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

郝 兵

（河套學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū) 巴彥淖爾 015000）

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)操作智能化。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，但相對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家在農(nóng)業(yè)上的智能化水準(zhǔn)而言，我國(guó)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力及生產(chǎn)效率上還有一定的差距。“工業(yè)4.0”這一概念的出現(xiàn)證實(shí)了信息化、智能化管理的重要性，使得“農(nóng)業(yè)4.0”的概念也相繼涌現(xiàn)[1]。在這種背景下，我國(guó)于2016 年成立了LoRa 應(yīng)用聯(lián)盟。LoRa 是一種新型網(wǎng)絡(luò)，在傳輸距離及傳輸方式上有了很大突破，從而使數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中。

1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與LoRa數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

1.1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是指應(yīng)用各類型傳感器，以各類型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備為載體，將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中各類型具體事物信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，并以互聯(lián)網(wǎng)為基托形成一種網(wǎng)絡(luò)。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的形成能夠借助大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)定制化數(shù)據(jù)的采集與生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控，最終實(shí)現(xiàn)智能化管理。由于物聯(lián)網(wǎng)中各類數(shù)據(jù)信息設(shè)備的數(shù)量異常龐大，因而常采用分層的方式應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，一般會(huì)將其分成由各種傳感器及傳感器外聯(lián)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的感知層，用于將從傳感器中收集到的數(shù)據(jù)借助相應(yīng)協(xié)議發(fā)往服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)層，以及為用戶提供各種應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)并幫助用戶反饋的應(yīng)用層[2]。當(dāng)前，我國(guó)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在發(fā)展過(guò)程中獲得了長(zhǎng)足進(jìn)步，各類型成熟的數(shù)據(jù)傳輸也得到了大量應(yīng)用，但這些技術(shù)在傳輸距離上還具有一定的局限性。

1.2 LoRa數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

LoRa 是一種在1GHz 以下?tīng)顟B(tài)也能工作的，能夠在低功耗的前提下實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳輸技術(shù)。該技術(shù)應(yīng)用了星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與早先的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比，具有延遲低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，這也使得LoRa 芯片能夠在很短的時(shí)間內(nèi)完成網(wǎng)絡(luò)組建任務(wù)，包括局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，因此在協(xié)議上具有更高的實(shí)用性；而在通訊距離上，由于應(yīng)用了線性擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，LoRa 的鏈路預(yù)算峰值可達(dá)157 dB，這就意味著在尋常環(huán)境下其通訊距離能夠達(dá)到15 km 及以上，如果場(chǎng)地足夠空曠，這一距離還能有所提升。此外LoRa的自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率策略使得其功耗極低，休眠電流不超過(guò)200 nA，這意味著如果物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用了LoRa，其設(shè)備電池使用年限可超過(guò)10 年，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議的水準(zhǔn)[3]。由此可見(jiàn)，LoRa 是一項(xiàng)具有眾多優(yōu)勢(shì)、較高性價(jià)比與可行性的有效技術(shù)。LoRa與其他各類型無(wú)線傳輸技術(shù)的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 幾種無(wú)線傳輸技術(shù)的參數(shù)對(duì)照Tab.1 The parameters of several wireless transmission technologies

2 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中基于LoRa數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的研究

2.1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

完整的物聯(lián)網(wǎng)體系分為感知層、傳輸層、應(yīng)用層，其中構(gòu)成感知層的主要內(nèi)容是各類型傳感器（包括溫濕度傳感器、光照傳感器等）以及數(shù)據(jù)上傳結(jié)構(gòu)，從其類型上可看出傳感器用于收集環(huán)境信息，而數(shù)據(jù)上傳結(jié)構(gòu)則負(fù)責(zé)將收集到的信息上傳；傳輸層負(fù)責(zé)連接感知層與應(yīng)用層，其主要功能是將傳感器中收集到的數(shù)據(jù)利用網(wǎng)絡(luò)上傳至應(yīng)用層；應(yīng)用層則通常包括了應(yīng)用平臺(tái)、基礎(chǔ)平臺(tái)及各類型應(yīng)用系統(tǒng)，用于展示相關(guān)數(shù)據(jù)信息并為工作人員提供操作方式與渠道[4]。整個(gè)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，見(jiàn)圖1。

圖1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)Fig.1 The architecture diagram of agricultural internet of things

2.2 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)前無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是繼互聯(lián)網(wǎng)之后的第二大網(wǎng)絡(luò)。與互聯(lián)網(wǎng)不完全相同，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)涉及到的領(lǐng)域包括嵌入式、無(wú)線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)及分部信息處理等，當(dāng)前無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了3 個(gè)階段，顯然隨著其發(fā)展會(huì)涉及到的領(lǐng)域越來(lái)越多。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中通常包括采集、匯聚、管理3 類節(jié)點(diǎn)，在相關(guān)通信協(xié)議的支持下，不同節(jié)點(diǎn)之間能夠自行組網(wǎng)構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)，其基本工作流程是由監(jiān)控區(qū)域內(nèi)部署具有隨機(jī)性的大量采集節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)并上傳至匯聚節(jié)點(diǎn)，在匯聚節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)分析之后傳輸至管理節(jié)點(diǎn)，而用戶則可通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)實(shí)施相應(yīng)操作。

2.3 擴(kuò)頻通信技術(shù)

