徐尚瑜張 燕陳文君董如嬋

(金陵科技學(xué)院軟件工程學(xué)院，江蘇 南京 211169)

智慧農(nóng)業(yè)是解決未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要途徑，農(nóng)業(yè)環(huán)境感知是智慧農(nóng)業(yè)分析決策的先決條件。 在國家“雙碳”目標(biāo)背景下，傳感器網(wǎng)絡(luò)正持續(xù)向低功耗、輕量化轉(zhuǎn)型。 農(nóng)業(yè)現(xiàn)場條件簡陋，環(huán)境復(fù)雜多變，故要求智慧農(nóng)業(yè)感知層設(shè)備在保證準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性的同時(shí)，還需要具備:價(jià)格低、無施工、少維護(hù)、小巧可移動(dòng)且不占土地等特點(diǎn)。

聶鵬程[1]總結(jié)了2G/3G/4G、GPRS、ZigBee、藍(lán)牙以及射頻、調(diào)頻等無線通信技術(shù)特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了以5G 為代表，包括:LoRa、NB-IoT、UWB 在內(nèi)的新興技術(shù)在安全可靠、快速數(shù)據(jù)傳輸方面的優(yōu)勢。 滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求的環(huán)境采集終端需要滿足兩個(gè)要求:無線傳輸和本地電池供電。 針對(duì)農(nóng)業(yè)傳感采集數(shù)據(jù)量小、頻率低的特性，目前適用主流無線通信技術(shù)有: 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) WSN (Wireless Sensor Network)和低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)LPWAN(Low Power Wide Area Network)。 ZigBee 是一種典型WSN 多跳Mesh 網(wǎng)絡(luò)，張偉[2]在果園中裸地、平地、山地場景下部署ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，測量擬合信號(hào)強(qiáng)度RSSI、丟包率與收發(fā)通信距離、天線高度的關(guān)系，計(jì)算信道能耗衰減模型，為農(nóng)業(yè)場景應(yīng)用ZigBee 技術(shù)提供了依據(jù)。由于ZigBee 物理調(diào)制技術(shù)節(jié)點(diǎn)間的通信距離限制在百米范圍，ZigBee 通過協(xié)調(diào)器、路由器和終端這三個(gè)角色組成“多跳”路由網(wǎng)絡(luò)，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，應(yīng)用QoS 機(jī)制保障網(wǎng)絡(luò)消息的可達(dá)性。 通常消息傳遞需要經(jīng)過多個(gè)物理節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，網(wǎng)絡(luò)管理、路由尋址增加了系統(tǒng)維護(hù)工作量，同時(shí)也增加了網(wǎng)絡(luò)的整體能耗。

LPWAN 是近年快速發(fā)展應(yīng)用的新型通信技術(shù)，專注于物聯(lián)網(wǎng)低功耗遠(yuǎn)距離傳輸領(lǐng)域，以Sigfox、LoRa 和NB-IoT 星形組網(wǎng)為典型代表，Kais Mekki[3]對(duì)這三種IoT 無線技術(shù)的距離、速率、功耗等做了橫向比較，并給出了三種技術(shù)目前適合的應(yīng)用場景。 Sigfox 和LoRa 運(yùn)行在非授權(quán)頻段(ISM)，Sigfox 網(wǎng)絡(luò)(基站和云服務(wù))由Sigfox 公司管理。LoRa 允許用戶可自建網(wǎng)絡(luò)，單基站接入近萬個(gè)終端，空曠區(qū)域通信距離超過5 km；開源LoRaWan 提供的MAC 層協(xié)議可用于LoRa 網(wǎng)絡(luò)的組織管理，而LoRa 的核心物理層技術(shù)由美國升特公司專利所有，用戶購買使用升特公司的射頻芯片(127X、126X 系列和基站SX1301)，LoRa 在成本和功耗都有很大優(yōu)勢；NB-IoT 運(yùn)行在授權(quán)頻段由通信運(yùn)營商管理，是基于3GPP 協(xié)議的蜂窩網(wǎng)絡(luò)在低功耗大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用，用戶可使用運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)可快速集成應(yīng)用，但目前網(wǎng)絡(luò)無法全覆蓋農(nóng)村區(qū)域。

