基于ZigBee和LoRa技術的農田種植監測網絡優化模型

2025-03-18 00:00:00任慶欣馮鋒

物聯網技術 2025年6期

摘要：截至2023年底，中國農業經濟第一產業增加值共計8.97萬億元，而糧食產量更是達到了1.39億斤。由此可見，農業經濟在中國經濟中占據較大比重，而如何繼續提升農業經濟產值尤為重要。調查顯示，國內農業種植大多以半自動化為主，而在農田種植過程中，無法做到全面的數據監控和降低損失，導致成本增加、收益減少。所以，農田種植監測網絡的優化成為提升農業生產效率和資源利用效率的關鍵。基于此，提出了一種基于ZigBee和LoRa技術的農田種植監測網絡優化模型，利用ZigBee短距離低功耗和LoRa長距離低功耗的優勢優化網絡拓撲結構，并加入權重網絡結構來細化網絡信號和數據傳輸策略，提高了監測系統的覆蓋范圍和數據傳輸效率。

關鍵詞：農業經濟；ZigBee技術；LoRa技術；農業種植；監測網絡；權重網絡結構

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）06-00-04

0 引言

2023年，全國糧食生產總量為13 908.2億斤，比2022年增加177.6億斤，同比增長1.3%，糧食產量已連續九年穩定在1.3萬億斤以上。全國糧食播種面積將近17.9億畝，較2022年增加954.6萬畝，同比增長0.5%，從2019年以來連續四年增長。根據國家公布的數據可知，中國作為農業大國，農業經濟是國家經濟生產總值的重要組成部分，截至2020年，農業相關產業增加值為166 900億元，占國內生產總值（GDP）的比重為16.47%。其中，一、二、三產業增加值占比分別為46.8%、29.1%、24.1%，第一產業增加值規模最大、占比最高。由此可見，關注農業生產對國家發展尤為重要，而在種植生產過程中，生產模式的改變對生產總量影響巨大[1]。在小農經濟模式下，農民主要依靠人力和牲畜進行耕作，種植作物以糧食作物為主，農業生產效率較低。然而，隨著科技的進步和農業現代化的推進，中國的農業種植模式發生了深刻變化。在現代化農業經濟模式下，農業生產更加依賴機械化和自動化設備，種植作物也從單一的糧食作物轉向了多元化的農產品，包括蔬菜、水果、花卉等[2]。這種轉變極大地提高了農業生產效率，也使農民的收入得到了顯著提高。

文獻[3]提出了一種大田作物智慧種植目標、關鍵技術與區域模式，它的核心思想在于將生物信息感知技術、信息移動互聯與農業物聯網技術、云計算技術與云服務技術、大數據分析與決策技術、智能農機裝備與農業機器人技術相融合，并應用到特色領域的種植模式，這種模式針對中國不同地域的不同問題，提出因地制宜的解決方案。而針對目前已經具有較高信息化水平的種植模式來說，還應該進一步研究，提出更綠色、更智能的種植模式。本文基于以上思想，提出了一種基于ZigBee和LoRa技術的農田種植監測網絡優化模型，利用網絡通信優化思想調控數據，通過WSN設備獲取元素數值并將數字化信息結果作為反饋機制反饋在硬件設備中，以達到降低成本和提高產量的目的。

1 多源傳感器網絡模型

多源無線傳感器（WSN）是當下使用頻率較高的一種數據收集硬件，與傳統感知器相比，單個源傳感器可以獨立完成臨近感知對象的觀測，而多個傳感器可以完成大規模檢測任務[4-6]。它通常由傳感器節點、Sink節點以及外部網絡構成，具有自組織、分布式以及可靠性較高等特點。除此之外，它還有著明顯的感知優勢，如覆蓋范圍大、WSN設計成本低等。但是，其也有較為明顯的缺點，如節點資源有限以及存在時效性限制等問題。

針對上文所述問題，本文在以往的設計基礎上，增加了WSN的數值膨脹點傳輸算式，以解決在節點資源有限或避免時效性限制帶來的數據損失問題。

在對多源無線傳感器進行設計之前，設定其皆為同種結構。假設所研究區域為三維大小A×B×C。其中，區域長為A、寬為B、高為C。區域內檢測網格坐標節點集合設為K{k1， k2， ...， kN}，N為無線傳感器個數，所有節點感知半徑設為R。每個無線傳感器節點坐標設為k（xi， yj， zt），網格中節點集合設為M{m1， m2， ...， mn}，每個節點坐標設為m（xi， yj， zt），則三維立體空間中任意一點與無限傳感器的距離可以表示為：

