基于ZigBee和LoRa技術(shù)的農(nóng)田種植監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型

摘 要：截至2023年底，中國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟第一產(chǎn)業(yè)增加值共計8.97萬億元，而糧食產(chǎn)量更是達到了1.39億斤。由此可見，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟在中國經(jīng)濟中占據(jù)較大比重，而如何繼續(xù)提升農(nóng)業(yè)經(jīng)濟產(chǎn)值尤為重要。調(diào)查顯示，國內(nèi)農(nóng)業(yè)種植大多以半自動化為主，而在農(nóng)田種植過程中，無法做到全面的數(shù)據(jù)監(jiān)控和降低損失，導(dǎo)致成本增加、收益減少。所以，農(nóng)田種植監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化成為提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和資源利用效率的關(guān)鍵?；诖?，提出了一種基于ZigBee和LoRa技術(shù)的農(nóng)田種植監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型，利用ZigBee短距離低功耗和LoRa長距離低功耗的優(yōu)勢優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，并加入權(quán)重網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來細化網(wǎng)絡(luò)信號和數(shù)據(jù)傳輸策略，提高了監(jiān)測系統(tǒng)的覆蓋范圍和數(shù)據(jù)傳輸效率。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)經(jīng)濟；ZigBee技術(shù)；LoRa技術(shù)；農(nóng)業(yè)種植；監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)；權(quán)重網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）06-00-04

0 引 言

2023年，全國糧食生產(chǎn)總量為13 908.2億斤，比2022年增加177.6億斤，同比增長1.3%，糧食產(chǎn)量已連續(xù)九年穩(wěn)定在1.3萬億斤以上。全國糧食播種面積將近17.9億畝，較2022年增加954.6萬畝，同比增長0.5%，從2019年以來連續(xù)四年增長。根據(jù)國家公布的數(shù)據(jù)可知，中國作為農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟是國家經(jīng)濟生產(chǎn)總值的重要組成部分，截至2020年，農(nóng)業(yè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)增加值為166 900億元，占國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）的比重為16.47%。其中，一、二、三產(chǎn)業(yè)增加值占比分別為46.8%、29.1%、24.1%，第一產(chǎn)業(yè)增加值規(guī)模最大、占比最高。由此可見，關(guān)注農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對國家發(fā)展尤為重要，而在種植生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)模式的改變對生產(chǎn)總量影響巨大[1]。在小農(nóng)經(jīng)濟模式下，農(nóng)民主要依靠人力和牲畜進行耕作，種植作物以糧食作物為主，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率較低。然而，隨著科技的進步和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的推進，中國的農(nóng)業(yè)種植模式發(fā)生了深刻變化。在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)經(jīng)濟模式下，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更加依賴機械化和自動化設(shè)備，種植作物也從單一的糧食作物轉(zhuǎn)向了多元化的農(nóng)產(chǎn)品，包括蔬菜、水果、花卉等[2]。這種轉(zhuǎn)變極大地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，也使農(nóng)民的收入得到了顯著提高。

文獻[3]提出了一種大田作物智慧種植目標(biāo)、關(guān)鍵技術(shù)與區(qū)域模式，它的核心思想在于將生物信息感知技術(shù)、信息移動互聯(lián)與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算技術(shù)與云服務(wù)技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析與決策技術(shù)、智能農(nóng)機裝備與農(nóng)業(yè)機器人技術(shù)相融合，并應(yīng)用到特色領(lǐng)域的種植模式，這種模式針對中國不同地域的不同問題，提出因地制宜的解決方案。而針對目前已經(jīng)具有較高信息化水平的種植模式來說，還應(yīng)該進一步研究，提出更綠色、更智能的種植模式。本文基于以上思想，提出了一種基于ZigBee和LoRa技術(shù)的農(nóng)田種植監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型，利用網(wǎng)絡(luò)通信優(yōu)化思想調(diào)控數(shù)據(jù)，通過WSN設(shè)備獲取元素數(shù)值并將數(shù)字化信息結(jié)果作為反饋機制反饋在硬件設(shè)備中，以達到降低成本和提高產(chǎn)量的目的。

