基于LoRa的数据传输技术的农业物联网系统探究

郝 兵

（河套学院，内蒙古自治区 巴彦淖尔 015000）

农业物联网系统的出现实现了农业生产操作智能化。我国是农业大国，但相对发达国家在农业上的智能化水准而言，我国在农业生产力及生产效率上还有一定的差距。“工业4.0”这一概念的出现证实了信息化、智能化管理的重要性，使得“农业4.0”的概念也相继涌现[1]。在这种背景下，我国于2016 年成立了LoRa 应用联盟。LoRa 是一种新型网络，在传输距离及传输方式上有了很大突破，从而使数据传输技术应用在农业物联网系统中。

1 农业物联网系统与LoRa数据传输技术

1.1 农业物联网

农业物联网是指应用各类型传感器，以各类型农业生产设备为载体，将农业生产中各类型具体事物信息转化为数字信息，并以互联网为基托形成一种网络。农业物联网的形成能够借助大数据技术实现定制化数据的采集与生产过程的监控，最终实现智能化管理。由于物联网中各类数据信息设备的数量异常庞大，因而常采用分层的方式应用物联网技术，一般会将其分成由各种传感器及传感器外联网络设备的感知层，用于将从传感器中收集到的数据借助相应协议发往服务器的网络层，以及为用户提供各种应用系统服务并帮助用户反馈的应用层[2]。当前，我国农业物联网在发展过程中获得了长足进步，各类型成熟的数据传输也得到了大量应用，但这些技术在传输距离上还具有一定的局限性。

1.2 LoRa数据传输技术

LoRa 是一种在1GHz 以下状态也能工作的，能够在低功耗的前提下实现超长距离传输的数据传输技术。该技术应用了星型网络架构，这种网络架构与早先的网状网络架构相比，具有延迟低、结构简单的优势，这也使得LoRa 芯片能够在很短的时间内完成网络组建任务，包括局域网和广域网，因此在协议上具有更高的实用性；而在通讯距离上，由于应用了线性扩频调制技术，LoRa 的链路预算峰值可达157 dB，这就意味着在寻常环境下其通讯距离能够达到15 km 及以上，如果场地足够空旷，这一距离还能有所提升。此外LoRa的自适应数据速率策略使得其功耗极低，休眠电流不超过200 nA，这意味着如果物联网中应用了LoRa，其设备电池使用年限可超过10 年，远超传统网络通讯协议的水准[3]。由此可见，LoRa 是一项具有众多优势、较高性价比与可行性的有效技术。LoRa与其他各类型无线传输技术的参数见表1。

表1 几种无线传输技术的参数对照Tab.1 The parameters of several wireless transmission technologies

2 农业物联网系统中基于LoRa数据传输技术的研究

2.1 农业物联网体系架构

完整的物联网体系分为感知层、传输层、应用层，其中构成感知层的主要内容是各类型传感器（包括温湿度传感器、光照传感器等）以及数据上传结构，从其类型上可看出传感器用于收集环境信息，而数据上传结构则负责将收集到的信息上传；传输层负责连接感知层与应用层，其主要功能是将传感器中收集到的数据利用网络上传至应用层；应用层则通常包括了应用平台、基础平台及各类型应用系统，用于展示相关数据信息并为工作人员提供操作方式与渠道[4]。整个农业物联网体系架构，见图1。

图1 农业物联网体系架构Fig.1 The architecture diagram of agricultural internet of things

2.2 无线传感网络

当前无线传感网络被认为是继互联网之后的第二大网络。与互联网不完全相同，无线传感网络涉及到的领域包括嵌入式、无线通信技术、传感器技术及分部信息处理等，当前无线传感网络的发展已经经历了3 个阶段，显然随着其发展会涉及到的领域越来越多。无线传感网络中通常包括采集、汇聚、管理3 类节点，在相关通信协议的支持下，不同节点之间能够自行组网构成传感器网络，其基本工作流程是由监控区域内部署具有随机性的大量采集节点收集数据并上传至汇聚节点，在汇聚节点经过分析之后传输至管理节点，而用户则可通过管理节点实施相应操作。

2.3 扩频通信技术

无线通信技术经历了模拟无线通信、数字无线通信技术之后发展至扩频通信技术。扩频通信技术的出现是为了有效解决多路径造成的信号衰退及噪声，此外还能实现加密与抗干扰，进而使得通信信号质量大幅提升。扩频通信的实质是将信号扩展到大幅超过数据体积的带宽上进行传输，待传输的信息被调制后与扩频信号频谱实现有效结合，再经过射频调制由天线负责发送，而接收端则需要通过变频、扩频解调、信息解调一系列方式还原信息。扩频通信的理论依据来源于香农的信道容量公式：

式中：C——信道容量，B——信道带宽，S——信号功率，N——噪声功率。

在面对典型的干扰环境时，S/N＜1，因此可采取将对数底数更换为e并应用幂级数展开的方法得到如下公式：

结合公式中内容可了解到，在一定程度上提升带宽能有效控制信噪比，也就能够实现通信质量的提升，扩频通信正是应用了这一方式来换取信噪比的有效控制。

2.4 LoRa扩频调制通信

原理上LoRa 的扩频调制是将用户数据与扩频数据进行异或运算，进而获得增加带宽的发送数据。这种做法能够获得通信质量的有效提升，但前提是借助数据手册内容对相关参数进行有效设置。这部分参数包括信号带宽、扩频因子、编码率。通常情况下，信号带宽与有效数据速率呈正比例关系，与数据传输时间呈反比例关系，但实现这一内容需要在一定程度上牺牲接收灵敏度。信号带宽的提升能够作用于通信质量的提升，而LoRa 应用的是双边带宽，其带宽峰值谷值区间为500～7.8 kHz，且不同带宽在通信速率上也有差距。LoRa的扩频因子来源于码片速率与符号速率的商，其中符号速率是指扩频信息发出的速率。在扩频的有效影响下，原本以一位为表示方式的信号会变成多位，进而实现信号质量的提升。编码率则用于表示数据中有价值信息的比重，对编码率的有效设置以提高信息冗余为主，其目的是获得信息质量的有效提升。

2.5 LoRa的数据收发任务

LoRa 在进行数据发送时会从标准工作模式切换到发送模式，在这个过程中会将数据写入到发送队列，之后写入好的数据会被有效发送。在有效发送进行完毕之后，LoRa的数据发送序列会自行判断是否出现新的发送，如果有就重复上述过程；如果没有，发送序列会自行返回原有的标准模式。

相比发送序列，LoRa 的接收序列复杂性更高，在功能上对单次接收与连续接收进行了区分，单次接收会出现等待接收中断的过程，一旦确实出现接收中断就会对已接收的数据进行处理，如果在规定时间内没有接收到数据，就会做出接收超时的判断。而连续接收模式则长时间处于等待接收的状态下，完成上一次接收之后会重新等待下一次接收。

3 结语

LoRa的技术特征与其各方面参数表现，意味着这种技术在农业物联网中具有较高的契合性。在应用了扩频通信原理之后，LoRa 在传输性能上的表现十分优越。可以确信的是，随着我国科技能力的逐步发展，LoRa 作为一种优秀的通信传输技术有很大可能被广泛应用于农业物联网中，进而推动农业生产产值及智能化水准的提升，有效作用于我国农业的信息化发展与综合实力的强化。