基于 LoRa 技術(shù)的葡萄園監(jiān)管模型

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(jìn)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(yuǎn)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(xiàng)核心技術(shù)。由于 LoRa 技術(shù)具有成本低、功耗小、部署簡(jiǎn)單、通信范圍廣的特點(diǎn)，因此將該技術(shù)運(yùn)用于葡萄園監(jiān)管上，以實(shí)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(jì)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(guó)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(kuò)頻的調(diào)制技術(shù) [3]。目前， LoRa 芯片只由美國(guó)提供，該技術(shù)擁有通信距離廣、功耗低的特點(diǎn)，解決了過去人們?cè)趥鬏斁嚯x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(cuò)編碼技術(shù)與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)融合在一起的技術(shù) [4]。擴(kuò)頻調(diào)制示意圖如

圖 1 所示。

LoRa 有兩種不同的協(xié)議棧 ：一種是 LoRaWAN，適用于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，并且目前在歐洲各國(guó)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(biāo)準(zhǔn)。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?fù)渲?LoRaWAN 最常選用的是星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌c傳統(tǒng)星型網(wǎng)絡(luò)不同，每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)不只與一個(gè)網(wǎng)關(guān)通信，可選擇多個(gè)網(wǎng)關(guān)同時(shí)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(gè)通信實(shí)體。LoRaWAN 基本結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

1.2 LoRa 技術(shù)特點(diǎn)

1.2.1 低功耗

低功耗對(duì)于無線傳感網(wǎng)意義重大，尤其是對(duì)于大范圍隨機(jī)布置的傳感器節(jié)點(diǎn)，替換電池不具有實(shí)現(xiàn)可能。LoRa 是LPWAN 的一個(gè)分類。對(duì)于一個(gè) LoRa 網(wǎng)絡(luò)而言，終端的續(xù)航時(shí)間（即壽命）決定了整個(gè)系統(tǒng)的工作周期 [6]。它利用啁啾擴(kuò)頻（CSS）技術(shù)，針對(duì)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(diǎn)在于可充分利用周期性時(shí)隙接收服務(wù)器端的數(shù)據(jù)。B 類終端在功耗上會(huì)略大于 A 類，因?yàn)樗嫒?A 類終端，并且為了保持與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的同步狀態(tài)，B 類終端支持接收下行信標(biāo)信號(hào)，便于在終端接收的時(shí)間上對(duì)信息進(jìn)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(shí)的時(shí)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(yuǎn)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(shì)，一枚紐扣電池便足以支撐一個(gè)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(fèi)用，一個(gè) LoRa模塊的總價(jià)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(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)而產(chǎn)生流量費(fèi)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(gòu)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(kuò)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(jī)的功率大小與LoRa 接收模塊的靈敏度，而擴(kuò)頻因子和接收信號(hào)的帶寬又是影響其靈敏度的兩個(gè)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(yuǎn)傳輸距離能達(dá)到 8 ～ 10 km。LoRa 在擴(kuò)大通信范圍的同時(shí)，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(qiáng)

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(hào)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(kuò)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(hào)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(duì)優(yōu)勢(shì)，并且在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)穿透能力強(qiáng)[9]。

1.2.5 部署簡(jiǎn)單 / 易于維護(hù)

大多數(shù) LoRaWAN 采用星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，工作模式簡(jiǎn)單， 配置靈活。各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息可由中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行維護(hù)，出現(xiàn)故障時(shí)容易檢測(cè)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(duì)射設(shè)備，用于采集葡萄園內(nèi)的環(huán)境信息以及進(jìn)出園區(qū)人員信息 ；

（2）LoRaWAN將終端采集到的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)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(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，并且對(duì)非法人員的闖入能夠自動(dòng)報(bào)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(diǎn)主要有以下幾點(diǎn) ：

（1）科學(xué)性

對(duì) LoRa 技術(shù)與多傳感技術(shù)進(jìn)行深入研究后，將兩者的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來，發(fā)揮 LoRa 網(wǎng)絡(luò)低功耗、范圍廣的優(yōu)勢(shì)，各種傳感器采集到的信息通過 LoRa 節(jié)點(diǎn)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)發(fā)送至云服務(wù)器，實(shí)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(shí)時(shí)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(kù)，可將葡萄園區(qū)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)，利用信息的接收與發(fā)送能夠?qū)崟r(shí)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(yuǎn)距離的監(jiān)控地點(diǎn)可實(shí)時(shí)監(jiān)控園區(qū)內(nèi)狀況。

（3）動(dòng)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(fēng)險(xiǎn)。

（4）長(zhǎng)期性

LoRa 節(jié)點(diǎn)采用無線擴(kuò)頻技術(shù)，能耗低，響應(yīng)時(shí)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(guó)內(nèi)剛剛起步，較傳統(tǒng)通信技術(shù)有其特有的優(yōu)勢(shì)，且在智能決策環(huán)節(jié)中運(yùn)用了 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從而系統(tǒng)能夠自動(dòng)改變葡萄園內(nèi)環(huán)境。

3 相關(guān)功能實(shí)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(jì)采摘時(shí)間、果園進(jìn)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(shí)時(shí)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(duì)射裝置，進(jìn)出園區(qū)的人員都必須佩戴對(duì)應(yīng)其身份的 RFID 標(biāo)簽，在人員跨越邊界時(shí)進(jìn)行信息的采集與預(yù)警。若未佩戴 RFID 標(biāo)簽，并且觸發(fā)了紅外對(duì)射裝置，則自動(dòng)發(fā)出警報(bào) ； 若佩戴了相應(yīng)標(biāo)簽，則記錄人員信息。

（2）數(shù)據(jù)傳輸

整個(gè)過程結(jié)合 LoRa技術(shù)，對(duì)以上信息進(jìn)行采集并遠(yuǎn)距離傳輸?shù)皆品?wù)器，上位機(jī)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(shí)時(shí)反饋的環(huán)境變量的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警，判斷哪些環(huán)境因素會(huì)對(duì)葡萄的生長(zhǎng)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(gè)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(jì)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(zhǎng)，且減少在種植葡萄期間因?yàn)槿藶槭杪┒绊懫渥罱K品質(zhì)的現(xiàn)象發(fā)生，使葡萄園內(nèi)的實(shí)時(shí)環(huán)境信息、人員信息等可以及時(shí)地反饋至管理人員。利用 LoRa 技術(shù)不僅可以使監(jiān)管場(chǎng)所遠(yuǎn)離偏遠(yuǎn)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(jià)值，樹立行業(yè)標(biāo)桿，打造核心競(jìng)爭(zhēng)力。