無(wú)線通信技術(shù)經(jīng)歷了模擬無(wú)線通信、數(shù)字無(wú)線通信技術(shù)之后發(fā)展至擴(kuò)頻通信技術(shù)。擴(kuò)頻通信技術(shù)的出現(xiàn)是為了有效解決多路徑造成的信號(hào)衰退及噪聲，此外還能實(shí)現(xiàn)加密與抗干擾，進(jìn)而使得通信信號(hào)質(zhì)量大幅提升。擴(kuò)頻通信的實(shí)質(zhì)是將信號(hào)擴(kuò)展到大幅超過(guò)數(shù)據(jù)體積的帶寬上進(jìn)行傳輸，待傳輸?shù)男畔⒈徽{(diào)制后與擴(kuò)頻信號(hào)頻譜實(shí)現(xiàn)有效結(jié)合，再經(jīng)過(guò)射頻調(diào)制由天線負(fù)責(zé)發(fā)送，而接收端則需要通過(guò)變頻、擴(kuò)頻解調(diào)、信息解調(diào)一系列方式還原信息。擴(kuò)頻通信的理論依據(jù)來(lái)源于香農(nóng)的信道容量公式：

式中：C——信道容量，B——信道帶寬，S——信號(hào)功率，N——噪聲功率。

在面對(duì)典型的干擾環(huán)境時(shí)，S/N＜1，因此可采取將對(duì)數(shù)底數(shù)更換為e并應(yīng)用冪級(jí)數(shù)展開(kāi)的方法得到如下公式：

結(jié)合公式中內(nèi)容可了解到，在一定程度上提升帶寬能有效控制信噪比，也就能夠?qū)崿F(xiàn)通信質(zhì)量的提升，擴(kuò)頻通信正是應(yīng)用了這一方式來(lái)?yè)Q取信噪比的有效控制。

2.4 LoRa擴(kuò)頻調(diào)制通信

原理上LoRa 的擴(kuò)頻調(diào)制是將用戶數(shù)據(jù)與擴(kuò)頻數(shù)據(jù)進(jìn)行異或運(yùn)算，進(jìn)而獲得增加帶寬的發(fā)送數(shù)據(jù)。這種做法能夠獲得通信質(zhì)量的有效提升，但前提是借助數(shù)據(jù)手冊(cè)內(nèi)容對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行有效設(shè)置。這部分參數(shù)包括信號(hào)帶寬、擴(kuò)頻因子、編碼率。通常情況下，信號(hào)帶寬與有效數(shù)據(jù)速率呈正比例關(guān)系，與數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間呈反比例關(guān)系，但實(shí)現(xiàn)這一內(nèi)容需要在一定程度上犧牲接收靈敏度。信號(hào)帶寬的提升能夠作用于通信質(zhì)量的提升，而LoRa 應(yīng)用的是雙邊帶寬，其帶寬峰值谷值區(qū)間為500～7.8 kHz，且不同帶寬在通信速率上也有差距。LoRa的擴(kuò)頻因子來(lái)源于碼片速率與符號(hào)速率的商，其中符號(hào)速率是指擴(kuò)頻信息發(fā)出的速率。在擴(kuò)頻的有效影響下，原本以一位為表示方式的信號(hào)會(huì)變成多位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信號(hào)質(zhì)量的提升。編碼率則用于表示數(shù)據(jù)中有價(jià)值信息的比重，對(duì)編碼率的有效設(shè)置以提高信息冗余為主，其目的是獲得信息質(zhì)量的有效提升。

2.5 LoRa的數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)

LoRa 在進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)會(huì)從標(biāo)準(zhǔn)工作模式切換到發(fā)送模式，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到發(fā)送隊(duì)列，之后寫(xiě)入好的數(shù)據(jù)會(huì)被有效發(fā)送。在有效發(fā)送進(jìn)行完畢之后，LoRa的數(shù)據(jù)發(fā)送序列會(huì)自行判斷是否出現(xiàn)新的發(fā)送，如果有就重復(fù)上述過(guò)程；如果沒(méi)有，發(fā)送序列會(huì)自行返回原有的標(biāo)準(zhǔn)模式。

相比發(fā)送序列，LoRa 的接收序列復(fù)雜性更高，在功能上對(duì)單次接收與連續(xù)接收進(jìn)行了區(qū)分，單次接收會(huì)出現(xiàn)等待接收中斷的過(guò)程，一旦確實(shí)出現(xiàn)接收中斷就會(huì)對(duì)已接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有接收到數(shù)據(jù)，就會(huì)做出接收超時(shí)的判斷。而連續(xù)接收模式則長(zhǎng)時(shí)間處于等待接收的狀態(tài)下，完成上一次接收之后會(huì)重新等待下一次接收。

3 結(jié)語(yǔ)

LoRa的技術(shù)特征與其各方面參數(shù)表現(xiàn)，意味著這種技術(shù)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中具有較高的契合性。在應(yīng)用了擴(kuò)頻通信原理之后，LoRa 在傳輸性能上的表現(xiàn)十分優(yōu)越。可以確信的是，隨著我國(guó)科技能力的逐步發(fā)展，LoRa 作為一種優(yōu)秀的通信傳輸技術(shù)有很大可能被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，進(jìn)而推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)值及智能化水準(zhǔn)的提升，有效作用于我國(guó)農(nóng)業(yè)的信息化發(fā)展與綜合實(shí)力的強(qiáng)化。