基于Sigfox和Mesh組網的枸杞種植園網絡通信優化

摘 要：隨著物聯網（IoT）技術的發展，經濟農作物的種植方式越來越趨向智能化、高效化和自動化。枸杞種植作為一種高附加值的農業產業，其網絡通信優化是一個多維度、多方面的工程。研究的核心宗旨在于提升種植園的管理效率、數據采集的準確性以及整體生產力，實現對種植過程的精細化管理，最終提高枸杞的產量和質量。基于以上問題，提出了一種基于Sigfox和Mesh組網的枸杞種植園網絡通信優化方法。首先，利用Mesh網絡可以與其他網絡協同通信，以解決有線網絡覆蓋不到的絕大部分區域的監測問題。其次，依靠Sigfox技術獨特的高度可擴展性、可靠性，以及低延遲和低能耗的特點，最終構建出適合寧夏南部地區枸杞種植園的網絡通信模型。

關鍵詞：無線傳感器；網絡監測；網絡覆蓋；Sigfox技術；Mesh組網；枸杞種植

中圖分類號：TP393.0 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）08-00-03

0 引 言

我國是世界上最大的枸杞生產國和出口國，主要產地包括寧夏、甘肅、青海等地。尤其是寧夏枸杞，因其優良的品種和豐富的營養成分聞名全球，被譽為“紅寶石”。2023年，中國枸杞產量達到了9.2萬噸，相較于2022年，同比增長了17.9%。除此之外，枸杞的種植面積也擴大至28.6萬公頃，同比增長10.4%。同時枸杞種植生產直接帶來的經濟收益達到了360億元，同比增長了20%。寧夏的枸杞產地主要集中在中寧、同心以及紅石堡地區，其適宜的氣候和較為平緩的地形為枸杞種植提供了得天獨厚的條件[1-2]，本文研究主要針對寧夏地區枸杞種植園的外部環境。

對于寧夏地區的枸杞種植研究，眾多學者在不同角度提出了自己的見解。文獻[3]采用GIS技術，結合氣象數據、地形地貌數據、土壤數據等，對寧夏枸杞花期凍害風險進行了區劃與分析，為寧夏枸杞產業防災減災體系建設提供了參考。文獻[4]通過探索枸杞種植廢棄物發酵產物品質與微生物群落結構之間的關系，在優化正交試驗條件后，枸杞種植廢棄物發酵產物的品質和適口性均得到了顯著提高。文獻[5]探究了種植覆蓋作物和施用有機肥對寧夏旱區枸杞園土壤活性有機碳庫的影響，通過田間定位試驗并設置多組實驗得出寧夏旱區枸杞/覆蓋作物復合種植模式能有效提升土壤活性有機碳含量。

受上述研究啟發，同時考慮到寧夏地處中西部，枸杞種植首先考慮水源問題，其次考慮風速問題。對于水源，寧夏靠近黃河中上游，黃河水質獨特純凈，富含多種營養物質，為枸杞的生長提供了充足的水分和養分。此外，寧夏的土壤由山洪沖積形成，富含礦物質和腐殖質。對于風速，枸杞種植會采用大棚養殖，在避免大風擊倒風險的同時能夠滿足其他條件的要求。

基于此，針對寧夏地區枸杞種植過程中需要滿足的眾多條件，本文提出了一種基于Sigfox和Mesh組網的枸杞種植園網絡通信優化方法。利用Mesh組網的分布式網絡框架，將枸杞種植園中的電控設備和無線傳感器連接在一起，形成一個相互連接的網絡拓撲結構。利用Sigfox技術優化分布式網絡中的流量通信，避免流量高峰或信息傳輸堵塞。

1 無線傳感模型

無線傳感器作為一種數據收集工具，能夠很好地對目標區域進行監測。它們具有自組織、分布式以及節點平等的特點，同時體積小、成本低、部署靈活，適用于農業生產、工業制造、安全檢測等場景[6]。單源傳感器可以與其他電子硬件進行數據傳輸和交互，在某地形環境中，假設單源傳感器為影像收集器、氣體數據收集器、土壤小分子成分數據采集器等。對于多源傳感器，設備上分布著多個數據源接口，可以同時與多種硬件連接，從而組成一個大范圍的網絡拓撲結構[7]。

