基于 LoRa 技术的葡萄园监管模型

引 言

随着信息技术的迅猛发展，通信方式发生了前所未有的巨大转变。近年来，无线通信技术不断改进与创新 [1]，物联网产业也正飞速崛起。物联网应用中主要的无线通信技术有多种，按通信距离可分为两种 ：一种是近距离无线局域，包括 ZigBee，Z-wave，BlueTooth，NFC 等 ；另一种是远距离无线广域，包括宽带广域网（WAN）、窄带广域网（LPWAN）等。其中，LPWAN 又称为低功率广域网，LoRa 技术正是该技术领域的一项核心技术。由于 LoRa 技术具有成本低、功耗小、部署简单、通信范围广的特点，因此将该技术运用于葡萄园监管上，以实现更高效的信息传输效率。

1 模型中的关键技术

本文利用物联网技术，构建融合多种传感器与 LoRa 技术的葡萄园监管物联网模型，并设计基于该模型的葡萄园监管系统。

1.1 LoRa 技术概念

低功耗广域网技术是国际上一种革命性的物联网介入技术 [2]。LoRa 是一种基于线性调频扩频的调制技术 [3]。目前， LoRa 芯片只由美国提供，该技术拥有通信距离广、功耗低的特点，解决了过去人们在传输距离与电池寿命间的两难选择。本质上来说，LoRa 技术是一种将前向纠错编码技术与数字信号处理技术融合在一起的技术 [4]。扩频调制示意图如

图 1 所示。

LoRa 有两种不同的协议栈 ：一种是 LoRaWAN，适用于移动网络，并且目前在欧洲各国发展比较快 ；另一种则是适用于企业与工业的 Symphony Link。LoRaWAN 是由 LoRa 联盟制定的一系列开放标准。与大多数网络采用网状结构不同，在多种网络拓扑中 LoRaWAN 最常选用的是星型网络拓扑，但与传统星型网络不同，每个终端节点不只与一个网关通信，可选择多个网关同时传输数据 [5]。LoRaWAN 的基本架构包含 LoRa 服务器、LoRa 网关及终端设备三个通信实体。LoRaWAN 基本结构如图 2 所示。

1.2 LoRa 技术特点

1.2.1 低功耗

低功耗对于无线传感网意义重大，尤其是对于大范围随机布置的传感器节点，替换电池不具有实现可能。LoRa 是LPWAN 的一个分类。对于一个 LoRa 网络而言，终端的续航时间（即寿命）决定了整个系统的工作周期 [6]。它利用啁啾扩频（CSS）技术，针对能量限制传感器的 LoRa 网络协议做出优化，大大降低了传送数据的功耗。另外，LoRa 终端拥有 Class A/B/C 三种工作模式，其中最常用的是 Class B 模式，该模式最大的优点在于可充分利用周期性时隙接收服务器端的数据。B 类终端在功耗上会略大于 A 类，因为它兼容 A 类终端，并且为了保持与整个网络的同步状态，B 类终端支持接收下行信标信号，便于在终端接收的时间上对信息进行有效监听。与前两类工作模式相比，C 类模式在终端与服务器通信时的时延最小，其接收数据窗口始终保持打开状态，因此其功耗远大于另外两种模式。无论采用哪种模式，与 NB-IoT 等现行技术相比较，LoRa 技术在功耗方面都具有可观的优势，一枚纽扣电池便足以支撑一个终端一年的工作。

1.2.2 低成本

由于终端内不需要添加 GNSS 模块，通信模块成本较低， 加上射频芯片和加工费用，一个 LoRa模块的总价格不高于 7美元，且 LoRa使用的频段是未经授权的，不需要接入运营商网络而产生流量费用，因此能大大降低部署 LoRa网络的成本，有利于大批量采购与使用。

1.2.3 覆盖范围广

LoRa 是一种工作在低于 1 GHz 网络频段下的通信技术， 传输距离与系统的带宽利用率、信噪比、发射功率以及环境条件等因素息息相关 [7]。LoRa 采用的是无线扩频技术，影响其信息传输距离的因素主要是终端发射机的功率大小与LoRa 接收模块的灵敏度，而扩频因子和接收信号的带宽又是影响其灵敏度的两个重要因素。现有研究表明，通过改变 LoRa 模块内接收天线的金属覆盖度可提高信息传送的距离，在无遮挡物的情况下，最远传输距离能达到 8 ～ 10 km。LoRa 在扩大通信范围的同时，依旧将与 FSK 调制相同的低功耗特性保持了下来 [8]。