1 多源傳感器網(wǎng)絡(luò)模型

多源無線傳感器（WSN）是當(dāng)下使用頻率較高的一種數(shù)據(jù)收集硬件，與傳統(tǒng)感知器相比，單個源傳感器可以獨立完成臨近感知對象的觀測，而多個傳感器可以完成大規(guī)模檢測任務(wù)[4-6]。它通常由傳感器節(jié)點、Sink節(jié)點以及外部網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，具有自組織、分布式以及可靠性較高等特點。除此之外，它還有著明顯的感知優(yōu)勢，如覆蓋范圍大、WSN設(shè)計成本低等。但是，其也有較為明顯的缺點，如節(jié)點資源有限以及存在時效性限制等問題。

針對上文所述問題，本文在以往的設(shè)計基礎(chǔ)上，增加了WSN的數(shù)值膨脹點傳輸算式，以解決在節(jié)點資源有限或避免時效性限制帶來的數(shù)據(jù)損失問題。

在對多源無線傳感器進行設(shè)計之前，設(shè)定其皆為同種結(jié)構(gòu)。假設(shè)所研究區(qū)域為三維大小A×B×C。其中，區(qū)域長為A、寬為B、高為C。區(qū)域內(nèi)檢測網(wǎng)格坐標(biāo)節(jié)點集合設(shè)為K{k1， k2， ...， kN}，N為無線傳感器個數(shù)，所有節(jié)點感知半徑設(shè)為R。每個無線傳感器節(jié)點坐標(biāo)設(shè)為k（xi， yj， zt），網(wǎng)格中節(jié)點集合設(shè)為M{m1， m2， ...， mn}，每個節(jié)點坐標(biāo)設(shè)為m（xi， yj， zt），則三維立體空間中任意一點與無限傳感器的距離可以表示為：

網(wǎng)絡(luò)空間中任意一點能夠被無線傳感器監(jiān)測到的概率為：

當(dāng)WSN節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)空間中任意一點距離小于R時，監(jiān)測概率P為1，代表能夠獲取該點的所有信息；否則P為0，代表無法捕獲該點的所有信息。

空間中聯(lián)合覆蓋率為：

基于以上信息，可以將所有無線傳感器節(jié)點的覆蓋范圍集成為整個立體空間的覆蓋程度，并用總覆蓋率表示：

為防止數(shù)據(jù)過載，避免數(shù)據(jù)因資源空間有限失去時效性，本文設(shè)計的數(shù)據(jù)膨脹點算式為：

式中：ui為WSN臨時緩存的大??；ft為某時刻或某時段獲取的上行數(shù)據(jù)量；l為過載數(shù)據(jù)量；kr為數(shù)據(jù)流化指標(biāo)值；wdataflow為當(dāng)前需要分流的數(shù)據(jù)量。

2 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)的靈感來源于蜜蜂的生物行為，蜜蜂通過“Z”字形飛行路徑軌跡來向同伴發(fā)出信號，信號包括事物的位置、距離以及種類等[7-8]。

2.1 ZigBee技術(shù)特點

（1）低功耗

ZigBee是一種適用于低功耗設(shè)備的技術(shù)，它類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方式，傳輸速率較低，而傳輸功率僅為1 mW，在數(shù)據(jù)量較少或者結(jié)束工作時，自身會采用休眠模式，甚至僅靠3 V電壓就可以保持1～2年的待機時間，大大節(jié)省了用電成本和計算成本。

（2）短時延、協(xié)議棧

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，通信數(shù)據(jù)從節(jié)點端口發(fā)出后能夠在極短時間內(nèi)到達中轉(zhuǎn)器，即使在休眠喚醒階段都可以保證時延在較低水平。除此之外，ZigBee網(wǎng)絡(luò)還包括眾多協(xié)議棧，如應(yīng)用層、匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層以及數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。應(yīng)用層、匯聚層的作用主要為支持多個設(shè)備正常通信，網(wǎng)絡(luò)層的作用為保證數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)鏈路層的作用為維護數(shù)據(jù)鏈路的正常傳輸，物理層的作用為保障數(shù)據(jù)與現(xiàn)實設(shè)備的交互。