在枸杞種植園中模擬布控無限傳感器，主要采集種植園內的水含量、氧氣含量、二氧化碳含量以及土壤中的氮磷鉀等微量元素的含量。

本文所設定的網絡皆為同種結構，在三維立體環境中，設數據布控區域大小為A×B×C，其中，區域長為A、寬為B、高為C。無線傳感器的節點坐標可以設為K{k1， k2， ...， kN}，N為無線傳感器個數，無線傳感器節點的感知范圍是以節點為圓心的圓形區域，R為無線傳感器半徑，網格中節點集合設為M{m1， m2， ...， mn}，節點n的坐標為（xi， yi， zi），則任意一點m在區域內能夠被節點n監測到的概率P（k， m）為：

2 Sigfox技術

Sigfox技術由法國Sigfox公司研發，是一種基于超窄頻帶調制技術的物聯網設備無線網絡解決方案。與此同時，它也是一種低功耗廣域物聯網（LPWAN）技術，專為物聯網設備設計[8]，Sigfox技術特點如下：

（1）低功耗

Sigfox技術可以使得設備長期處于待機狀態下，幾乎不消耗電能，具有較為高效的能源消耗管控能力。在Sigfox的數據交互過程中，其往往只需定期發送特定的數據包即可，這種數據包消耗電能極小，這也使得可以用小型電池為其供電，在理想狀態下其使用壽命可維持數年。

（2）低成本

Sigfox的網絡硬件設備具有構造簡單的特點，且不需要內嵌復雜的子硬件和軟件，這使得其制造成本較低。此外，Sigfox的網絡覆蓋范圍廣，間接減少了基站的建設數量，從而降低了維護成本。對于需要長期運行的物聯網設備而言，Sigfox具備更高的核心競爭力。

（3）廣覆蓋、高度可靠

Sigfox網絡具有強大的信號穿透能力，配合其廣泛的覆蓋范圍，能夠在城市、鄉村、高原甚至山脈等復雜環境中保持穩定的網絡連接。此外，Sigfox采用了冗余無線網絡和自適應數據速率（ADR）技術，增強了其在各種環境中的網絡傳輸能力，確保了設備與基站之間的通信穩定性。

（4）并發性、全球覆蓋、超窄帶UNB調制技術

Sigfox支持大量設備同時連接并進行數據并發傳輸，能夠滿足大型物聯網應用中對設備數量的龐大需求。

目前，Sigfox網絡已覆蓋全球90%的人口，設備可以在任何地方接入網絡。

此外，Sigfox采用了超窄帶UNB調制技術，能夠以低速率傳輸短消息，特別適用于僅需發送少量數據且不頻繁傳輸的應用場景。Sigfox的上傳信號占用100 Hz帶寬，調制方式采用DBPSK，數據速率為100 b/s，最低接收靈敏度為-142 dBm。上行數據采用三遍重復發送的機制，進一步提高了數據接收的可靠性。

3 Mesh組網

Mesh組網是一種分布式網絡結構，屬于多節點、無中心、自組織的無線多跳通信網絡。它通過將多個網絡節點連接在一起，形成一個能夠實現數據交互的網絡拓撲結構。在這種網絡結構中，每個節點通常都具有路由功能，能夠對接收到的數據進行轉發和暫時存儲。無線Mesh組網還能夠以動態的方式與其他單個或多個節點保持連接和通信，從而解決有線網絡無法覆蓋大部分區域的通信問題[9-10]。

3.1 Mesh組網技術特點

（1）去中心化

去中心化主要表現在Mesh組網無需通信節點之外的設備、基站來固定傳輸模式。其由兩個或兩個以上節點組成，無中心節點，每個節點都可作為數據傳輸部分，并且可自由增加或者刪除節點，大大增強了結構的穩定性。

（2）自組織性、自愈性

在Mesh組網中，若出現某個節點發生故障或者因為某些原因導致網絡結構發生變化時，Mesh組網能夠在最短時間內自動檢測并重新配置網絡，以確保網絡傳輸數據的連續性和安全性。在進行自動檢測時，還會通過內部計算系統選擇最優路徑。

（3）多跳通信、靈活性

Mesh組網中的通信數據可以通過多個節點跳躍傳輸，使得遠離主要網絡源的節點也能夠接入網絡。這也使得系統在任何時間、任何地點都能迅速建立通信網絡，覆蓋無盲區，以適應各種復雜環境和應用。

（4）高可靠性、擴展性

當Mesh組網中的某個節點出現故障或受到干擾時，數據包會自動無縫切換到更優路徑繼續傳輸，且不會因跨路由而導致掉線。此外，當網絡中的數據傳輸負載增加時，網絡能夠根據每個節點的實際情況動態分配通信路由，從而有效避免網絡擁堵。

