農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中基于LoRa的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)分析

楚琳琳 徐江濤

摘 要：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)主要有3個(gè)層次，分別是感知層、傳輸層以及應(yīng)用層。感知層通常由溫濕度、光照傳感器等多種傳感器構(gòu)成，對(duì)環(huán)境實(shí)行監(jiān)測(cè);傳輸層位于感知層和應(yīng)用層中間，能夠借助網(wǎng)絡(luò)將收集到的數(shù)據(jù)上傳到應(yīng)用層;應(yīng)用層具有決策性的地位，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的處理，并將處理后的結(jié)果反饋到客戶端，再由用戶進(jìn)行最終決策。文章首先概述了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)以及物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，其次對(duì)LoRa技術(shù)及其特征進(jìn)行了分析，最后對(duì)LoRa通信測(cè)試進(jìn)行了探究。通過測(cè)試結(jié)果可以得知，在數(shù)據(jù)傳輸方面，該系統(tǒng)有較好的可行性，值得推廣。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng);LoRa技術(shù);數(shù)據(jù)傳輸;物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)

0 引言

伴隨農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)方面得到了大力推廣，以農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)為例，其中運(yùn)用了一系列的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，比如較為常見的WiFi。實(shí)際上，面對(duì)一些并不簡(jiǎn)單的農(nóng)業(yè)環(huán)境，這些技術(shù)有著一定的不足，而對(duì)于LoRa技術(shù)而言，其有著更為突出的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)在該系統(tǒng)中進(jìn)行推廣^[1]。

1 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)

物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)以及云計(jì)算技術(shù)的有機(jī)融合，促使消費(fèi)者與商家之間的活動(dòng)變得更為便捷^[2]。當(dāng)前云服務(wù)已經(jīng)逐漸發(fā)展成主流趨勢(shì)，利用云平臺(tái)，促使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了更加廣泛的運(yùn)用，極大地解決了建立物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)花銷的問題，而且還為數(shù)據(jù)的傳輸?shù)於嘶A(chǔ)，有利于降低成本，具備一定的經(jīng)濟(jì)性。Tlink平臺(tái)具備一系列的特點(diǎn)，尤其是存在足夠的網(wǎng)絡(luò)連接，比如較為常見的MQTT連接^[3]。通常情況下，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備存在兩個(gè)發(fā)展方向，通過制造商研發(fā)設(shè)備，這樣能夠降低費(fèi)用，但是耗時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)，而且還是通過已經(jīng)構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)模塊，比如傳感器模塊等，利用總線以及通信協(xié)議達(dá)到通信的目的。該方式具備較短的開發(fā)期，而且比較容易部署，但是需要投入較高的成本，不利于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域進(jìn)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(shù)及其特征

在以前大部分傳感器中，網(wǎng)絡(luò)以及智能終端不能進(jìn)行連接，以過去的2G和3G進(jìn)行分析，僅是處理一些有關(guān)的運(yùn)用，比如較為常見的短信，當(dāng)然也包含無線通信，由于受到距離的限制，對(duì)于藍(lán)牙以及WiFi等而言，僅應(yīng)用于智能家居，并不能滿足大規(guī)模的運(yùn)用。除此之外，這些運(yùn)用所需成本較大，而且有很大的功耗。將來的連接設(shè)備，大部分都需要利用電池進(jìn)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(zhǎng)時(shí)間的待機(jī)裝置，對(duì)于無線技術(shù)而言，其實(shí)現(xiàn)還具有較大的挑戰(zhàn)性。為了實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的廣泛運(yùn)用，由此產(chǎn)生了LPWAN，利用它可以有效解決4個(gè)問題：第一，可以解決低速率以及低寬帶的運(yùn)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(yuǎn)距離超強(qiáng)覆蓋的問題;第四，可以實(shí)現(xiàn)全方位的連接。

