基于5G-A無源物聯網的果園監測系統研究

中圖分類號 S126 文獻標識碼A 文章編號 1007-7731（2025）15-0119-04

DOI號 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2025.15.028

Research on orchard monitoring system based on 5G-A Passive Internet of Things

LI Li FAN Yonglian JIA Mengzhao ZHANG Ao MA Liang （Tarim University，Alar 843300， China）

AbstractPassive IoT based on enhanced 5G （5G-A） has advantages such asno power restrictions，large connections，widecoverage，andstrong computing power，making itsuitablefor networked montoring ofhighvalue fruit trees andlarge scaleorchards.In this paper，the basic principles and key technologies of 5G-A passive IoT implementationwere demonstrated，anorchard monitoringsystem wasdesigned based on 5G-A passve IoT，and aplied it to fruit tree growth status monitoring，growth simulation，and prediction.In terms of system design，using technologies such as 5G-A，data from orchards is collctedand transmitted via passive sensor tag arrays.This data is then transmited through massive machine-typecommunication （mMTC）network slices.Edge computing nodes are deployedon the 5G-A wirelessaccess network side to perform real-time analysis and computation of thecollected data and provide feedback.Thecorrected WOFOSTfruit tree growth model algorithm is then integrated into the fruit tree digitaltwin system to enabletheconstructionof visualized and dynamic fruit tre growth simulations and predictions.In terms ofapplication，itcancolectreal-timesoilandclimatedataoffruit tree growth，andcountthenumberoffruit trees and monitorthegrowth statusofeach fruittreedynamicallyvisualizing the coupling effectbetween fruit tree growth and environment provides an efective method for precise prediction and scientific planning of its various growth stages.The research results provides theoretical basis and solution basis for thedeployment and application of5G-A passiveIoT orchard monitoring system.

Keywords 5G-A; Passive IoT;orchard; monitoring system; fruit tree growth model

林果業不僅經濟附加值高，而且地域特色優勢明顯，是大部分地區的重點產業，具有良好的發展前景。果樹從幼苗栽培到成樹產出需多年精心培育，日常養護管理要求較高，且需精確到每棵果樹，因此林果產業的人力和農資投入較高，亟需通過數字化方式實現降本增效2

物聯網（InternetofThings，IoT）通過傳感器和無線通信，實現數據自動采集和傳輸，能夠提高林果的種植管理效率。陸猛3研究提出了一種結合遠距離無線電（LongRangeRadio，LoRa）模型和窄帶物聯網（NarrowBandIoT，NB-IoT）技術的果園監控系統，具有能耗低、響應快、通信距離遠等優勢，應用于林果產業有助于節省人力成本，提高經濟效益。陳生學等4提出了一種結合ZigBee和5G技術的智慧果園監控系統，具有使用便捷、操作簡單、運行成本低等優點。高群等5分析了現代化果園物聯網技術應用現狀，介紹了一種可滿足果園物聯網應用需求的服務系統和大數據平臺。部分果園物聯網建設受電源、功耗和成本限制，網絡節點數量較少，組網需結合無線局域網和廣域蜂窩網。

由于設備供電換電困難、果園面積大且部署環境復雜多樣，現有的果園物聯網結構復雜、規模小、覆蓋及監測能力有限，且長期運營維護成本較高。5G陸地蜂窩移動通信網絡已實現了良好的連片覆蓋，具有無源傳感、廣覆蓋、高速率、低時延和大連接等優勢7，可較好地應用于大規模果園的監測管理。目前關于5G-A無源物聯網在林果業領域的應用研究有待深入。本研究在分析論證5G-A無源物聯關鍵技術、5G-A網絡能力和果樹生長孿生模型的基礎上，提出一種基于5G-A無源物聯網的果園監測系統，為構建數智果園提供參考。

1基于5G-A無源物聯網的果園監測系統方案設計

該系統分為數據采集及發送、數據入網傳輸和數據計算處理3個部分，其中，數據采集及發送部分，在數據源端部署無源傳感標簽陣列采集果樹生長環境和生長狀態數據，通過反向散射通信將數據信號發送出去，經由無源傳感標簽匯聚節點進行中繼放大后上傳至5G-A基站。數據入網傳輸部分，通過5G-A接入網進入光傳輸網再傳至核心網后，上傳至云端計算中心，或經由傳輸網直接到達本地邊緣計算數據中心。數據分析計算部分，通過數據中心的果樹孿生模型和校正的WOFOST（WorldFoodStudies）果樹生長模型，該模型是農業科學領域廣泛應用的作物生長模擬工具，主要用于分析作物生產潛力、評估氣候變化影響及優化農業管理策略?；谠撃Ｐ停瑢麡渖L狀態數據進行詳細計算、分析和預測，實時形成反饋建議或預警并通知給果園管理人員，便于其及時采取相關措施精準施策，最終完成系統閉環。該系統完整結構如圖1所示。

1.1 果園數據采集與發送

相較于有源物聯網，5G-A無源物聯網的容量大且連接能力強，支持海量連接數據入網8。傳感器側不受固定電源限制，無源傳感標簽小巧輕便，便于大規模安裝應用。因此，基于5G-A的無源物聯網對于無源傳感終端接入數量沒有較大限制9，通過部署大規模無源傳感標簽陣列，可控制整個果園監測系統的多種參數，也可精細化監測每棵果樹的狀態，以實現對果園的全方位、多層次覆蓋和監測