在農(nóng)業(yè)低功耗傳感器網(wǎng)絡(luò)終端方面，邱曙光[4]針對(duì)河道水質(zhì)傳感器功耗高、供電難等問題設(shè)計(jì)出應(yīng)用太陽能鋰電池供電的LoRa 水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)搭載pH、氧化還原電位和濁度485 型水質(zhì)傳感器，設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)電源和通信模塊的硬件電路，配合變頻采集策略，系統(tǒng)性地降低節(jié)點(diǎn)功耗，延長電池續(xù)航能力。 肖漢光[5]應(yīng)用主控STM32 與NB-IoT 模塊M5310 設(shè)計(jì)了一款低功耗土壤環(huán)境監(jiān)測終端，通過切換工作、睡眠模式節(jié)約功耗，使用CoAP 協(xié)議上報(bào)數(shù)據(jù)給華為云平臺(tái)。

LoRa[6]具有低功耗、遠(yuǎn)距離、大連接等特點(diǎn)，其在規(guī)?；?、低成本數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域有優(yōu)勢，尤其適合供電受限的大農(nóng)業(yè)場景。 Liando，J.C[7]進(jìn)行了大規(guī)模LoRa 網(wǎng)絡(luò)性能研究，提出非視距場景下建筑物對(duì)通信距離有較大影響；單基站可接入6 000 個(gè)節(jié)點(diǎn)，到達(dá)消息解包成功率70%以上；研究了SF、TP、BW 等無線參數(shù)對(duì)功耗的影響，提供了一種計(jì)算電池供電時(shí)長和估計(jì)整體網(wǎng)絡(luò)容量的研究方法；最終實(shí)現(xiàn)了一種在高密部署場景下解決發(fā)包沖突的CSMA-CAD數(shù)據(jù)發(fā)送機(jī)制。

1 LoRa 技術(shù)

1.1 物理層和協(xié)議層

LoRa 物理層調(diào)制技術(shù)源于雷達(dá)通信使用的線性調(diào)制擴(kuò)頻技術(shù)(Chirp Spread Spectrum)，其將待發(fā)送的數(shù)據(jù)Bit 調(diào)制成射頻符號(hào)Symbol，在LoRa 技術(shù)中Chirp 與Symbol 概念等同，在一個(gè)符號(hào)Symbol 周期內(nèi)，符號(hào)Symbol(或Chirp)載頻的頻率在帶寬Bandwidth 范圍內(nèi)的呈線性變化，當(dāng)頻率增大達(dá)到BW 上邊界時(shí)，將反轉(zhuǎn)到BW 的下邊界繼續(xù)線性增大，直到頻率回到起始頻率點(diǎn)。 LoRa 將一個(gè)Symbol調(diào)制成2SF個(gè)碼片Chip 進(jìn)行發(fā)送，此時(shí)一個(gè)Symbol編碼的數(shù)據(jù)Bit 的個(gè)數(shù)稱為擴(kuò)頻因子SF；Symbol 載頻的起始點(diǎn)的頻率偏移代表該Symbol 編碼的Bit 組合，即一個(gè)Symbol 可表示2SF個(gè)取值。 例如，當(dāng)SF ＝8 時(shí)，一個(gè)Symbol 可以編碼8 個(gè)Bit，即一個(gè)Symbol有256 個(gè)起始頻點(diǎn)可代表28個(gè)不同的取值。

LoRa 設(shè)計(jì)手冊(cè)[8]給出其物理層重要參數(shù)的說明，這些參數(shù)的組合決定傳輸性能，主要參數(shù)有:BW帶寬、CF 中心載頻、SF 擴(kuò)頻因子、TP 發(fā)送功率、冗余編碼率CR，其中SF 和TP 兩個(gè)參數(shù)對(duì)功耗有顯著影響[9]，需根據(jù)傳輸距離進(jìn)行優(yōu)化配置。 SF 擴(kuò)頻因子，根據(jù)手冊(cè)[8]對(duì)碼片速率(Rc)的定義，Rc 與帶寬BW 相同，故Rc 一定；因此SF 每增加1 發(fā)送一個(gè)Symbol 的時(shí)間加倍。 LoRa 擴(kuò)頻因子SF 范圍6～12，增大SF 意味著發(fā)送單位有效Bit 的時(shí)間更長，這樣可提高信噪比SNR，擴(kuò)大信號(hào)的傳輸距離，但同時(shí)會(huì)增加發(fā)送時(shí)間TOA(Time on The Air)，增大發(fā)送功耗。 由此根據(jù)通信距離和功耗的關(guān)系設(shè)計(jì)合理的SF 對(duì)低功耗有至關(guān)重要的作用。 TP(Transmission Power)是數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)無線電發(fā)射的功率，單位dbm，理論上在4 dbm～20 dbm 之間，但由于不同模組廠家封裝的硬件限制，TP 會(huì)有所差異。