LPWAN含有多項(xiàng)技術(shù)，其中被廣泛運(yùn)用的有3種。第一種是LoRa，它是美國(guó)公司開發(fā)的，現(xiàn)階段已被用于商業(yè)。第二種是NB-LoT，它是我國(guó)華為公司開發(fā)的。第三種是Sigfox。LoRa可以實(shí)現(xiàn)1 GHz以下的工作，能夠進(jìn)行超長(zhǎng)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(jìn)行對(duì)比，LoRa可以達(dá)到-148 dBm，而且它接受的靈敏性已經(jīng)增強(qiáng)了20 dB，還可以不通過TCXO來實(shí)現(xiàn)，不但具備集中器以及網(wǎng)關(guān)，還具備對(duì)多個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收以及發(fā)送，提高了系統(tǒng)的容量。LoRa借助的是異型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，相比之下，這一結(jié)構(gòu)的延遲并不高，而且較為簡(jiǎn)單。通過LoRa芯片，可以及時(shí)建立網(wǎng)絡(luò)，除了能夠構(gòu)建不復(fù)雜的區(qū)域網(wǎng)，也能夠構(gòu)建廣域網(wǎng)，由此可以得知，這一芯片有著更為簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)。LoRa屬于線性擴(kuò)頻調(diào)制，可以達(dá)到 157 dB，通信距離能夠超過15 km。省電節(jié)能方面，它同WiFi以及Bluetooth技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，有著顯著的效果。LoRa運(yùn)用的是自適應(yīng)的數(shù)據(jù)策略，可以對(duì)多個(gè)終端的通信數(shù)據(jù)進(jìn)行完善，比如數(shù)據(jù)的速度以及輸出功率等，讓它接收到的電流可以實(shí)現(xiàn)最低10 mA，同時(shí)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(yùn)用中，通過運(yùn)用LoRa物聯(lián)網(wǎng)，電池的利用時(shí)間能夠超過10年，相比之下，有著更為突出的優(yōu)勢(shì)。

3 LoRa通信測(cè)試

將LoRa網(wǎng)關(guān)安裝于測(cè)試系統(tǒng)，圖1所示為L(zhǎng)oRa網(wǎng)關(guān)實(shí)測(cè)，圖2所示為實(shí)地檢測(cè)環(huán)境。對(duì)于LoRa通信測(cè)試，文章主要從通信距離測(cè)試、通信丟包率測(cè)試等方面進(jìn)行探究，以供參考。

（1）通信距離測(cè)試。為更好地測(cè)試通信距離，共選擇兩個(gè)指標(biāo)，一個(gè)是RSSI指標(biāo)，另一個(gè)是丟包率。RSSI指標(biāo)可以充分判斷無線通信接收信號(hào)的強(qiáng)弱，利用對(duì)該數(shù)值的測(cè)量，能夠全面掌握通信的網(wǎng)絡(luò)狀況，而丟包率則能夠?qū)νㄐ刨|(zhì)量進(jìn)行有效判斷。一共選擇了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，一個(gè)是空曠的環(huán)境，另一個(gè)是大棚環(huán)境，針對(duì)兩個(gè)地點(diǎn)，每隔5 s進(jìn)行1次數(shù)據(jù)包的發(fā)送。基于兩個(gè)不同的條件，向指標(biāo)開展一對(duì)一的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。由表中所含信息可知，在這兩種環(huán)境下，伴隨距離的變長(zhǎng)，丟包率隨之增加，而RSSI慢慢減小，由此可知，在數(shù)據(jù)傳輸方面，與大棚環(huán)境進(jìn)行比較，空曠環(huán)境的傳輸效果較為理想，當(dāng)距離不超過2 km時(shí)，能夠達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。從理論的角度上來看，通過對(duì)這一芯片的使用，傳輸距離能夠超過5 km，不過因?yàn)闀?huì)被一些因素影響（比如環(huán)境），從而不能達(dá)到最佳的距離。

（2）通信丟包率測(cè)試。丟包率是基于數(shù)據(jù)的傳輸以及接收，針對(duì)丟失以及傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，將這兩種數(shù)據(jù)相除，從而獲得的比率。對(duì)于傳輸數(shù)據(jù)的測(cè)試，丟包率是非常關(guān)鍵的指標(biāo)，當(dāng)對(duì)信息進(jìn)行傳輸時(shí)，往往會(huì)發(fā)生碰撞的問題，為降低出現(xiàn)該問題的概率，文章采取TDMA的方式，和CMSA方式進(jìn)行對(duì)比，實(shí)際的測(cè)試結(jié)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(duì)該指標(biāo)有著更大的影響，在丟包率方面，與TDMA方式進(jìn)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(jié)語(yǔ)

文章通過對(duì)一系列指標(biāo)的測(cè)試比較，比如丟包率指標(biāo)，同時(shí)獲得了相應(yīng)的結(jié)果。測(cè)試結(jié)果能夠表明，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)有著較好的可行性，以農(nóng)業(yè)大棚來分析，能夠很好地符合數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

[參考文獻(xiàn)]

[1]李鑫，賈小林.基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)作物管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2020（10）：72-75.

[2]吳江雪.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中基于LoRa的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究[D].太原：中北大學(xué)，2020.

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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(jiǎn)介：楚琳琳（1985— ），女，河南漯河人，講師，本科;研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用。