當前位置:首頁 > 物聯(lián)網(wǎng) > 《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)》雜志
[導(dǎo)讀]摘 要 :隨著物聯(lián)網(wǎng)被提升至國家戰(zhàn)略高度,而為其快速發(fā)展做支撐的低功率廣域網(wǎng)技術(shù)發(fā)展更為迅速,其中LoRa 技術(shù)近幾年被廣泛使用,正在逐漸滲入各個領(lǐng)域,為低功耗、遠距離的信息傳輸提供了解決方案。針對葡萄酒市場規(guī)模擴大,急需通過保證葡萄質(zhì)量擴展更大更高端市場的現(xiàn)狀,提出基于 LoRa 技術(shù)的葡萄園監(jiān)管模型。該模型以 LoRa 技術(shù)原理為切入點,將其與現(xiàn)有的紅外對射、RFID 等技術(shù)融合,分析葡萄園監(jiān)管的需求,搭建相關(guān)模型并做詳細描述。



引 言


隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展,通信方式發(fā)生了前所未有的巨大轉(zhuǎn)變。近年來,無線通信技術(shù)不斷改進與創(chuàng)新 [1],物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)也正飛速崛起。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中主要的無線通信技術(shù)有多種,按通信距離可分為兩種 :一種是近距離無線局域,包括 ZigBee,Z-wave,BlueTooth,NFC 等 ;另一種是遠距離無線廣域,包括寬帶廣域網(wǎng)(WAN)、窄帶廣域網(wǎng)(LPWAN)等。其中,LPWAN 又稱為低功率廣域網(wǎng),LoRa 技術(shù)正是該技術(shù)領(lǐng)域的一項核心技術(shù)。由于 LoRa 技術(shù)具有成本低、功耗小、部署簡單、通信范圍廣的特點,因此將該技術(shù)運用于葡萄園監(jiān)管上,以實現(xiàn)更高效的信息傳輸效率。


1 模型中的關(guān)鍵技術(shù)


本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),構(gòu)建融合多種傳感器與 LoRa 技術(shù)的葡萄園監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)模型,并設(shè)計基于該模型的葡萄園監(jiān)管系統(tǒng)。

1.1 LoRa 技術(shù)概念

低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)是國際上一種革命性的物聯(lián)網(wǎng)介入技術(shù) [2]。LoRa 是一種基于線性調(diào)頻擴頻的調(diào)制技術(shù) [3]。目前, LoRa 芯片只由美國提供,該技術(shù)擁有通信距離廣、功耗低的特點,解決了過去人們在傳輸距離與電池壽命間的兩難選擇。本質(zhì)上來說,LoRa 技術(shù)是一種將前向糾錯編碼技術(shù)與數(shù)字信號處理技術(shù)融合在一起的技術(shù) [4]。擴頻調(diào)制示意圖如

圖 1 所示。

基于 LoRa 技術(shù)的葡萄園監(jiān)管模型

LoRa 有兩種不同的協(xié)議棧 :一種是 LoRaWAN,適用于移動網(wǎng)絡(luò),并且目前在歐洲各國發(fā)展比較快 ;另一種則是適用于企業(yè)與工業(yè)的 Symphony Link。LoRaWAN 是由 LoRa 聯(lián)盟制定的一系列開放標準。與大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不同,在多種網(wǎng)絡(luò)拓撲中 LoRaWAN 最常選用的是星型網(wǎng)絡(luò)拓撲,但與傳統(tǒng)星型網(wǎng)絡(luò)不同,每個終端節(jié)點不只與一個網(wǎng)關(guān)通信,可選擇多個網(wǎng)關(guān)同時傳輸數(shù)據(jù) [5]。LoRaWAN 的基本架構(gòu)包含 LoRa 服務(wù)器、LoRa 網(wǎng)關(guān)及終端設(shè)備三個通信實體。LoRaWAN 基本結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