（3）擴展性、可靠性、安全性

ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持的通信距離在75米到幾百米不等，并且可以在網(wǎng)絡(luò)中無線擴展。它可以由六萬多個無線傳感器組成大型數(shù)據(jù)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。另外，該技術(shù)還采取了避免碰撞技術(shù)，在每個數(shù)據(jù)包發(fā)往下一個端口時會檢查該線路是否堵塞，并且進行標(biāo)識，當(dāng)發(fā)現(xiàn)線路被占用時，必須等待接收方的確認信息。最后，ZigBee網(wǎng)絡(luò)還提供了基于循環(huán)冗余校驗（CRC）的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，并采用AES-128加密算法進行認證。

（4）自組織網(wǎng)絡(luò)、大容量

ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以自動形成互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)，輔助硬件設(shè)備對指定空間的監(jiān)測，而1個星型拓撲結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)至多可以容納254個從設(shè)備和1個主設(shè)備，1個單位區(qū)域最多可以同時存在100個ZigBee網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)之間可以靈活組合。

2.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)主要有星型拓撲結(jié)構(gòu)、樹狀拓撲結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)。

（1）星型拓撲結(jié)構(gòu)

星型拓撲結(jié)構(gòu)是最簡單的拓撲形式，它包含若干終端設(shè)備和一個協(xié)調(diào)器，而每個終端必須與協(xié)調(diào)器交互，它的缺點是適用于小型網(wǎng)絡(luò)，且協(xié)調(diào)器的狀態(tài)會影響整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信。星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（2）樹狀拓撲結(jié)構(gòu)

樹狀拓撲結(jié)構(gòu)中包含多個協(xié)調(diào)器、多個路由器以及多個終端設(shè)備節(jié)點，它的規(guī)則是路由器節(jié)點必須連接父節(jié)點和子節(jié)點，形成層級結(jié)構(gòu)后信息由下向上傳輸，適用于中型網(wǎng)絡(luò)。樹狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（3）網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)

網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，它由多個協(xié)調(diào)器、多個路由器以及多個終端設(shè)備節(jié)點組成，它掙脫原有的通信方式束縛，可以在路由節(jié)點之間直接通信，當(dāng)一條通信通道堵塞或者故障時可以通過其他轉(zhuǎn)接點鏈接到下一路由，增強了網(wǎng)絡(luò)抗性，適用于復(fù)雜的大型網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 LoRa技術(shù)

LoRa技術(shù)是一種低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)（LPWAN），是美國Semtech公司研發(fā)出的基于擴頻技術(shù)的超遠距離無線傳輸方案，目前在全球頻段免費運行[9-11]。

3.1 LoRa技術(shù)特點

（1）低功耗

LoRa網(wǎng)絡(luò)具備前向糾錯編碼技術(shù)，它顯著減少了數(shù)據(jù)段重發(fā)需求，解決了多徑衰落引發(fā)的誤碼問題，控制硬件設(shè)備的使用時間。同時，LoRa網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率范圍為幾十到幾百Kb/s，間接節(jié)省了使用成本。

（2）抗干擾能力

LoRa網(wǎng)絡(luò)中的調(diào)制器能夠在電子干擾的環(huán)境下使用擴頻因子實現(xiàn)較大范圍的無線數(shù)據(jù)傳輸，這也使得其可以在低信噪比環(huán)境下維持正常性能。

（3）頻率靈活、傳輸距離遠

LoRa網(wǎng)絡(luò)運行在ISM頻段，包括433 MHz、868 MHz、915 MHz等。在城市環(huán)境中，LoRa網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離可達到2～5 km，在郊區(qū)甚至可以達到15 km。LoRa網(wǎng)絡(luò)使用擴頻調(diào)制技術(shù)，通過低發(fā)射功率來獲取較遠的傳輸距離。

（4）高容量

一個普通的LoRa網(wǎng)關(guān)可以容納或連接成千上萬個LoRa網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

3.2 LoRa網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)架構(gòu)

LoRa網(wǎng)絡(luò)通常由終端設(shè)備、基站、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器以及應(yīng)用服務(wù)器組成，這些設(shè)備常以星型結(jié)構(gòu)連接，終端設(shè)備通過單跳與一個或多個網(wǎng)關(guān)通信，網(wǎng)關(guān)再連接服務(wù)器，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信閉環(huán)。網(wǎng)關(guān)在LoRa網(wǎng)絡(luò)中可以雙向通信，當(dāng)作數(shù)據(jù)的中繼器。

