案由一组硬件节点组成，这些节点负责采集环境传感器数据，使用 ＬｏＲａ技术完成相互通信［３］，并通过移动互联网，通过 ＭＱＴＴ 消息传送协议与云端服务器通信。然后，云端服务器负责存储和分析收集到的数据。

系统架构基于１ 个 ＬｏＲａ 无线传感器网络， 该无线传感器网络由２ 类不同的节点组成，每个节点都有各自的职责和特点。

网关节点：单个网关节点，负责维护连接的网络并与云端服务器通信［４］。它负责接收从无线传感器节点发送的消息并将它们发送到云端服务器。

无线传感器节点：多个节点，负责收集环境传感器信息，然后将其发送给服务器。系统整体架构见图１。

图１ 系统总体架构

Ｆｉｇ．１ Ｏｖｅｒａｌｌａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ

２ ＬｏＲａ无线传感器节点设计

２．１ ＬｏＲａ网关节点

ＬｏＲａ 网 关 节 点 主 控 芯 片 采 用 ＡＲＭ 的Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ４ 嵌入式处理器［５］，Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ４ 是 １ 种面向 数 字 信 号 处 理 （ＤＳＣ）和 高 级 微 控 制 器

（ＭＣＵ）应用的高效方案，具有高效率的信号处理 能力，同时还有低功耗、低成本、简单易用等特点。

ＬｏＲａ网关节点采用 ＬｏＲａ无线通信技术，内置 ＬｏＲａ的 ＳＸ１２７８ 射频芯片和４Ｇ 移动通信模块，能够把分布离散式的多个点的环境传感器数据通过无线ＬｏＲａ传感器节点传输到ＬｏＲａ网关， ＬｏＲａ网关进行数据处理后，通过４Ｇ 移动通信网络传输到云平台服务器，从而实现远程数据采集 与分析监控。

２．２ ＬｏＲａ无线传感器节点

ＬｏＲａ无线传感器节点采用 ＥＭＬ３０４７ 无线模块，ＥＭＬ３０４７ 是１ 款 ＬｏＲａ 模块，内部集成了 ＬｏＲａ的 ＳＸ１２７８ 射频芯片和 Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ０ 微处理器，内 部 包 含 ２０ ＫＢ ＲＡＭ，６ ＫＢ ＥＥＰＲＯＭ， １２８ＫＢＦｌａｓｈ，运行 ＬｏＲａＷＡＮ 协议栈和应用，支持频段为 ４７０～５１０ ＭＨｚ，支 持 ＬｏＲａＷＡＮ ＣｌａｓｓＡ／Ｂ／Ｃ 协议以及私有协议，满足不同应用和低功耗场景需求。ＬｏＲａ无线传感器节点主要负责把环境温湿度、土壤湿度传感器数据、电磁阀

数据与水流量数据通过无线传感网络发送给

ＬｏＲａ网关［６］。

图２ ＬｏＲａ网关节点

Ｆｉｇ．２ ＬｏＲａｇａｔｅｗａｙｎｏｄｅ

３ 实施方案

为了测试该研究所提出的智能节水灌溉系统是否能提高传统灌溉系统的效率，在济源市农业科学研究院选定了 １ 块农业试验田，在 试验田设置环境温湿度、土 壤湿度传感器、电 磁阀与水流量节点，每个传感器节点选择在６—７ 月期间，每２ｈ检索１次环境温湿度和土壤湿度，并通过 ＬｏＲａ网关节点发送到云端服务器。系统实现允许每个 ＬｏＲａ无线传感器节点采集大约４００ 个

第６期 北 方 园 艺

１６９

图３ ＬｏＲａ无线传感器节点硬件架构

Ｆｉｇ．３ ＬｏＲａｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｏｄｅｈａｒｄｗａｒｅａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ

有效样本，其中包含关于农田环境参数的实时当地信息。

选择没有降雨期的时间进行试验，灌溉活动主要是在土壤湿度低于３０％ 的情况下进行的，但有时也注意到土壤湿度较高，这说明土壤湿度降低的比较慢，因此灌溉用水就可以减少。分析得到的实时环境传感器数据，借助算法分析这些数据有助于提高灌溉系统的效率。实际需水量取决于农作物类型、蒸发量、农田面积、阀门管道类型、阀门之间的距离和每天灌溉的次数。考虑到所有这些参数，使用式（１），可以计算出特定农田的实际水量。