基于 LoRa 技術(shù)的葡萄園監(jiān)管模型

1.2 LoRa 技術(shù)特點

1.2.1 低功耗

低功耗對于無線傳感網(wǎng)意義重大,尤其是對于大范圍隨機布置的傳感器節(jié)點,替換電池不具有實現(xiàn)可能。LoRa 是LPWAN 的一個分類。對于一個 LoRa 網(wǎng)絡(luò)而言,終端的續(xù)航時間(即壽命)決定了整個系統(tǒng)的工作周期 [6]。它利用啁啾擴頻(CSS)技術(shù),針對能量限制傳感器的 LoRa 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議做出優(yōu)化,大大降低了傳送數(shù)據(jù)的功耗。另外,LoRa 終端擁有 Class A/B/C 三種工作模式,其中最常用的是 Class B 模式,該模式最大的優(yōu)點在于可充分利用周期性時隙接收服務(wù)器端的數(shù)據(jù)。B 類終端在功耗上會略大于 A 類,因為它兼容 A 類終端,并且為了保持與整個網(wǎng)絡(luò)的同步狀態(tài),B 類終端支持接收下行信標信號,便于在終端接收的時間上對信息進行有效監(jiān)聽。與前兩類工作模式相比,C 類模式在終端與服務(wù)器通信時的時延最小,其接收數(shù)據(jù)窗口始終保持打開狀態(tài),因此其功耗遠大于另外兩種模式。無論采用哪種模式,與 NB-IoT 等現(xiàn)行技術(shù)相比較,LoRa 技術(shù)在功耗方面都具有可觀的優(yōu)勢,一枚紐扣電池便足以支撐一個終端一年的工作。

1.2.2 低成本

由于終端內(nèi)不需要添加 GNSS 模塊,通信模塊成本較低, 加上射頻芯片和加工費用,一個 LoRa模塊的總價格不高于 7美元,且 LoRa使用的頻段是未經(jīng)授權(quán)的,不需要接入運營商網(wǎng)絡(luò)而產(chǎn)生流量費用,因此能大大降低部署 LoRa網(wǎng)絡(luò)的成本,有利于大批量采購與使用。

1.2.3 覆蓋范圍廣

LoRa 是一種工作在低于 1 GHz 網(wǎng)絡(luò)頻段下的通信技術(shù), 傳輸距離與系統(tǒng)的帶寬利用率、信噪比、發(fā)射功率以及環(huán)境條件等因素息息相關(guān) [7]。LoRa 采用的是無線擴頻技術(shù),影響其信息傳輸距離的因素主要是終端發(fā)射機的功率大小與LoRa 接收模塊的靈敏度,而擴頻因子和接收信號的帶寬又是影響其靈敏度的兩個重要因素?,F(xiàn)有研究表明,通過改變 LoRa 模塊內(nèi)接收天線的金屬覆蓋度可提高信息傳送的距離,在無遮擋物的情況下,最遠傳輸距離能達到 8 ~ 10 km。LoRa 在擴大通信范圍的同時,依舊將與 FSK 調(diào)制相同的低功耗特性保持了下來 [8]。

1.2.4 抗干擾能力強

香農(nóng)公式為 :

C=B log2(1+S/N)

式中:C 為信道的極限傳輸速率;B 為信道帶寬(以 Hz 為單位);S 為傳輸信號的平均功率;N 為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率,S/N 為信噪比。由于 LoRa 采用的是無線擴頻技術(shù), 其信道帶寬較寬,即 B 的取值較大,因此,即使 S/N 很低, 終端接收到的信號中存在大量的噪聲,通過該技術(shù)仍然能得到正確的原始信息。LoRa 技術(shù)相較傳統(tǒng)的 FSK 或 OOK 調(diào)制技術(shù)擁有絕對優(yōu)勢,并且在數(shù)據(jù)傳輸時穿透能力強[9]。

1.2.5 部署簡單 / 易于維護

大多數(shù) LoRaWAN 采用星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),工作模式簡單, 配置靈活。各個節(jié)點的信息可由中心節(jié)點進行維護,出現(xiàn)故障時容易檢測與隔離。從目前 LoRa 技術(shù)的應(yīng)用情況來看, 其已在城市管理、智慧社區(qū)等較多領(lǐng)域得到了應(yīng)用 [10]。


2 監(jiān)管模型概述


基于 LoRa 技術(shù)的葡萄園監(jiān)控模型搭建步驟為 :

(1)在葡萄園內(nèi)布置溫濕度等傳感器,在葡萄園區(qū)邊界布置 RFID閱讀器以及紅外對射設(shè)備,用于采集葡萄園內(nèi)的環(huán)境信息以及進出園區(qū)人員信息 ;