網絡空間中任意一點能夠被無線傳感器監測到的概率為：

當WSN節點與網絡空間中任意一點距離小于R時，監測概率P為1，代表能夠獲取該點的所有信息；否則P為0，代表無法捕獲該點的所有信息。

空間中聯合覆蓋率為：

基于以上信息，可以將所有無線傳感器節點的覆蓋范圍集成為整個立體空間的覆蓋程度，并用總覆蓋率表示：

為防止數據過載，避免數據因資源空間有限失去時效性，本文設計的數據膨脹點算式為：

式中：ui為WSN臨時緩存的大小；ft為某時刻或某時段獲取的上行數據量；l為過載數據量；kr為數據流化指標值；wdataflow為當前需要分流的數據量。

2 ZigBee技術

ZigBee技術的靈感來源于蜜蜂的生物行為，蜜蜂通過“Z”字形飛行路徑軌跡來向同伴發出信號，信號包括事物的位置、距離以及種類等[7-8]。

2.1 ZigBee技術特點

（1）低功耗

ZigBee是一種適用于低功耗設備的技術，它類似于CDMA和GSM網絡數據傳輸方式，傳輸速率較低，而傳輸功率僅為1 mW，在數據量較少或者結束工作時，自身會采用休眠模式，甚至僅靠3 V電壓就可以保持1～2年的待機時間，大大節省了用電成本和計算成本。

（2）短時延、協議棧

在ZigBee網絡中，通信數據從節點端口發出后能夠在極短時間內到達中轉器，即使在休眠喚醒階段都可以保證時延在較低水平。除此之外，ZigBee網絡還包括眾多協議棧，如應用層、匯聚層、網絡層以及數據鏈路層和物理層。應用層、匯聚層的作用主要為支持多個設備正常通信，網絡層的作用為保證數據傳輸，數據鏈路層的作用為維護數據鏈路的正常傳輸，物理層的作用為保障數據與現實設備的交互。

（3）擴展性、可靠性、安全性

ZigBee網絡支持的通信距離在75米到幾百米不等，并且可以在網絡中無線擴展。它可以由六萬多個無線傳感器組成大型數據節點網絡，實現數據通信。另外，該技術還采取了避免碰撞技術，在每個數據包發往下一個端口時會檢查該線路是否堵塞，并且進行標識，當發現線路被占用時，必須等待接收方的確認信息。最后，ZigBee網絡還提供了基于循環冗余校驗（CRC）的數據包完整性檢查功能，并采用AES-128加密算法進行認證。

（4）自組織網絡、大容量

ZigBee網絡可以自動形成互聯互通的網絡，輔助硬件設備對指定空間的監測，而1個星型拓撲結構的ZigBee網絡至多可以容納254個從設備和1個主設備，1個單位區域最多可以同時存在100個ZigBee網絡，網絡之間可以靈活組合。

2.2 ZigBee網絡拓撲結構

ZigBee網絡拓撲結構主要有星型拓撲結構、樹狀拓撲結構以及網狀拓撲結構。

（1）星型拓撲結構

星型拓撲結構是最簡單的拓撲形式，它包含若干終端設備和一個協調器，而每個終端必須與協調器交互，它的缺點是適用于小型網絡，且協調器的狀態會影響整個網絡的數據通信。星型網絡拓撲結構如圖1所示。

（2）樹狀拓撲結構

樹狀拓撲結構中包含多個協調器、多個路由器以及多個終端設備節點，它的規則是路由器節點必須連接父節點和子節點，形成層級結構后信息由下向上傳輸，適用于中型網絡。樹狀網絡拓撲結構如圖2所示。

（3）網狀拓撲結構

網狀拓撲結構最復雜，它由多個協調器、多個路由器以及多個終端設備節點組成，它掙脫原有的通信方式束縛，可以在路由節點之間直接通信，當一條通信通道堵塞或者故障時可以通過其他轉接點鏈接到下一路由，增強了網絡抗性，適用于復雜的大型網絡環境。網狀網絡拓撲結構如圖3所示。