終端設(shè)備大體可以分為三種，第一種為雙向通信的終端設(shè)備，具有較低功耗，并在預(yù)設(shè)時間開放其他接口，保障基站的通信時間。第二種是具有預(yù)設(shè)接收時隙的雙向通信終端設(shè)備。第三種是具有最大接收窗口的雙向通信終端設(shè)備，它會持續(xù)開放接收窗口。

4 權(quán)重網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系的農(nóng)田種植模型

根據(jù)前文對ZigBee和LoRa技術(shù)的介紹，我們可以很清楚地認識到兩種通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)缺點。據(jù)此，我們在本節(jié)設(shè)計了一種基于ZigBee和LoRa的權(quán)重網(wǎng)絡(luò)，并將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點替換為WSN，最后結(jié)合農(nóng)田種植背景進行通信優(yōu)化。

4.1 基于ZigBee和LoRa的權(quán)重網(wǎng)絡(luò)

在如今的種植模式如大棚種植、間作種植等形式中，會面臨著資源利用率低下等問題，如作物在生長過程中需要水、硝酸銨、磷酸鈣、氯化鉀、陽光、氧氣以及二氧化碳等，這些指標(biāo)和作物生長過程息息相關(guān)。本文將這些元素利用權(quán)重策略轉(zhuǎn)換為可視化數(shù)據(jù)，并將農(nóng)田種植模型網(wǎng)絡(luò)分為內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)。其中，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)為短距離通信網(wǎng)絡(luò)，外部網(wǎng)絡(luò)為長距離通信網(wǎng)絡(luò)。權(quán)重分配見表1。

設(shè)置一個系數(shù)M，將每個元素的權(quán)重轉(zhuǎn)換為上行數(shù)據(jù)量。

式中：f為某元素在網(wǎng)絡(luò)中的上行數(shù)據(jù)量。

4.2 農(nóng)田種植模型通信優(yōu)化

在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中，將元素的數(shù)值配以權(quán)重后進行數(shù)據(jù)化處理，可以根據(jù)上行數(shù)據(jù)量分配具體通路，然后經(jīng)過路由器轉(zhuǎn)向外部網(wǎng)絡(luò)，由外部網(wǎng)絡(luò)鏈接服務(wù)器控制器。

圖4、圖5分別內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)主要以ZigBee技術(shù)實現(xiàn)，外部網(wǎng)絡(luò)主要以LoRa技術(shù)實現(xiàn)，這樣設(shè)計的好處是能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)流量細化，使得數(shù)據(jù)通信過程中農(nóng)田的數(shù)據(jù)流能順利被WSN捕獲，當(dāng)上行流量過大時，可以通過中繼器和路由器傳向外部網(wǎng)絡(luò)，由外部網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器群。

5 結(jié) 語

本文通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崟r監(jiān)測土壤化學(xué)成分、氧氣、二氧化碳等關(guān)鍵參數(shù)，從而更好地管理農(nóng)田。首先，本文介紹了ZigBee和LoRa技術(shù)的特點。ZigBee是一種低功耗、短距離通信協(xié)議，適用于小范圍的傳感器網(wǎng)絡(luò)。而LoRa則具有遠距離傳輸能力，適合覆蓋廣闊農(nóng)田的監(jiān)測。其次，在數(shù)據(jù)傳輸方面，本文重點強調(diào)了能耗優(yōu)化。使用ZigBee和LoRa技術(shù)，可以靈活選擇數(shù)據(jù)傳輸頻率，避免不必要的能量浪費。最后，提出了內(nèi)部、外部網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型。將農(nóng)田數(shù)據(jù)通信中的各類數(shù)據(jù)綜合考慮，以實現(xiàn)最佳的農(nóng)田監(jiān)測效果。

注：本文通訊作者為馮鋒。

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作者簡介：任慶欣（1999—），男，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用。

馮 鋒（1971—），男，博士，教授，研究方向為信息系統(tǒng)工程、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用。

收稿日期：2024-04-28 修回日期：2024-06-05

基金項目：寧夏自然科學(xué)基金重點項目（2024AAC02011）