LoRaWan[10]是LoRa 聯(lián)盟定義的用于終端、基站和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器互聯(lián)的協(xié)議和消息格式，協(xié)議定義Class A，B，C 三種模式。 LoRaWan 協(xié)議將用戶應(yīng)用層數(shù)據(jù)封裝在MAC 層之上的APP 層中，MAC 層完成網(wǎng)絡(luò)管理功能，MAC 層下的物理層應(yīng)用Aloha 協(xié)議完成數(shù)據(jù)發(fā)送，見圖6 LoRa 幀格式。 其中Class A 模式的上行消息發(fā)送完后，有兩個(gè)下行窗口Rx1，Rx2 等待下行消息，相比其他兩種模式，該模式功耗最低。

1.2 數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)長TOA

用戶數(shù)據(jù)包經(jīng)過MAC 層、物理層封裝后最終調(diào)制成Symbol 發(fā)送。 一個(gè)Symbol 調(diào)制成2SF個(gè)碼片來發(fā)送，根據(jù)LoRa 用戶手冊(cè)[8]，LoRa 發(fā)送一個(gè)Symbol耗時(shí)Tsym 按式(1)，一個(gè)用戶數(shù)據(jù)包經(jīng)過封裝后的Symbol 個(gè)數(shù)Npl 按式(3)。

用戶數(shù)據(jù)的總發(fā)送時(shí)間Ttx按照式(2)計(jì)算，其中參數(shù)CR 前向糾錯(cuò)編碼率(可取值1，2，3，4)，PL為用戶數(shù)據(jù)包字節(jié)數(shù)，SF 擴(kuò)頻因子，CRC 校驗(yàn)碼(上行為1，下行是0)，IH 隱式頭部標(biāo)識(shí)(當(dāng)使能Header 時(shí)為0)，DE 低速優(yōu)化(關(guān)閉時(shí)為0)。

2 終端的總體設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

LoRa 通用農(nóng)業(yè)采集終端AG21 的系統(tǒng)框圖如圖1 所示，終端由電路轉(zhuǎn)換模塊、主控芯片MCU、485 通信模塊和LoRa 通信模塊組成。 終端外圍設(shè)備包括:各類環(huán)境參數(shù)RS485 傳感器、LoRa 天線以及為整個(gè)系統(tǒng)供電的鋰電池。 鋰電池通過電源降壓模塊為MCU、LoRa 射頻、485 通信模塊和RS485 傳感器供電；為節(jié)約功耗，RS485 傳感器和485 模塊按需開啟，由于485 傳感器本身不具備開關(guān)管理功能，通過觸發(fā)繼電器線圈吸合斷開來控制傳感器與485模塊的電源通斷。 考慮到電池供電，故低功耗是終端首要解決的問題。

圖1 終端AG21 系統(tǒng)框圖

①在主控和通信芯片方面，使用易通匯聯(lián)低功耗XC30 物聯(lián)網(wǎng)芯片， 該芯片封裝了主控STM32L431CBT6 和LoRa SX1268 無線傳輸模塊，兩者使用片內(nèi)SPI 總線直接通信，有效降低線路上功耗損耗。 其MCU 支持低功耗運(yùn)行、睡眠、停止模式，其中停止模式下電流低至6uA；LoRa 部分支持無線發(fā)射功率2dBm～19dBm 范圍可調(diào)，高接收靈敏度，成功解調(diào)的RSSI 可低至－140 dBm。 主控MCU 可集成LoRaWan 協(xié)議棧和用戶應(yīng)用程序，應(yīng)用Open-MCU 方案，用戶使用共享MCU 實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)編程，可節(jié)約一個(gè)用戶業(yè)務(wù)MCU，從而節(jié)約成本降低功耗。

