農業物聯網系統中基于LoRa的數據傳輸技術分析

楚琳琳 徐江濤

摘 要：農業物聯網主要有3個層次，分別是感知層、傳輸層以及應用層。感知層通常由溫濕度、光照傳感器等多種傳感器構成，對環境實行監測;傳輸層位于感知層和應用層中間，能夠借助網絡將收集到的數據上傳到應用層;應用層具有決策性的地位，實現對傳輸數據的處理，并將處理后的結果反饋到客戶端，再由用戶進行最終決策。文章首先概述了農業物聯網體系架構以及物聯網云平臺，其次對LoRa技術及其特征進行了分析，最后對LoRa通信測試進行了探究。通過測試結果可以得知，在數據傳輸方面，該系統有較好的可行性，值得推廣。

關鍵詞：農業物聯網系統;LoRa技術;數據傳輸;物聯網云平臺

0 引言

伴隨農業的快速發展，物聯網技術在農業系統方面得到了大力推廣，以農業物聯網系統為例，其中運用了一系列的無線網絡技術，比如較為常見的WiFi。實際上，面對一些并不簡單的農業環境，這些技術有著一定的不足，而對于LoRa技術而言，其有著更為突出的優勢，應在該系統中進行推廣^[1]。

1 物聯網云平臺

物聯網云平臺能夠實現物聯網以及云計算技術的有機融合，促使消費者與商家之間的活動變得更為便捷^[2]。當前云服務已經逐漸發展成主流趨勢，利用云平臺，促使物聯網技術得到了更加廣泛的運用，極大地解決了建立物聯網架構花銷的問題，而且還為數據的傳輸奠定了基礎，有利于降低成本，具備一定的經濟性。Tlink平臺具備一系列的特點，尤其是存在足夠的網絡連接，比如較為常見的MQTT連接^[3]。通常情況下，物聯網設備存在兩個發展方向，通過制造商研發設備，這樣能夠降低費用，但是耗時相對較長，而且還是通過已經構建的物聯網模塊，比如傳感器模塊等，利用總線以及通信協議達到通信的目的。該方式具備較短的開發期，而且比較容易部署，但是需要投入較高的成本，不利于農業領域進行大范圍的部署。因此利用UDP連接的方式，不但可以提高速度，使其變得更為便捷，還能夠有效減少成本投入。

2 LoRa技術及其特征

在以前大部分傳感器中，網絡以及智能終端不能進行連接，以過去的2G和3G進行分析，僅是處理一些有關的運用，比如較為常見的短信，當然也包含無線通信，由于受到距離的限制，對于藍牙以及WiFi等而言，僅應用于智能家居，并不能滿足大規模的運用。除此之外，這些運用所需成本較大，而且有很大的功耗。將來的連接設備，大部分都需要利用電池進行供電，這也意味著電池供電的方式將被廣泛使用，而且還要具備長時間的待機裝置，對于無線技術而言，其實現還具有較大的挑戰性。為了實現物聯網的廣泛運用，由此產生了LPWAN，利用它可以有效解決4個問題：第一，可以解決低速率以及低寬帶的運用;第二，可以解決低功耗以及電池供電的問題;第三，可以解決遠距離超強覆蓋的問題;第四，可以實現全方位的連接。

LPWAN含有多項技術，其中被廣泛運用的有3種。第一種是LoRa，它是美國公司開發的，現階段已被用于商業。第二種是NB-LoT，它是我國華為公司開發的。第三種是Sigfox。LoRa可以實現1 GHz以下的工作，能夠進行超長距離傳輸工作，而且還有著較低的功耗，同目前使用廣泛的Sub-Ghz芯片的靈敏性進行對比，LoRa可以達到-148 dBm，而且它接受的靈敏性已經增強了20 dB，還可以不通過TCXO來實現，不但具備集中器以及網關，還具備對多個節點數據進行接收以及發送，提高了系統的容量。LoRa借助的是異型網絡架構，相比之下，這一結構的延遲并不高，而且較為簡單。通過LoRa芯片，可以及時建立網絡，除了能夠構建不復雜的區域網，也能夠構建廣域網，由此可以得知，這一芯片有著更為簡便的優勢。LoRa屬于線性擴頻調制，可以達到 157 dB，通信距離能夠超過15 km。省電節能方面，它同WiFi以及Bluetooth技術進行對比，有著顯著的效果。LoRa運用的是自適應的數據策略，可以對多個終端的通信數據進行完善，比如數據的速度以及輸出功率等，讓它接收到的電流可以實現最低10 mA，同時讓其休眠電流低于200 nA，這樣將有助于更好地增加電池的使用壽命。具體運用中，通過運用LoRa物聯網，電池的利用時間能夠超過10年，相比之下，有著更為突出的優勢。

