基于低功耗广域网（LPWAN）的农田小型气象站系统研究

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基于低功耗广域网（LPWAN）的农田小型气象站系统研究吕曦彤东北农业大学
摘要：中国是农业大国,农业是我国的立国之本、强国之基,粮食是人民生存的根本要素,发展农业也是一个国家发展的基础,它间接决定其它行业的发展。农业种植过程中,作物的产量是农户最关心的问题,然而,环境的不确定性、气象的多变性极大程度地影响了农作物的种植和产量,因此,本文设计了一套由一个主气象站和两个子气象站组成的小型农田气象站系统,通过实时获取气象数据等科学手段,不间断地监测田间气候,提高农作物产量。农田气候具有不稳定性和多变性,靠以前的人工监测和单一的气象数据监测已经不能满足现代农业的需求。针对目前农业气象数据采集成本高、功耗高、管理难等问题,本文设计了基于低功耗广域网(Low-Power Wide-Area Network,LPWAN)技术的农田小型气象站系统。该系统由设计一个主气象站和两个子气象站组成,包括STM32单片机、对环境温湿度、光照强度、风速、土壤温度等五种农田基本要素进行监测的传感器、LoRa模块、NB-IoT模块、太阳能供电模块以及云平台模块;子气象站的气象数据通过LoRa组网传输至主气象站,主气象站将系统数据汇总,通过NB-IoT模块上传至云平台,实现远程监测。实验结果表明,本方案可以准确地将农田气象数据上传至云平台,且系统采用太阳能与锂电池的供电方式,可以在户外持续工作。本文设计实现的主要工作如下1)广阔的监测范围。本系统的主气象站和子气象站采用LoRa技术实现了气象站间远距离传输,主气象站通过NB-IoT模块可在偏远地区连接到云平台,因此系统可在偏远地区实现大范围农田气象监测;(2)稳定不间断的供电方案。本系统采用太阳能和锂电池相结合的供电系统,这种不间断的智能化电源包括太阳能电池板、锂电池以及太阳能锂电池控制器,不仅能持续稳定地为系统供电,还具有抵抗自然灾害的能力,保障系统在室外农田中独立运行;(3)云平台远程监测。通过注册云平台账号设置相关协议,使其能够完成与系统进行数据交互,从而实现气象监控。云平台具备收集数据、数据分析和云端存储等功能。(4)低功耗功能。在设计中使用了LoRa和NB-IoT技术,并通过硬件、软件的设计,使系统在工作和休眠状态之间交替运行,达到了远距离监测与低功耗运行兼得的效果。