(2)LoRaWAN將終端采集到的數(shù)據(jù)遠距離傳輸?shù)皆品?wù)器,管理者從服務(wù)器端獲取數(shù)據(jù) ;

(3)管理者的客戶端還有一套基于 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)警系統(tǒng),結(jié)合 LoRaWAN收集的葡萄園中的一系列數(shù)據(jù),能夠?qū)ζ咸褕@中的溫濕度等環(huán)境因素進行自動調(diào)節(jié),并且對非法人員的闖入能夠自動報警。

基于 LoRa 技術(shù)的葡萄園監(jiān)管模型如圖 3 所示。

圖 3 基于 LoRa 技術(shù)的葡萄園監(jiān)管模型

該模型的創(chuàng)新點主要有以下幾點 :

(1)科學(xué)性

對 LoRa 技術(shù)與多傳感技術(shù)進行深入研究后,將兩者的優(yōu)勢結(jié)合起來,發(fā)揮 LoRa 網(wǎng)絡(luò)低功耗、范圍廣的優(yōu)勢,各種傳感器采集到的信息通過 LoRa 節(jié)點發(fā)送至網(wǎng)關(guān),再由網(wǎng)關(guān)發(fā)送至云服務(wù)器,實現(xiàn)無線低功耗網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)支持的葡萄園監(jiān)管系統(tǒng)。

(2)實時性

各環(huán)節(jié)通過無線網(wǎng)絡(luò)連接到物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫,可將葡萄園區(qū)的數(shù)據(jù)實時上傳至數(shù)據(jù)庫,利用信息的接收與發(fā)送能夠?qū)崟r了解園區(qū)中的環(huán)境信息、人員信息、過程監(jiān)控軟件信息, 在遠距離的監(jiān)控地點可實時監(jiān)控園區(qū)內(nèi)狀況。

(3)動態(tài)性

該監(jiān)管系統(tǒng)可以通過智能決策改變園區(qū)內(nèi)的環(huán)境,大大節(jié)省了人力資源,也避免了人為疏漏帶來的風險。

(4)長期性

LoRa 節(jié)點采用無線擴頻技術(shù),能耗低,響應(yīng)時間快,平均故障發(fā)生率低,一般 5 ~ 8 年更換一次電池,提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

(5)創(chuàng)新性

該模型采用的 LoRa 技術(shù)在國內(nèi)剛剛起步,較傳統(tǒng)通信技術(shù)有其特有的優(yōu)勢,且在智能決策環(huán)節(jié)中運用了 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),從而系統(tǒng)能夠自動改變葡萄園內(nèi)環(huán)境。


3 相關(guān)功能實現(xiàn)


(1)模型數(shù)據(jù)采集端需要獲取的數(shù)據(jù)

模型數(shù)據(jù)采集需獲取種植環(huán)境的監(jiān)管(溫度、濕度、光照、CO2 濃度等)信息、預(yù)計采摘時間、果園進出人員信息。

信息采集的方法如下。

環(huán)境信息的采集 :在園區(qū)內(nèi)布置溫濕度、光照等傳感器, 用來感知葡萄園內(nèi)實時環(huán)境狀況。

人員信息的采集 :在園區(qū)邊界布置 RFID 閱讀器與紅外對射裝置,進出園區(qū)的人員都必須佩戴對應(yīng)其身份的 RFID 標簽,在人員跨越邊界時進行信息的采集與預(yù)警。若未佩戴 RFID 標簽,并且觸發(fā)了紅外對射裝置,則自動發(fā)出警報 ; 若佩戴了相應(yīng)標簽,則記錄人員信息。

(2)數(shù)據(jù)傳輸

整個過程結(jié)合 LoRa技術(shù),對以上信息進行采集并遠距離傳輸?shù)皆品?wù)器,上位機從服務(wù)器端獲取數(shù)據(jù),處理完數(shù)據(jù)后再將指令信息發(fā)送回終端。

(3)信息處理

系統(tǒng)利用 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),并結(jié)合實時反饋的環(huán)境變量的數(shù)據(jù)進行預(yù)警,判斷哪些環(huán)境因素會對葡萄的生長帶來不良影響,從而做出調(diào)整。


