面向智慧农业的物联网数据采集与传输终端的设计与实现.pdf

2023年/第8期 物联网技术可靠传输 Reliable Transmission490 引 言智慧农业是一种基于现代信息技术和物联网技术的高效农业生产方式，通过集成信息技术、传感器技术、自动化控制技术等手段，实现对农业生产全过程的全面监测、管理和优化，从而提高农业生产效率、降低成本、提高农产品质量和安全性1。农业种植大棚园区的智慧农业数据采集和数据传输存在通信距离远、功耗要求高的特点2，如果采用传统有线的方式实现则经济效益差、施工周期长、可维护性低3。LoRa是基于 Semtech 公司开发的一种低功耗局域网无线标准，其目的是为了解决功耗大与传输距离难覆盖的矛盾问题4。与ZigBee、WiFi 相比，LoRa 传输距离远、覆盖面积大；与移动网络相比，LoRa 数据传输成本低、功耗要求小；与其他Sub1G 的通信方式相比，LoRa 的抗干扰能力强。因此非常适用于农业种植大棚园区的数据采集与传输。本文设计了一种使用 LoRa 无线通信技术的数据采集与传输终端，将 LoRa 无线通信技术与采集控制单元结合到一起，通过 LoRa 自组网网络时钟同步协议将数据汇聚至网关与智慧农业管理平台进行交互，通过对数据的分析、处理，实现大棚资源的合理利用，降低生产成本，提高经营效率，改善生态环境，使农业按照人类需要的方向发展5。1 采集与传输终端自组网网络架构终端网络采用自组网设计，通过网关与智慧农业平台交互数据，可以实现大棚传感器数据采集，如温湿度、土壤温湿度、光照、二氧化碳等传感器，以及阀门、卷膜机、拉幕电机等设备的控制。网络架构如图 1 所示。图 1 网络架构2 终端的硬件设计终端硬件主要由 LoRa 模块、MCU、电源模块、数字量输入输出模块、RS 485 通信模块、旋转拨码开关模块构成，如图 2 所示。图 2 终端硬件结构LoRa 模块采用 EBYTE 公司的 E22-400M30S 模块，作为该部分的通信模块。该模块是以 SEMTECH 公司生产的全新一代 LoRa 射频芯片 SX1268 为核心，与 MCU 之间通过SPI 接口进行通信。MCU 使用 ST 公司的 STM32L431 芯片，面向智慧农业的物联网数据采集与传输终端的 设计与实现曲希源（西安理工大学 国际工学院 电子 H202 班，陕西 西安 710048）摘 要：针对农业种植大棚园区的数据采集及设备控制中存在的通信距离远、控制分散、功耗要求高的特点，设计了一种使用 LoRa 无线通信技术的数据采集与传输终端。该终端将低功耗的 LoRa 局域网无线通信技术与采集控制单元结合到一起，通过 LoRa 自组网网络时钟同步通信协议将数据汇聚至网关，最终实现智慧农业管理平台的数据交互。经实际测试结果表明，终端的功能、功耗、通信距离、误包率、速度能够满足使用要求，可以经济高效地实现农业大棚园区的自组网数据采集与传输控制，为实现农业种植大棚智慧管理提供了可靠的基础。关键词：LoRa；无线终端；时钟同步；智慧农业；物联网；数据采集；传输终端中图分类号：TP83 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2023）08-0049-02收稿日期：2023-05-27 修回日期：2023-06-23DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2023.08.012物联网技术 2023年/第8期 可靠传输 Reliable Transmission50该芯片有良好的低功耗性能，休眠功耗小于 1 A。RS 485总线用来连接各种传感器，数字量输入输出用来连接阀门、卷膜机等设备，实现设备的控制功能。3 LoRa 的自组网网络时钟同步通信协议设计传统的 LoRaWAN 是基于 LoRa 的无线自组网协议网关，设计复杂，成本高，终端入网需要网络服务器进行认证支持，在有控制及功耗需求的终端设备里，存在现有的开源实现对LoRaWAN 中 Class B 的支持不够完善的问题6-7。在分析本文应用场景特点的基础上，从 MAC 协议的机制算法优化、网内终端的能量均衡以及长周期休眠调度实现等方面开展研究，优化设计了一种时钟同步的 MAC 层协议的网络协议，可以实现单信道网关与终端进行通信，在降低成本的同时保证了终端的控制与降低功耗的目标。3.1 时钟同步协议介绍在无线传感器网络系统中，数据传输是产生传感器网络能耗的主要部分。一般来讲，1 比特信息传输距离所需要的能量大约相当于执行 3 000 条计算指令所消耗的能量。