3.2 Mesh網絡拓撲結構

Mesh組網主要有三種網絡拓撲結構。

3.2.1 鏈式拓撲

在鏈式拓撲結構中，各節點以鏈式方式分布，只有相鄰的兩個節點之間可以直接進行數據傳輸和通信。

3.2.2 星型拓撲

在星型拓撲結構中，各節點以星型方式連接，網絡中存在一個中央節點，其他節點均與中央節點直接交互。

3.2.3 網狀拓撲

在網狀拓撲結構中，多個節點通過多種類型的組網方式連接，并利用Mesh組網的自組織特性動態計算最優傳輸路徑。

4 嵌合Sigfox和Mesh組網的枸杞種植園網絡模型

4.1 數據上行與下行量計算

本文將網絡分為Sigfox內部傳輸網絡以及Mesh外部組網，由于Mesh組網更靈活，可以根據Sigfox內部網絡的數據量隨時調整數據包的接收和上傳速率。因此，在Sigfox內部網絡接口處設置流量傳輸膨脹值。計算公式如下：

當數據傳輸膨脹值大于內部網絡載量時，網絡結構將迅速調整，將多個傳感器數據傳輸向其他與Mesh組網的接口。

4.2 枸杞種植園網絡優化模型

由圖1可以看出，種植園內部Sigfox網絡可以理解為一個環形網絡結構，周圍分布著多個路由器（無線傳感器相連接），當內部網絡數據過載時，通過式（5）計算后將數據經過負載均衡器傳輸給交換器，并通過交換器傳輸給Mesh外部組網，最終將數據傳輸至終端服務器。到達終端服務器的數據與數據中心和數據庫進行數據交互，可以在完成數據分析之后找到種植園目前需要進行的操作，通過前端服務器和硬件實現。

5 結 語

本文將Sigfox技術和Mesh組網技術相結合，利用兩種技術各自的優點對所設定的枸杞種植園網絡通信進行優化，從而建立起一個智能網絡通信優化模型。Sigfox技術是一種低功耗、低成本且具有強信號穿透能力的通信網絡技術，而Mesh組網結構具有較廣的覆蓋范圍，并且具備自動無縫漫游功能。在成功將兩種技術融合之后，可以得到一個具有更高寬帶、更低延時和更強自我修復能力的強大網絡，實現數據傳輸頻率的自由選擇并避免不必要的能源消耗。

此外，在本次實驗中，本文還引入了數據膨脹值，以更精準的數據優化數據過載現象，使得所提網絡的優化模型更加成熟、穩定。

注：本文通訊作者為孫莉。

參考文獻

[1]楊金龍，楊娟娟.特色種植“小枸杞”帶民走上致富路—記寧夏回族自治區吳忠市紅寺堡區祥祥家庭農場[J].中國農民合作社，2024（5）：71-72.

[2]年新，高藝瑋，連敏，等.寧夏枸杞產業發展現狀及建議[J].農業科技通訊，2024（2）：4-6.

[3]陳春葉，陳仲軍.基于GIS的寧夏枸杞花期凍害風險分析與區劃[J].黑龍江科學，2024，15（10）：35-37.

[4]劉楊，馮曌卓，王茄靈，等.枸杞種植廢棄物固態發酵生物飼料條件優化及其微生物群落[J].應用與環境生物學報，2023，29（6）：1434-1443.

[5]李文慧，陳浩楠，南雄雄，等.寧夏旱區枸杞/覆蓋作物種植體系對土壤活性有機碳庫的影響[J].生態學雜志，2024，43（5）：1324-1332.

[6]陳育中.一種基于ZigBee樹狀無線傳感器溫度監測系統設計[J].中國科技信息，2024（13）：63-67.

[7]文劍，涂旭青，周劍濤，等.基于數據中臺的無線傳感器網絡數據共享系統[J].長江信息通信，2024，37（6）：173-175.

[8]郜迪.基于NB-IoT無線傳輸技術的研究與設計[D].北京：中國電子科技集團公司電子科學研究院，2019.

[9]唐路瑤，劉慶杰.地震監測自組網系統的研究與設計[J].科技創新與應用，2024，14（11）：7-10.

[10]于海洋.簡析無線Mesh自組網在應急通信中的應用[J].網絡安全技術與應用，2024（2）：64-66.