Ｔ ＝ ［Ａ × （Ｋｃ ＋ＥＦ）×６０／（Ｆ ×Ｎ）］／Ｐ

（１），

式中：Ｔ 为灌溉时间（ｍｉｎ），Ｋｃ 为农作物系数，Ｆ 为每个阀门的出水口流量，单 位为 ｍ３ · ｈ－１，Ｎ 是阀门的数量，Ｐ 是灌溉周期的数量，Ａ为农田面积，由等式可以得出式（２）：

Ａ ＝ ［（０．５×Ｎ）－１］×Ｄ２ （２），

式中：Ｄ 表示阀门之间的距离，ＥＴ 表示蒸发量，单位为 ｍｍ·ｄ－１，由哈格里夫斯公式简化得出式（３）：

ＥＴ ＝

０．０２３× （Ｔｍｅｄ ＋１７．７８）×Ｒ０ × （Ｔｍａｘ －Ｔｍｉｎ）０．５

（３）。

式中：Ｔｍｅｄ是平均温度，Ｔｍａｘ是最高温度，Ｔｍｉｎ是最低温度，Ｒ０ 是根据农田所在地区纬度的太阳

辐射蒸发量，约为２３．６ ｍｍ·ｄ－１。可以看出发生变化的唯一参数是某一天的温度值，包括最小值和最大值。这是收集当地环境数据的第一个重要证据。

使用尽可能多的收集到的环境数据，并建立一个更有效的分析系统，灌溉时间式（１）适合于考虑最后的环境湿度和土壤湿度值。下面这个新的式（４）允许灌溉时间更精确，因为它包括影响试验农田健康的所有环境数据。

Ｔｏｐｔ ＝ ＴＩｓｏｉｌ ×０．７＋ＴＩｈｕｍ ×０．３＋Ｔ ×０．１

（４），

式中：ＴＩｘ 是达到变量ｘ 指定的传感器数值的１００％所需的时间，在这种情况下，由公式给出土壤湿度（ｓｏｉｌ）和空气湿度（ｈｕｍ）。

ＴＩｘ ＝ ［Ｔ × （１００－Ｉｘ ）］／１００ （５）。

式中：Ｉｘ 是变量ｘ 指定的传感器检索的最后一个值。

优化公式中各变量的权重可随时调整，以达到更精确的方程式。下一步的研究使用机器学习预测算法来完成。

考虑到所获得的公式和输入多少数据以获得更好的结果，进行了３个分析，并与已经在农田中实施的常规灌溉系统进行了比较。

方案１：用公式１ 控制的灌溉系统和预测数据计算灌溉时间。

方案２：用公式１ 控制的灌溉系统和传感器数据进行计算灌溉时间。

方案３：用优化公式４ 控制的灌溉系统和传感器数据计算灌溉时间。

利用这些分析场景，不仅能够检查传感器值的使用是否真的有助于调整灌溉时间，而且还能证明当地检索的数据优于该地区的天气预报。

在第一种情况下，通过国家气象局１ 周天气预报 ＡＰＩ，天气信息被使用，每小时的温度和湿度的最高和最低值。这些值是从１周天气预报 ＡＰＩ每天晚上零点检索的，以便得到接下来的 ２４ｈ的值。

将国家气象局天气预报数据与收集到的传感器数据进行比较，可以理解，尽管它们遵循相同的模式，但也会发生一些变化，这可能会影响最终结果。表１为每个测试场景的灌溉时间。

１７０

北 方 园 艺 ３月（下）

表１ 平均灌溉时间

Ｔａｂｌｅ１ Ａｖｅｒａｇｅｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｔｉｍｅ

最后得出结论，当使用更多的参数时，会得到更好的结果，使用优化公式（４），除空气温度之外，

方案

Ｏｐｔｉｏｎ

常规灌溉系统

Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ

平均灌溉时间

Ａｖｅｒａｇｅｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｔｉｍｅ／ｍｉｎ ４６

还使用土壤湿度和空气温湿度，相对于公式（１），

用水效率与方案２相比有了８％的改进。

４ 结 论

方案１ Ｏｐｔｉｏｎ１ ３４．６

方案２ Ｏｐｔｉｏｎ２ ３３．２

方案３ Ｏｐｔｉｏｎ３ ２５．３

结果表明，采用适当的环境分析方法可以有效地减少水的用量，阀门打开的时间减少了，这意味着使用的水量将减少。公式（６）可用于根据阀门需要打开的时间计算所用水量。

Ｃ ＝ （Ｆ ×Ｎ ×１０００）×Ｔ／６０ （６）。

比较正常灌溉系统的消耗和基于我们提出的灌溉系统的理论消耗与实际消耗。表２显示了上述场景中使用的水量。

表２ 平均灌溉用水量

Ｔａｂｌｅ２ Ａｖｅｒａｇｅｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｗａｔｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ

为了能有效提高城市园林与农业灌溉用水的资源利用率，科学实施园林与农业灌溉，该研究开发的基于 ＬｏＲａ 物联网的智能节水灌溉系统，介绍了系统总体架构，设计了 ＬｏＲａ 无线传感器节点，分析了具体的实施方案，提出了考虑多种传感器数据的方程与优化方程。为智慧园林城市与农业智能节水灌溉提供有效的技术手段，该系统在济源农业科学院进行了原型试验，试验数据表明系统运行效果良好，可以减少多达３３％ 的灌溉用水量，具有一定的推广价值［８］。

参考文献

［１］ 郭恋恋．基于 ＬｏＲａ 技术的农业温室监测系统设计与实现

［Ｄ］．合肥：安徽大学，２０１８．

方案 用水量

节约比例

［２］ 余华，孙艳红，车银超，等．无线传感器网络在现代农业中的

Ｏｐｔｉｏｎ

Ｗａｔｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ／（Ｌ·ｈ－１）

Ｓａｖｉｎｇｒａｔｉｏ

应用［］ 安徽农业科学， ， （ ）：

Ｊ ． ２０１０ ３８ ４ ２１７２－２１７４．

常规灌溉系统Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ

５４６２８ －

［３］ 王珊．最小能量法无线传感器网络空洞修复研究［Ｄ］．太原：太原理工大学，２０１５．

［４］ 綦声波，吴学英．基于６ＬｏＷＰＡＮ 的海洋台站监测系统［Ｊ］．

方案１ Ｏｐｔｉｏｎ１ ４１７３６ ２３．６％

方案２ Ｏｐｔｉｏｎ２ ４０７９３ ２５．３％

方案３ Ｏｐｔｉｏｎ３ ３６３７６ ３３．４％

利用这些结果，可以得出２ 个主要结果。首先，使用数据来设定灌溉时间可以减少多达３３％的灌溉用水量［７］。这表明，适当的环境分析可以帮助创造更高效和可持续的灌溉服务，不仅节约了灌溉用水，而且还降低了灌溉用电成本。

海洋技术学报，２０１７，３６（６）：３８－４２．

［５］ 洪岚，王佳斌．基于 Ｌｉｎｕｘ 的物联网智能网关的软件设计

［Ｊ］．中国新通信，２０１６（５）：８－９．

［６］ 张永棠，周富肯，吴圣才．精确农业无线传感器网络节点部署研究［Ｊ］．江苏农业科学，２０１７，４５（３）：２００－２０５．

［７］ 李玲．基于数据挖掘的盆栽智能浇灌系统研究与实现［Ｄ］．青岛：青岛理工大学，２０１３．

［８］ 刘书伦，冯高峰，贾宝华．基于物联网 Ａｎｄｒｏｉｄ 平台的远程智能节水灌溉系统［Ｊ］．农机化研究，２０１５，３７（６）：２１７－２２０．

ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＷａｔｅｒ－ｓａｖｉｎｇＩｒｒｉｇａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄｏｎ ＬｏＲａＩｎｔｅｒｎｅｔｏｆＴｈｉｎｇｓ

ＬＩＵ Ｓｈｕｌｕｎ１ ，ＰＥＮＧ Ｇａｏｈｕｉ２ ，ＪＩＡ Ｂａｏｈｕａ３

（１．ＪｉｙｕａｎＶｏｃａｔｉｏｎａｌａｎｄＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅ，Ｊｉｙｕａｎ，Ｈｅｎａｎ４５９０００；２．Ｓｃｈｏｏｌｏｆ ＭａｔｈｅｍａｔｉｃｓａｎｄＳｔａｔｉｓｔｉｃｓ，ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ，Ｈｅｎａｎ ４５００４６；３．Ｊｉｙｕａｎ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｊｉｙｕａｎ，Ｈｅｎａｎ４５９０００）