1.2.4 抗干扰能力强

香农公式为 ：

C=B log2（1+S/N）

式中：C 为信道的极限传输速率；B 为信道带宽（以 Hz 为单位）；S 为传输信号的平均功率；N 为信道内部的高斯噪声功率，S/N 为信噪比。由于 LoRa 采用的是无线扩频技术， 其信道带宽较宽，即 B 的取值较大，因此，即使 S/N 很低， 终端接收到的信号中存在大量的噪声，通过该技术仍然能得到正确的原始信息。LoRa 技术相较传统的 FSK 或 OOK 调制技术拥有绝对优势，并且在数据传输时穿透能力强[9]。

1.2.5 部署简单 / 易于维护

大多数 LoRaWAN 采用星型网络架构，工作模式简单， 配置灵活。各个节点的信息可由中心节点进行维护，出现故障时容易检测与隔离。从目前 LoRa 技术的应用情况来看， 其已在城市管理、智慧社区等较多领域得到了应用 [10]。

2 监管模型概述

基于 LoRa 技术的葡萄园监控模型搭建步骤为 ：

（1）在葡萄园内布置温湿度等传感器，在葡萄园区边界布置 RFID阅读器以及红外对射设备，用于采集葡萄园内的环境信息以及进出园区人员信息 ；

（2）LoRaWAN将终端采集到的数据远距离传输到云服务器，管理者从服务器端获取数据 ；

（3）管理者的客户端还有一套基于 BP神经网络的预警系统，结合 LoRaWAN收集的葡萄园中的一系列数据，能够对葡萄园中的温湿度等环境因素进行自动调节，并且对非法人员的闯入能够自动报警。

基于 LoRa 技术的葡萄园监管模型如图 3 所示。

图 3 基于 LoRa 技术的葡萄园监管模型

该模型的创新点主要有以下几点 ：

（1）科学性

对 LoRa 技术与多传感技术进行深入研究后，将两者的优势结合起来，发挥 LoRa 网络低功耗、范围广的优势，各种传感器采集到的信息通过 LoRa 节点发送至网关，再由网关发送至云服务器，实现无线低功耗网络通信技术支持的葡萄园监管系统。

（2）实时性

各环节通过无线网络连接到物联网数据库，可将葡萄园区的数据实时上传至数据库，利用信息的接收与发送能够实时了解园区中的环境信息、人员信息、过程监控软件信息， 在远距离的监控地点可实时监控园区内状况。

（3）动态性

该监管系统可以通过智能决策改变园区内的环境，大大节省了人力资源，也避免了人为疏漏带来的风险。

（4）长期性

LoRa 节点采用无线扩频技术，能耗低，响应时间快，平均故障发生率低，一般 5 ～ 8 年更换一次电池，提升了系统稳定性。

（5）创新性

该模型采用的 LoRa 技术在国内刚刚起步，较传统通信技术有其特有的优势，且在智能决策环节中运用了 BP 神经网络，从而系统能够自动改变葡萄园内环境。

3 相关功能实现

（1）模型数据采集端需要获取的数据

模型数据采集需获取种植环境的监管（温度、湿度、光照、CO2 浓度等）信息、预计采摘时间、果园进出人员信息。

信息采集的方法如下。

环境信息的采集 ：在园区内布置温湿度、光照等传感器， 用来感知葡萄园内实时环境状况。

人员信息的采集 ：在园区边界布置 RFID 阅读器与红外对射装置，进出园区的人员都必须佩戴对应其身份的 RFID 标签，在人员跨越边界时进行信息的采集与预警。若未佩戴 RFID 标签，并且触发了红外对射装置，则自动发出警报 ； 若佩戴了相应标签，则记录人员信息。

（2）数据传输

整个过程结合 LoRa技术，对以上信息进行采集并远距离传输到云服务器，上位机从服务器端获取数据，处理完数据后再将指令信息发送回终端。

（3）信息处理

系统利用 BP 神经网络，并结合实时反馈的环境变量的数据进行预警，判断哪些环境因素会对葡萄的生长带来不良影响，从而做出调整。

4 结 语

本文利用物联网技术搭建了一个基于多传感融合的物联网架构，集成 LoRa 技术的葡萄园监管物联网模型，并设计了基于该模型的葡萄园监管系统，为园区的管理人员提供更加方便智能的管理手段，并可通过智能决策修改环境因子，令其更适合葡萄生长，且减少在种植葡萄期间因为人为疏漏而影响其最终品质的现象发生，使葡萄园内的实时环境信息、人员信息等可以及时地反馈至管理人员。利用 LoRa 技术不仅可以使监管场所远离偏远的种植地区，还能大大降低通信成本。通过现代化技术种植出高品质葡萄和其他相关产品，可提升企业的品牌形象和价值，树立行业标杆，打造核心竞争力。