3 LoRa技術

LoRa技術是一種低功耗廣域網技術（LPWAN），是美國Semtech公司研發出的基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案，目前在全球頻段免費運行[9-11]。

3.1 LoRa技術特點

（1）低功耗

LoRa網絡具備前向糾錯編碼技術，它顯著減少了數據段重發需求，解決了多徑衰落引發的誤碼問題，控制硬件設備的使用時間。同時，LoRa網絡的傳輸速率范圍為幾十到幾百Kb/s，間接節省了使用成本。

（2）抗干擾能力

LoRa網絡中的調制器能夠在電子干擾的環境下使用擴頻因子實現較大范圍的無線數據傳輸，這也使得其可以在低信噪比環境下維持正常性能。

（3）頻率靈活、傳輸距離遠

LoRa網絡運行在ISM頻段，包括433 MHz、868 MHz、915 MHz等。在城市環境中，LoRa網絡的傳輸距離可達到2～5 km，在郊區甚至可以達到15 km。LoRa網絡使用擴頻調制技術，通過低發射功率來獲取較遠的傳輸距離。

（4）高容量

一個普通的LoRa網關可以容納或連接成千上萬個LoRa網絡節點。

3.2 LoRa網絡的組網架構

LoRa網絡通常由終端設備、基站、網絡服務器以及應用服務器組成，這些設備常以星型結構連接，終端設備通過單跳與一個或多個網關通信，網關再連接服務器，以實現數據通信閉環。網關在LoRa網絡中可以雙向通信，當作數據的中繼器。

終端設備大體可以分為三種，第一種為雙向通信的終端設備，具有較低功耗，并在預設時間開放其他接口，保障基站的通信時間。第二種是具有預設接收時隙的雙向通信終端設備。第三種是具有最大接收窗口的雙向通信終端設備，它會持續開放接收窗口。

4 權重網絡結構體系的農田種植模型

根據前文對ZigBee和LoRa技術的介紹，我們可以很清楚地認識到兩種通信網絡的優缺點。據此，我們在本節設計了一種基于ZigBee和LoRa的權重網絡，并將網絡節點替換為WSN，最后結合農田種植背景進行通信優化。

4.1 基于ZigBee和LoRa的權重網絡

在如今的種植模式如大棚種植、間作種植等形式中，會面臨著資源利用率低下等問題，如作物在生長過程中需要水、硝酸銨、磷酸鈣、氯化鉀、陽光、氧氣以及二氧化碳等，這些指標和作物生長過程息息相關。本文將這些元素利用權重策略轉換為可視化數據，并將農田種植模型網絡分為內部網絡和外部網絡。其中，內部網絡為短距離通信網絡，外部網絡為長距離通信網絡。權重分配見表1。

設置一個系數M，將每個元素的權重轉換為上行數據量。

式中：f為某元素在網絡中的上行數據量。

4.2 農田種植模型通信優化

在內部網絡中，將元素的數值配以權重后進行數據化處理，可以根據上行數據量分配具體通路，然后經過路由器轉向外部網絡，由外部網絡鏈接服務器控制器。

圖4、圖5分別內部網絡和外部網絡結構示意圖，內部網絡主要以ZigBee技術實現，外部網絡主要以LoRa技術實現，這樣設計的好處是能夠將網絡流量細化，使得數據通信過程中農田的數據流能順利被WSN捕獲，當上行流量過大時，可以通過中繼器和路由器傳向外部網絡，由外部網絡傳輸至服務器群。

5 結語

本文通過無線傳感器網絡，能夠實時監測土壤化學成分、氧氣、二氧化碳等關鍵參數，從而更好地管理農田。首先，本文介紹了ZigBee和LoRa技術的特點。ZigBee是一種低功耗、短距離通信協議，適用于小范圍的傳感器網絡。而LoRa則具有遠距離傳輸能力，適合覆蓋廣闊農田的監測。其次，在數據傳輸方面，本文重點強調了能耗優化。使用ZigBee和LoRa技術，可以靈活選擇數據傳輸頻率，避免不必要的能量浪費。最后，提出了內部、外部網絡優化模型。將農田數據通信中的各類數據綜合考慮，以實現最佳的農田監測效果。

注：本文通訊作者為馮鋒。

參考文獻

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