3 LoRa通信測試

將LoRa網關安裝于測試系統，圖1所示為LoRa網關實測，圖2所示為實地檢測環境。對于LoRa通信測試，文章主要從通信距離測試、通信丟包率測試等方面進行探究，以供參考。

（1）通信距離測試。為更好地測試通信距離，共選擇兩個指標，一個是RSSI指標，另一個是丟包率。RSSI指標可以充分判斷無線通信接收信號的強弱，利用對該數值的測量，能夠全面掌握通信的網絡狀況，而丟包率則能夠對通信質量進行有效判斷。一共選擇了兩個實驗地點，一個是空曠的環境，另一個是大棚環境，針對兩個地點，每隔5 s進行1次數據包的發送。基于兩個不同的條件，向指標開展一對一的測試，測試結果如表1所示。由表中所含信息可知，在這兩種環境下，伴隨距離的變長，丟包率隨之增加，而RSSI慢慢減小，由此可知，在數據傳輸方面，與大棚環境進行比較，空曠環境的傳輸效果較為理想，當距離不超過2 km時，能夠達到預期的目標。從理論的角度上來看，通過對這一芯片的使用，傳輸距離能夠超過5 km，不過因為會被一些因素影響（比如環境），從而不能達到最佳的距離。

（2）通信丟包率測試。丟包率是基于數據的傳輸以及接收，針對丟失以及傳輸的數據，將這兩種數據相除，從而獲得的比率。對于傳輸數據的測試，丟包率是非常關鍵的指標，當對信息進行傳輸時，往往會發生碰撞的問題，為降低出現該問題的概率，文章采取TDMA的方式，和CMSA方式進行對比，實際的測試結果如表2所示。

從表2中所含信息可以得知，相比之下，通信距離對該指標有著更大的影響，在丟包率方面，與TDMA方式進行比較，CMSA的丟包率較高。由此可以得知，TDMA有著較為理想的傳輸性能。

4 結語

文章通過對一系列指標的測試比較，比如丟包率指標，同時獲得了相應的結果。測試結果能夠表明，農業物聯網系統有著較好的可行性，以農業大棚來分析，能夠很好地符合數據傳輸的要求。

[參考文獻]

[1]李鑫，賈小林.基于物聯網的農作物管理系統的研究與設計[J].物聯網技術，2020（10）：72-75.

[2]吳江雪.農業物聯網系統中基于LoRa的數據傳輸技術研究[D].太原：中北大學，2020.

[3]時生樂，魏素盼.基于LoRa技術的智慧農業監控系統研究[J].時代農機，2020（2）：105-106.

Analysis of LoRa-based data transmission technology in

agricultural Internet of Things system

Chu Linlin， Xu Jiangtao

（Henan Institute of Traffic Technicians， Zhumadian 463000， China）

Abstract：There are three main levels of agricultural Internet of Things， namely， perception， transmission and application layer. The sensing layer is usually composed of temperature and humidity， illumination sensor and other sensors which is used to monitor the environment; the transport layer is located between the sensing layer and the application layer which can upload the collected data to the application layer with the help of the network; the application layer has a decision-making position which realizes data transmission processing. This paper first summarizes the agricultural Internet of Things architecture and the Internet of Things cloud platform， then analyzes the LoRa technology and its characteristics， and finally probes into the LoRa communication test. The test results show that the system is feasible and worth popularizing in data transmission.

Key words：agricultural Internet of Things system; LoRa technology; data transmission; Internet of Things cloud platform

作者簡介：楚琳琳（1985— ），女，河南漯河人，講師，本科;研究方向：計算機應用。