XC30 引腳圖如圖2 所示，其中B10和B11為UART3 引腳與485 傳感器通信；ANT 引腳連接天線，A9、A10引腳為打印和配置串口，VDD 和GND 供電，A13、A14供程序燒錄使用；A3引腳為鋰電池電壓測量數(shù)模轉(zhuǎn)換AD 的輸入口，使用分壓電路測量R14電阻對(duì)應(yīng)的電壓值V，并有歐姆定律推出當(dāng)前鋰電池的電壓為測量值V 的11 倍。

圖2 XC30 引腳功能說明

②在傳感器選型方面，低電壓有助于降低系統(tǒng)整體功耗，485 傳感器選擇5 V 供電電壓；傳感器按需供電，選用磁保持型雙穩(wěn)態(tài)繼電器HFD2/005－M－L2 控制傳感器的電源通斷，磁保持繼電器無需持續(xù)電流來保持繼電器的狀態(tài)，僅用脈沖就可觸發(fā)開關(guān)操作，可避免為保持傳感器通電或斷電狀態(tài)，GPIO 持續(xù)拉高導(dǎo)致的放電功耗。 其外圍電路如圖3 所示，1－16 和2－15 是其兩個(gè)線圈，4－6－8 是5 V傳感器開關(guān)電路，9－11－13 是485 模塊開關(guān)電路，這兩個(gè)線圈(2－15、1－16)分別控制傳感器與485 模塊的開和關(guān)(狀態(tài)同步，同開，同關(guān))。 以關(guān)閉電路的場景(對(duì)應(yīng)圖3 左側(cè)電路)舉例:MCU 的B14引腳接CTRL＿OFF，通過觸發(fā)一次高電平脈沖，三極管Q1連通，線圈1－16 接通5 V 電源，引起繼電器觸點(diǎn)4(供電)和觸點(diǎn)6(懸空)吸合，導(dǎo)致傳感器5 V 供電斷開；引起觸點(diǎn)13(供電)和觸點(diǎn)11(懸空)吸合，導(dǎo)致485 模塊3.3 V 供電斷開。 同理，MCU 的B13引腳接CTRL＿ON，其高電平脈沖觸發(fā)Q2 導(dǎo)通，將引起觸點(diǎn)4 和觸點(diǎn)8、觸點(diǎn)13 和觸點(diǎn)9 吸合，傳感器和RS485 電路供電。

圖3 磁保持繼電器關(guān)閉傳感器電源電路

③供電方面，為延長終端的持續(xù)工作時(shí)間，在電源選擇上使用12 V 2 000 mAh 鋰電池降壓后為傳感器(降至5V)和XC30、485 模塊(降至3.3 V)供電。 DC－DC 降壓與LDO 均可實(shí)現(xiàn)直流降壓功能，根據(jù)兩者適合的場景，將鋰電池12 V 降壓到5 V，壓差大， 用轉(zhuǎn)換效率高的DC－DC 降壓模塊MP2315GJ，減少轉(zhuǎn)換損耗；5 V 降至3.3 V 使用LDO穩(wěn)壓器，壓差小，輸出電壓純凈噪聲干擾少，利于SX1268 穩(wěn)定工作。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

一次典型的數(shù)據(jù)采集發(fā)送周期:MCU 從停止模式啟動(dòng)，MCU 電平觸發(fā)繼電器線圈吸合為傳感器供電，終端按照傳感器RS485 查詢指令獲取到傳感器的采集數(shù)據(jù)，傳感器返回485 響應(yīng)后通過UART 接口發(fā)送給MCU，MCU 解析后成功后即可關(guān)閉繼電器線圈(傳感器斷電)，然后將數(shù)據(jù)封包發(fā)送給LoRa射頻，數(shù)據(jù)包發(fā)送完畢后，LoRa 進(jìn)入休眠模式，MCU進(jìn)入停止模式，等待下一次采集周期的到來。 圖4是終端從上電階段開始的工作流程圖。

圖4 AG21 工作流程圖

低功耗農(nóng)業(yè)通用采集終端的通用性體現(xiàn)在:統(tǒng)一終端版本(程序一致)，且不同終端可接入的485傳感器的種類和數(shù)量可各不相同。 由于不同485 傳感器的指令各不相同，而通用終端程序是無差別的，故將485 傳感器指令通過云端下發(fā)，由此實(shí)現(xiàn)終端版本的統(tǒng)一。 RS485 主從通信方式(終端主，傳感器從)，其“查詢—響應(yīng)”問詢方式如表1、表2。