北 方 园 艺

２０２１（０６）：１７１－１７４ Ｎｏｒｔｈｅｒｎ Ｈｏｒｔｉｃｕｌｔｕｒｅ · 实用技术·

ｄｏｉ：１０．１１９３７／ｂｆｙｙ．２０２０２３９０

平菇“新科１０８”配套玉米芯发酵料袋栽高产栽培技术

赵 建 选，李 峰，靳 荣 线

（河南省新乡市农业科学院，河南 新乡 ４５３００２）

摘 要：根据平菇“新科１０８”品种生长特点，从菌种培育、培养料发酵、菌袋制作、菌丝生长管理、出菇管理和病害预防６个方面总结玉米芯发酵料袋栽高产栽培技术，为该品种取得较好的栽培效益和快速推广应用提供技术支持。

关键词：平菇“新科１０８”；玉米芯；发酵料；高产栽培

中图分类号：Ｓ６４６．１４ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１－０００９（２０２１）０６－０１７１－０４

平菇“新科１０８”是河南省新乡市农业科学院食用菌研究所科研人员利用单孢杂交方法选育的一个中低、广温型黑色平菇新菌株，该品种菌丝生长温度５～３２ ℃，适宜温度２２～２６ ℃，适宜出菇温度１５～２２ ℃，河南省可在８ 月中旬后至翌年 ５月安排出菇，具有出菇现蕾多、菇型好、温度适

第一作者简介：赵建选（１９７６－），男，本科，副研究员，现主要从事食用菌新品种选育、栽培技术与病害技术等研究工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｘｎｋｙｓｙｊ＠１２６．ｃｏｍ．

基金项目：河南省食用菌产业技术体系资助项目（Ｚ２０１３－

０９－０１）。

收稿日期：２０２０－０６－０９

应性广、出菇期长、生物学效率高等特点。河南省新乡市农业科学院自２０１７年开始，在玉米芯发酵料栽培平菇技术的基础上，研究玉米芯发酵料袋栽平菇“新科１０８”配套高产栽培技术，确保在取得高产种植的同时，获得优质、高效并加快该品种的推广应用。现将该栽培技术介绍如下。

１ 培育优质菌种

使用优质菌种是“新科１０８”玉米芯发酵料栽 培取得高产的关键措施之一。培育平菇 “新 科１０８”优质菌种应严格按照食用菌三级繁育程序， 严格灭菌、接种操作，做好培养环境条件控制、使

 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｗａｔｅｒｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ｗａｓｔｅｉｎ ｇａｒｄｅｎｓａｎｄ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄａｎｅｗ ｗａｔｅｒｍａｎａｇｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｆｏｒｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ．Ｉｔｃｏｕｌｄｂｅａｐｐｌｉｅｄｔｏｇａｒｄｅｎｏｒ ｆａｒｍｌａｎｄ，ａｎｄＬｏＲａｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ ｗａｓｕｓｅｄｉｎｓｔｅａｄｏｆｈｕｍａｎｉｎｔｅｒｖｅｎｔｉｏｎ．Ｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ ｗａｓｔｅｄ３０％ ｗａｔｅｒｏｎａｖｅｒａｇｅｄｕｅｔｏｉｍｐｒｏｐｅｒｍａｎａｇｅｍｅｎｔａｎｄｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｃｏｕｌｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｒｅｂｙｓａｖｉｎｇｕｓｅｒｓ

ｎｏｔｏｎｌｙ ｍｏｎｅｙ，ｂｕｔａｌｓｏ ｗａｔｅｒａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙｒｅｓｏｕｒｃｅｓ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃｏｕｌｄｒｅｔｒｉｅｖｅｄａｔａｉｎｒｅａｌｔｉｍｅ

ａｎｄｕｓｅｔｈｅｓｅｄａｔａｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｇａｒｄｅｎａｎｄａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｗａｔｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．Ｗｉｔｈｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ，ｕｐｔｏ３３％ ｗａｔｅｒｃｏｕｌｄｂｅｓａｖｅｄｗｈｅｎｕｓｉｎｇｓｅｎｓｏｒｄａｔａｆｒｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｈｕｍｉｄｉｔｙａｎｄｓｏｉｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ，ｏｒｕｐｔｏ２５％ ｗｈｅｎｕｓｉｎｇｏｎｌｙｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｐｕｔｓ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｖｅｒｉｆｉｅｄｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎ，ｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄ ｍｅｅｔｔｈｅｎｅｅｄｓｏｆｗａｔｅｒ－ｓａｖｉｎｇｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｉｎ ｇａｒｄｅｎｓａｎｄａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＬｏＲａ；ｉｎｔｅｒｎｅｔｏｆｔｈｉｎｇｓ；ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ；ｗａｔｅｒ－ｓａｖｉｎｇｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