1、FUJIANNONGJI福建农机FUJIANNONGJI第4期2022研究与探索浅析LoRaWAN在智能农业中的应用前景刘方明王望来（福建省机械科学研究院，福建 福州 350005）摘要：阐述在智能农业中应用基于开放的 LoRaWAN 标准协议的 LoRa物联网技术的优点，浅析应用LoRaWAN技术实现农业智能化的应用前景。关键词：智能农业；物联网；LoRa；LoRaWAN；网络系统中图分类号：S274.2文献标识码：A文章编号：1004-3969（2022）04-023-03Analysis on the application prospects of LoRaWAN in intelli
2、gent agricultureLIU Fangming，WANG Wanglai（Fujian Academy of Mechanical Sciences，Fuzhou，Fujian 350005，China）Abstract：It expounds the advantages of applying LoRa Internet of things technology based on open LoRaWAN standardprotocol in intelligent agriculture，and analyzes the application prospect of app
3、lying LoRaWAN technology to realize agriculturalintelligence.Key words：Smart Agriculture；Environment Monitor；LoRa；LoRaWAN；Network System作者简介：刘方明（1969），男，高级工程师，研究方向：智能机械设计及制造。王望来（1968），男，工程师，研究方向：物联网和大数据相关技术和架构研究。在农业生产管理中，如何有效地采集与处理环境数据，及时根据环境数据的变化作出对作物生长最有利的决策，是农业智能化生产中的难点。本文通过阐述LoRa技术要点和规模化农业的特点，浅析
4、应用LoRa技术实现农业智能化及应用前景。规模化农业的特点是地域广阔、通讯距离远、有线供电覆盖面积少。要实现农业智能化，数据采集和网络通讯不可或缺，如果通讯和供电采用布线方式势必增加投入，而且后续运维成本较高。而集成LoRaWAN协议的LoRa物联网是低功耗无线广域网，具有广覆盖、多连接、低功耗、低成本及安全的数据传输等特点，非常适合各种低功耗、远距离传输的应用场景，有利于规模化农业生产管理。它的应用能较好应对农业规模化、智能化过程中遇到的挑战。带有LoRa通信芯片的传感器传输距离在郊区可达15 km，电池寿命长达10年以上，可以大大降低维护和运营成本。传感器能够将采集的数据从农场发送到云端，
5、农业生产者通过私有或公共网络可以跟踪、访问农作物生长环境的实时数据，及时做出决策，提升他们的管理水平，降低劳动强度，提高生产效率。1LoRaWAN技术要点和应用优势1.1LoRaWAN简介LoRaWAN是在LoRa物理层传输技术基础之上的、以MAC层为主的一套协议标准，是LoRa技术的协议之一，它消除了硬件的不兼容性，同时还实现了多信道接入，频率切换，自适应速率，信道管理，定时收发，节点接入认证与数据加密、漫游等特性。LoRa是 Long Range的缩写，属于无线通信技术中的一种，是美国Semtech公司2013年发布和推广的一种基于扩频技术的超远距离、低功耗无线传输方案，实现了低功耗和远距
6、离的统一。该方案改变了以往关于传输距离与功耗相矛盾的问题，为用户提供一 23FUJIANNONGJI福建农机FUJIANNONGJI第4期2022研究与探索种简单的能实现超远距离、长电池寿命的无线技术。由于LoRa独特的调制技术，接收灵敏度可达-148 dBm，有168 dB的链路预算，因此传输距离很远，在城镇可达35 km，郊区可达15 km以上。而其最大发射电流只有150 mA左右，连接接收电流12 mA左右，非常适合各种低功耗、远距离传输的应用场景。1.2LoRaWAN网络架构LoRaWAN的架构图如图所示。由带LoRa芯片的节点设备、LoRaWAN网关、网络服务器，以及应用服务器和终端
7、应用系统构成。LoRaWAN网络架构常采用典型的星形拓扑结构，LoRaWAN网关与网络服务器通过标准IP连接；每个LoRaWAN网关可以连接数千个节点，每天处理多达1，000，000条消息；终端节点设备并不绑定唯一网关，而是采用单跳与一个或多个网关通信，因而终端节点的上行数据可发送给多个网关，所有的节点均是双向通信；另外，与典型网状网络中网关只是作为连接到公用网的标准传感器无线信号不同，LoRaWAN网关是有针对性构建的多信道接收器，充当一个透明传输中继的角色，可以同时并行处理多路信号，提供高达512倍于单个传感器无线信号的容量，大大增加了网络容量；能够同时支持比其他技术更多的接入设备和资源，
8、包括支持Wi-Fi或蓝牙等高数据传输速率的网络。通过LoRaWAN网关可实现传感器终端与云端网络服务器的数据处理和衔接，网络服务器分发处理数据到应用服务器，供终端应用系统调用，终端应用系统对获取的数据进行分析、处理并展示给用户，同时管理网路数据的安全性。图图LoRaWANLoRaWAN网络架构图网络架构图Fig.1 LoRaWAN network architecture diagram1.3LoRaWAN在智能农业中的应用优势1.3.1低成本农业物联网系统采用的物联网设备和传感器数量庞大，成本投入是一个重要的考虑因素。而采用LoRa芯片的传感器及模块，只是完成简单的物理层无线调制工作，自身没