表1 485 查詢指令格式(終端－>傳感器)

表2 485 響應(yīng)指令格式(傳感器－>終端)

終端消息時(shí)序圖5 所示，入網(wǎng)Join 成功后，發(fā)送注冊(cè)請(qǐng)求Register Request，云端根據(jù)終端串號(hào)DEVEUI 查找配置庫確定終端下接入傳感器的485 指令集，并將查詢指令(表1)的前六個(gè)字節(jié)(地址、操作碼、寄存器起始和長度) 作為注冊(cè)成功響應(yīng)Register Response，返回給終端(后兩個(gè)字節(jié)，CRC 校驗(yàn)碼由終端生成)，終端保存485 查詢指令到存儲(chǔ)器中，以便進(jìn)行周期查詢。 周期查詢獲得485 成功響應(yīng)后，截取響應(yīng)指令中(表2)的地址、寄存器長度和對(duì)應(yīng)的數(shù)值，按照?qǐng)D6 中應(yīng)用層的編碼格式通過Report Message 消息上報(bào)給云端。 上行消息發(fā)送完畢后，終端啟動(dòng)兩個(gè)等待窗口RX1 和RX2 用來接收云端下行的配置信息，下行配置信息包括:應(yīng)用層的數(shù)據(jù)上報(bào)周期配置，MAC 層的SF、TP 等無線參數(shù)配置及無線鏈路狀態(tài)測量等。

圖5 AG21 LoRa 消息時(shí)序圖

圖6 上報(bào)消息LoRa 幀格式含物理層、MAC 層、應(yīng)用層

2.3 終端功耗與工作時(shí)長計(jì)算

終端一次數(shù)據(jù)上報(bào)周期分為:休眠、傳感器預(yù)熱、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收四個(gè)階段，其中傳感器預(yù)熱時(shí)間由電化學(xué)傳感器的特性決定，即通電工作至穩(wěn)定的等待時(shí)長。 四階段時(shí)間累加，即終端一次工作時(shí)長式(4)；終端可持續(xù)工作時(shí)間按電池總電量與單次耗電量的比值計(jì)算[11]，式(5)。

休眠和預(yù)熱時(shí)間根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定，針對(duì)土壤墑情終端(土溫、含水量、電導(dǎo)率)來說，休眠時(shí)間Tsleep設(shè)定15 min，傳感器預(yù)熱時(shí)間Tpre取45 s；接收時(shí)長Trx是RX1 和RX2 兩個(gè)窗口的時(shí)間和，由[10]知兩個(gè)窗口時(shí)長分別是1 s、2 s。 計(jì)算數(shù)據(jù)發(fā)送Ttx時(shí)長，取LoRa 配置參數(shù)PL ＝14，CR ＝1，SF ＝7，BW＝125K，IH ＝0，DE ＝0，CRC ＝1；按照式(1)～式(3)計(jì)算得:Tsym ＝1.024 ms，Npl ＝24 Symbol，Ttx＝35.072ms，由式(4)，Tcycle＝900 ＋45 ＋0.035 ＋3 ＝948.035 s。

分別計(jì)算終端在上述四個(gè)階段的耗電量，根據(jù)電能電功公式(忽略電阻作用)，E＝UIT，電壓恒定，電流取平均值。 根據(jù)STM32 手冊(cè)[12]，STM32 的停止和低功耗運(yùn)行狀態(tài)的電流分別是1.0 μA 和6.72 mA；根據(jù)LoRa 射頻手冊(cè)[13]，SX1268 休眠、發(fā)送(22 dBm)、接收等待狀態(tài)的電流分別1.2 μA、107 mA、5.3 mA；傳感器工作電流使用四位半萬用表測得30 mA，由此計(jì)算一個(gè)周期內(nèi)各階段的耗電量，如表3，故終端一次數(shù)據(jù)上報(bào)的耗電量根據(jù)式(6)，得7.8866 J。

由表3 單次工作耗電量，傳感器占85.6%，MCU主控13.5%，LoRa 射頻0.9%，根據(jù)公式4 計(jì)算AG21(由12 V，2 000 mAh 電池供電)的工作時(shí)長，考慮到降電源降壓模塊的微小耗電以及繼電器開關(guān)瞬間的功耗，總工作時(shí)長應(yīng)略小于120 d。

