基于LoRa技術(shù)的葡萄園監(jiān)管模型

魏柳伊 馮鋒

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。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);LoRa技術(shù);葡萄園;監(jiān)管模型;低功率廣域網(wǎng);RFID;技術(shù)融合

中圖分類號：TP277;G64文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）10-00-03

0 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。

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。

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。

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。

參 考 文 獻

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