1.1.1電能產生 5G-A網絡規模巨大，部署的基站數量眾多，通過5G基站天線輻射無線電波進行地面無縫覆蓋，為移動終端提供無線接入服務。電能產生原理如圖2所示，在傳感器標簽內部設計無線鏈路層控制協議（Radiolinkcontrol，RLC）耦合電路[10]，持續接收5G-A基站的高頻輻射電波以產生感應電流，并實現電能暫存，同時周期性驅動傳感器電路進行數據采集和發送。此外，還可根據實際需求和條件，為傳感器端附加備用電池，以實現穩定電能的長期存取，由此衍生出的無源物聯網類型又稱作“半無源\"物聯網。

1.1.2反向散射通信 無源傳感標簽僅能實現超低功耗運行，區別于普通有源移動終端直接驅動復雜的信號功放電路與調制電路，其進行較高功率的數據調制和發射。結合無線電波的傳播特點，如圖3所示，設計簡單的反向負載調制電路11]，使無源傳感標簽對接收到的高頻電波進行調制后再反射發出，在低功耗限制條件下也能實現基本的數據調制與信號發射，即反向散射通信。

1.1.3上行中繼 5G-A基站和無源傳感標簽之間的下行鏈路通常不需要考慮信號損耗和衰落帶來的傳輸距離受限問題，因為基站側有專門的電力供應及功控方案，可提供足夠的發射功率實現無源傳感標簽的全面覆蓋。由于無源傳感標簽設備僅能進行低功耗的信號調制與發射，因此上行鏈路需進行適當的功率補償才能保證無源傳感標簽發送的信號到達基站側[12]。如圖3所示，設置無源傳感標簽匯聚節點作為上行中繼，由于果園光熱資源豐富，匯聚節點可配置專門的太陽能電池板系統進行穩定的供電和儲能，對覆蓋范圍內的所有無源傳感標簽信號進行恢復和放大后，轉發給所屬的5G-A基站，保證上行鏈路的有效傳輸距離。

1.2 mMTC網絡切片

5G網絡架構精簡，網絡功能豐富多樣，無線接入側和核心網側都可云化為資源池，基于軟件定義網絡（SDN）和網絡功能虛擬化（NFV）實現網絡靈活編排，按需分配不同類型網絡資源，即配置各類網絡切片[13]，同時支持多種類型應用場景，實現網絡資源高效利用。因此，該系統可設置專門用于支持果園物聯網場景的mMTC切片，在對速率、帶寬和時延指標要求不高的條件下，主要通過廣泛連接大量無源傳感器標簽傳輸數據。

1.3數據計算

邊緣計算（EC）通過在數據源端部署輕量化算力節點，快速對現場采集的數據進行計算分析，形成實時響應，解決了云計算中心集中處理大規模數據量時間延遲大、網絡負載重和網絡帶寬不足等問題[14]。在本系統中，將邊緣計算節點部署在5G-A無線接入網側，在本地局域網內對無源傳感標簽陣列采集的果樹生長數據進行實時分析計算并作出反饋，為果農提供種植管理建議。在網絡空閑時段，各邊緣計算節點將本地果樹數據及處理結果上傳至云計算中心進行大數據分析。

1.4基于校正WOFOST模型的果樹生長數字孿生系統

WOFOST模型是被廣泛應用的作物模型之_[15]，基于作物生理和生態學原理，在作物生長和環境深度耦合效應下，使用數學量化方法對作物生長過程進行模擬和研究。目前校正的WOFOST果樹生長模型主要側重具體參量的數值計算及曲線擬合[，其分析結果的呈現形式不夠直觀。在本系統中，基于云計算中心的強大算力和海量數據，對實體果園和果樹進行仿真建模，使得孿生果樹模型和實體果樹在進行數據交互時保持同步，并實時更新生長狀態。同時，將校正的WOFOST果樹生長模型算法導人果樹數字孿生系統，用于構建可視化和動態化的果樹生長模擬及預測系統。

2應用分析

2.1 果樹生長狀態監測

在果園內部署5G-A無源傳感標簽陣列，可實時采集果樹生長的土壤數據、環境數據以及氣候數據；邊緣計算中心接收數據后在本地進行快速處理和分析，并及時將相關種植管理建議或預警推送至用戶終端；云計算中心收到各邊緣計算節點的數據后，可進行跨區域和大尺度的果園生長數據分析，為地區用戶提供進一步的種植管理決策支持。此外，5G-A無源物聯的大連接能力可支持和每棵果樹建立連接，本系統還可進行果樹數量統計以及監測每棵果樹的生長狀態。

2.2 果樹生長模擬與預測

本系統通過搭建基于校正WOFOST模型的果樹生長數字孿生系統，使果樹生長和環境的耦合效應動態可視化，終端用戶能夠自主進行果樹的生長發育模擬、生長脅迫因素分析以及果實產量估算，在掌握當前果樹生長狀態的同時準確研判果樹未來的長勢詳情及相關問題，為果樹各生長階段的精準預測和科學規劃提供了有效方法。

3結語

相較于現有的果園物聯網監測系統，本研究設計的5G-A無源物聯方案具備不受電源限制，使用專用頻段，組網簡單，支持的連接數量大，數據傳輸和計算能力強，以及融合果樹生長模型實現精準施策等優勢。然而，在無源傳感標簽超低功耗計算和通信技術方面還需持續研究和改進，且系統部署應用成本有待市場驗證，隨著各項關鍵技術的逐漸成熟，系統功耗和成本問題可以得到解決。5G-A無源物聯網技術標準在持續更新迭代中，其演進目標是實現超低功耗通信和千億物聯，對物聯網進行全面升級，有望得到大規模應用。在此基礎上，本研究提出的基于5G-A無源物聯網的果樹監測系統方案，為后續研究和實際應用提供參考。

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（責任編輯：楊歡）