表3 MCU、射頻、傳感器功耗計(jì)算

3 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

2021 年3 月中旬在南京江寧某藍(lán)莓種植果園部署土壤墑情終端AG21 計(jì)14 套，果園地勢起伏呈小丘陵?duì)睿嫉?10 畝。 基站部署到果園中央位置，天線高度3 m，終端分布在距基站1 km 半徑內(nèi)，基站和終端有遮擋非視距，圖7 為實(shí)施圖。 終端電量在6 月中下旬陸續(xù)耗盡，持續(xù)工作約100 d，圖8 顯示其中五個(gè)終端的電量(電壓)數(shù)據(jù)。 初始工作時(shí)各終端電池電壓有0.5 V 差異，電壓在10 V 左右急劇下降至不可用。 為了進(jìn)一步驗(yàn)證傳感器功耗對(duì)終端工作時(shí)長有重要影響，將2 號(hào)終端的預(yù)熱時(shí)長縮減為5 s，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期其電壓僅從12 V 降為11 V，說明提升傳感器的響應(yīng)時(shí)間、降低其功耗，可顯著提升終端工作時(shí)長。

圖7 果園15 套AG21 部署圖

圖8 終端電壓隨時(shí)間變化圖

按照文獻(xiàn)[6，14－15]的結(jié)論，發(fā)送功率TP 的選擇較SF 對(duì)功耗的影響小，故選擇合適的SF，減少數(shù)據(jù)發(fā)送Ttx時(shí)間，在此基礎(chǔ)上增大TP，提高基站接收的RSSI 值。 由于果園基站和各終端的直線距離均在1 km 內(nèi)，為滿足低功耗的要求，設(shè)置XC30 支持的最高數(shù)據(jù)速率(抗干擾能力最弱)SF ＝7，最大發(fā)送功率TP ＝19 dBm。 整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)丟包率不超過5%，信號(hào)強(qiáng)度RSSI 大于－100 dBm(高于LoRa 的信號(hào)接收靈敏度)，圖9 為基站側(cè)接收終端數(shù)據(jù)的信號(hào)強(qiáng)度(按天平均)，其中2 號(hào)、4 號(hào)、B 終端距離基站由近及遠(yuǎn)；4 號(hào)終端地處洼地，其信號(hào)質(zhì)量逐漸下降。 圖10 是4 號(hào)終端的原始信號(hào)強(qiáng)度分布箱線圖，后期RSSI 信號(hào)強(qiáng)度有所下降并在較大范圍內(nèi)波動(dòng)，分析原因有兩方面:(1)藍(lán)莓植株長高后，枝葉覆蓋了終端，影響信號(hào)的收發(fā)；(2)隨著電池電量減少，終端電壓降低于標(biāo)準(zhǔn)值(10 V 以下)，導(dǎo)致射頻部分不穩(wěn)。

圖9 基站側(cè)接收信號(hào)強(qiáng)度趨勢圖

圖10 單個(gè)終端信號(hào)強(qiáng)度箱線圖

4 結(jié)束語

終端AG21 應(yīng)用于丘陵果園的土壤墑情監(jiān)測，設(shè)置擴(kuò)頻因子SF＝7，減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)長，設(shè)置LoRa射頻發(fā)送功率TP ＝19 dBm，保證基站接收的信號(hào)強(qiáng)度；基站側(cè)信號(hào)強(qiáng)度RSSI>－100 dBm、信號(hào)接收成功率>95%，應(yīng)用12 V 2 000 mAh 鋰電池可持續(xù)工作100 d。 由此，AG21 可滿足實(shí)際農(nóng)業(yè)的要求，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定采集。 為延長終端的持續(xù)工作時(shí)長可通過選擇預(yù)熱時(shí)間短、功耗更低的傳感器，可安裝太陽能光伏板適時(shí)為終端充電。

由于目前LoRa 服務(wù)器默認(rèn)的速率自適應(yīng)算法ADR 只能降低SF 和TP，無法在鏈路質(zhì)量變差的情況下提高SF，計(jì)劃下一步根據(jù)前期試驗(yàn)積累的數(shù)據(jù)，提出基于信號(hào)感知的改進(jìn)速率自適應(yīng)算法，利用終端信號(hào)強(qiáng)度RSSI 和信噪比SNR，來優(yōu)化SF 和TP的分配策略，并在較大空間范圍、多種應(yīng)用場景下進(jìn)行驗(yàn)證。