4 結(jié) 語


本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建了一個基于多傳感融合的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu),集成 LoRa 技術(shù)的葡萄園監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)模型,并設(shè)計了基于該模型的葡萄園監(jiān)管系統(tǒng),為園區(qū)的管理人員提供更加方便智能的管理手段,并可通過智能決策修改環(huán)境因子,令其更適合葡萄生長,且減少在種植葡萄期間因為人為疏漏而影響其最終品質(zhì)的現(xiàn)象發(fā)生,使葡萄園內(nèi)的實時環(huán)境信息、人員信息等可以及時地反饋至管理人員。利用 LoRa 技術(shù)不僅可以使監(jiān)管場所遠離偏遠的種植地區(qū),還能大大降低通信成本。通過現(xiàn)代化技術(shù)種植出高品質(zhì)葡萄和其他相關(guān)產(chǎn)品,可提升企業(yè)的品牌形象和價值,樹立行業(yè)標桿,打造核心競爭力。

本站聲明: 本文章由作者或相關(guān)機構(gòu)授權(quán)發(fā)布,目的在于傳遞更多信息,并不代表本站贊同其觀點,本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實性等。需要轉(zhuǎn)載請聯(lián)系該專欄作者,如若文章內(nèi)容侵犯您的權(quán)益,請及時聯(lián)系本站刪除。
換一批
延伸閱讀

9月2日消息,不造車的華為或?qū)⒋呱龈蟮莫毥谦F公司,隨著阿維塔和賽力斯的入局,華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。

關(guān)鍵字: 阿維塔 塞力斯 華為

加利福尼亞州圣克拉拉縣2024年8月30日 /美通社/ -- 數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)解決方案公司Trianz今天宣布,該公司與Amazon Web Services (AWS)簽訂了...

關(guān)鍵字: AWS AN BSP 數(shù)字化

倫敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英國汽車技術(shù)公司SODA.Auto推出其旗艦產(chǎn)品SODA V,這是全球首款涵蓋汽車工程師從創(chuàng)意到認證的所有需求的工具,可用于創(chuàng)建軟件定義汽車。 SODA V工具的開發(fā)耗時1.5...

關(guān)鍵字: 汽車 人工智能 智能驅(qū)動 BSP

北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越來越多用戶希望企業(yè)業(yè)務(wù)能7×24不間斷運行,同時企業(yè)卻面臨越來越多業(yè)務(wù)中斷的風險,如企業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜性的增加,頻繁的功能更新和發(fā)布等。如何確保業(yè)務(wù)連續(xù)性,提升韌性,成...

關(guān)鍵字: 亞馬遜 解密 控制平面 BSP

8月30日消息,據(jù)媒體報道,騰訊和網(wǎng)易近期正在縮減他們對日本游戲市場的投資。

關(guān)鍵字: 騰訊 編碼器 CPU

8月28日消息,今天上午,2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會開幕式在貴陽舉行,華為董事、質(zhì)量流程IT總裁陶景文發(fā)表了演講。

關(guān)鍵字: 華為 12nm EDA 半導(dǎo)體

8月28日消息,在2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會上,華為常務(wù)董事、華為云CEO張平安發(fā)表演講稱,數(shù)字世界的話語權(quán)最終是由生態(tài)的繁榮決定的。

關(guān)鍵字: 華為 12nm 手機 衛(wèi)星通信

要點: 有效應(yīng)對環(huán)境變化,經(jīng)營業(yè)績穩(wěn)中有升 落實提質(zhì)增效舉措,毛利潤率延續(xù)升勢 戰(zhàn)略布局成效顯著,戰(zhàn)新業(yè)務(wù)引領(lǐng)增長 以科技創(chuàng)新為引領(lǐng),提升企業(yè)核心競爭力 堅持高質(zhì)量發(fā)展策略,塑強核心競爭優(yōu)勢...

關(guān)鍵字: 通信 BSP 電信運營商 數(shù)字經(jīng)濟

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央廣播電視總臺與中國電影電視技術(shù)學(xué)會聯(lián)合牽頭組建的NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會上宣布正式成立。 活動現(xiàn)場 NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)...

關(guān)鍵字: VI 傳輸協(xié)議 音頻 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會上,軟通動力信息技術(shù)(集團)股份有限公司(以下簡稱"軟通動力")與長三角投資(上海)有限...

關(guān)鍵字: BSP 信息技術(shù)
關(guān)閉
關(guān)閉