9、有携带任何协议，仅需电池供电，无需布电源线，功耗低，电池使用寿命可超过10年，与 NB-IoT 等其他物联网架构比较，成本优势明显。LoRa远距离无线通讯技术的应用，可以大大降低网络通讯布线等设施成本、部署成本及运维成本。同时，LoRa的频率范围为1371020 MHz，主要在全球免费频段运行，因此允许任何服务提供商或企业在没有频率许可证的情况下部署相关应用，可以节省不小的网络费用，使农业应用智能化技术的成本控制在可接受的范围。1.3.2部署简单灵活，易于扩容可以根据应用需要规划和部署网络。如果要增加容量，只需增加网关即可，使网络带宽得到显著提升。不用依赖于网络运营商提供的网络基础设施，就可以
10、组成独立的智能农业物联网，非常适用于大中小规模的农业智能化布署。1.3.3生态系统完整，可提供大量可互操作的产品由于拥有开放的 LoRaWAN 标准和免费的频率许可证，越来越多的厂商和市场参与到LoRaWAN联盟中来，提供大量可互操作的产品，大大降低了产品之间无缝连接的复杂性，促进相关系统之间数据的流通和共享，形成一个完整的LoRaWAN生态架构。目前，LoRaWAN网络已在全球具有非常大的覆盖范围，能够提供完整的无线传输方案，为农业智能化起到很大的助力作用。1.3.4安全可靠，保障数据传输安全农业物联网化和智能化，将会涉及到很多敏感数据，数据的安全至关重要。LoRaWAN是第一个提出双重加密
11、的物联网，分2个层级加密，一是在网关上，二是在传输数据上，需要具备2个key，方可通过网关将数据传输出去；在接收端还布置有1个解码的Key。数据安全等级高，能够保障数据信息传输的安全性。24FUJIANNONGJI福建农机FUJIANNONGJI第4期2022研究与探索2LoRaWAN在智能农业中的应用2.1在环境监测中的应用温度、水、肥料、光照是促进农作物生长的关键因素，不同的农作物对土壤环境及气候的要求不同，因此，环境实时监测是实现智能农业生产的重要环节之一。农作物环境监测需要采集土壤的温度、湿度、酸碱度和电导率等，以及气压、CO2浓度、光照等参数，再将收集到的信息传送到外部存储和处理平台
12、，对数据进行科学分析，为水肥灌溉系统、光照系统、温控系统提供可靠的数据，以便作出决策，并根据需要调动执行设备，进行调温、调光、换气以及施肥、灌溉等动作，实现对农业生长环境的智能化控制，以确保植物正常生长。如 LoRaWAN 实时田间气象站和多参数的土壤传感器的应用。2.2在农业灌溉中的应用根据季节性或作物的生长周期进行灌溉和施肥的传统方法通常无法判断农作物水分或养分是否充足。而一个基于LoRaWAN开放协议的公用网络，不用有线电源连接，仅通过电池供电就可以实现信号传输，不用借助任何WiFi和蜂窝网络信号就能够提供更智能的灌溉解决方案。如将集成LoRa模块的电磁阀控制器安装在水阀上，当智能灌溉系
13、统接收到环境监测系统的土壤水分不足预警信号时，可以通过预先配置和智能分析及时报警，或在无人值守时联动触发打开水阀及泵等执行设备，实施智能灌溉和施肥；当作物水分灌溉充足时，触发关闭水阀及泵等执行设备，停止灌溉。优化了灌溉效率，达到节水节肥的效果，降低劳动强度，有效提高了农作物产量和质量。2.3在农业智能装备管理中的应用农业装备分布在农场的各个区域，要实时了解设备情况，传统依靠人工方式比较难实现。而 LoRaWAN网络的定位功能可以提供端到端跟踪解决方案，实时了解装备的使用状况。与AGPS/GSM定位终端相比，使用LoRaWAN定位技术，经测试，每个终端可以大致节约50%以上的电能。并且由于采用电
14、池供电，无需其他电源，终端的安装十分简便。可显著提高整体设备的生命周期，极大降低设备管理成本。3问题与挑战LoRa技术在我国有很大的应用市场，但在农业上的应用还远远落后于国外。主要存在以下几方面问题和挑战。1）目前我国农业物联网技术还不成熟稳定，传感器的可靠性、稳定性、精准度等性能指标尚不能完全满足应用需求，农户对物联网和智能化等技术的稳定性和可靠性持观望态度。2）农业智能化的运维需要专业人才，而目前国内很多农场都缺乏该方面专业技术人才。因此，物联网和智能化技术在农业中的应用需要各层面的引导、人才培养、提升研发产品质量、降低产品成本和国家政策支持。4结语通过分析 LoRaWAN 的技术要点和规
15、模化农业的特点，可以看出其非常适用于农业智能化的实施。1）可极大降低实施智能农业的成本，减少用于农业生产的时间与人力成本支出。2）可以较大程度提高生产效率，创造效益。3）组网灵活，安全可控，可提高农业生产的抗风险能力和精准控制能力。参考文献：1 张玉杰，黄娜.基于LoRaWAN协议的广域物联网云平台的设计与实现J.物联网技术，2019（10）：41-44.2 曹中强，胡静，宋铁成.基于LoRaWAN的广域物联网应用解决方案J.无线互联科技，2019（17）：103-106，116.3 万芬.浅谈LoRa物联网技术及应用J.通讯世界，2017（2）：91-92.4 吴毅，夏婷婷，李润青.基于NB-IoT及LORA的技术分析和应用展望J.中国管理信息化，2018，21（3）：162-164.5 杨建国，杨明，张丹.物联网技术在智慧农业中的应用探究J.南方农业，2020（29）：205-206.25