然而无线传感器网络 MAC 层协议决定无线信道的使用方式，在终端间分配有限的无线通信资源，是保证无线传感器网络进行可靠数据通信及节省能量的关键。为了避免 LoRa 终端间的数据碰撞，减少传感器网络能耗，在 MAC 层采用了时间同步协议，时间同步技术以保持网络中各终端时间同步运行为目的，是应用在终端周期性睡眠-唤醒调度机制、协作传输以及安全协议等场合的技术，并且时间同步精度直接影响其服务的质量。所有的终端在时钟同步后可以区分该网络的时间片，并在各自独立的时间片中和网关发送数据，减少了相互之间的冲突，避免了终端的能量损耗7。3.2 终端的时钟同步协议的实现时钟同步使用了有主终端的时钟同步技术，同步源为网关，时钟由网关的晶振及 RTC 产生，所有的终端都和网关的时钟进行同步，在工作时网关会通过移动网定期校准网关板载的 RTC 时钟，并将其当做时钟源，在发送数据帧时给数据帧打上发送时的时间戳。网关会周期性地向网络中发送数据帧，网络中的终端收到时间戳后校准自己的实时时钟，然后使用自身的 RTC 和晶振对网关时钟进行跟踪。而时钟同步校准机按同步方式可以分为：发送者-接收者（SRS）、接收者-接收者（RRS）和只接收（ROS）。其中 RRS 能耗较高，而 SRS 开销较大，综合考虑本文中 LoRa 网络的物理特性，使用了 ROS 作为校准机制。网关和终端上的时钟 CLK(t)都是由片上晶振输出触发计时器产生的，可以表示为：CLK()()CLK0tkttt=+d()0 （1）式中：为晶振的角频率；k 为比例系数，可以将计数器的计数转化为时钟的时间值。此模型可说明，晶振在物理时间区间 t0,t 内的频率、稳定性及时钟的初始设定时间 CLK(t0)能决定对应于物理时间 t 的时钟时间值。对上述关系式进一步抽象简化，可得：CLK()tt=+（2）式中，为时钟的斜率，并满足关系式 dCLK(t)/dt=。终端时钟与物理时间的对应关系如图 3 所示，图中直线的斜率被称为时钟斜率，可以表征片上时钟时间随物理时间变化的速率，最理想的斜率是 1，此时终端的时钟等于网关的时钟。但其受到制作工艺及温度、压力、电路电压等环境因素的影响，实际斜率不可能为 1。该斜率变化是一个轻微缓慢的过程8-10，在相邻时刻（如 tk与 tk+1）之间。网关和终端的时钟斜率保持为 i(k)，可以求得网关的时钟斜率为：gggkkkttkk()=+()()11 （3）终端的时钟斜率为：nnnkkkttkk()=+()()11 （4）终端与网关的本地时钟时间的相对斜率为：kkkkk()=+nng()()()()g11 （5）终端记录下连续两次采样时间即 tk和 tk+1时的网关时间戳 g(k)和 g(k+1)，以及自身的本地时钟。针对这两个采样时间的实时时钟 n(k)和 n(k+1)，就可以求得相对斜率(k)，终端可以通过该相对斜率不断修正自己的同步时间。终端与网关的本地时钟时间的关系如图 4 所示。图 3 终端时钟与物理 图 4 终端与网关的本地 时间的关系 时钟时间的关系综合使用低功耗时钟同步技术以及时钟斜率同步技术，能避免网关和终端之间的反复应答引起的网络开销以及能量损耗问题，同时实现数据的采集、传输与控制功能。经过实际测试，使用该技术可以将时钟同步精确到 1 ms 以内。（下转第55页）2023年/第8期 物联网技术可靠传输 Reliable Transmission55图 7 多区域部署4 结 语本文使用互联网最基础的 TCP/IP 技术设计出来的网络设备智能化管理系统框架不仅仅适用于自动化测试工厂、云测试环境等实验室环境，经过扩展后可以适用于任何通过TCP/IP 通信的设备和环境中。随着智能感知技术的快速发展，未来可以将网络设备智能化管理系统框架的应用扩展到物联网场景，以帮助大型企业和机构智能化管理多元化的资产信息。参考文献1 台宪青，吴梦悦，马玉峰，等.数据中心服务器资源监控系统的设计与实现 J.计算机应用与软件，2019，36（7）：14-20.2 鞠炜刚，欧林宝.基于环境资源自动匹配的云测试框架研究与应用 J.计算机应用与软件，2018，35（1）：32-37.3 王宁邦，徐博.一种网络设备信息管理及配置脚本收集系统 J.海南大学学报（自然科学版），2020，38（1）：27-37.4 金鑫.计算机应用技术与信息管理的整合 J.长江信息通信，2020，34（11）：321-333.5 王旭华.基于新形势下计算机网络的运行及维护措施 J.电子技术与软件工程，2020，9（22）：454-461.6 吴佩琳，李宏伟.基于分类算法的网络设备识别技术 J.长江信息通信，2020，34（12）：215-220.7 陶诗羽.基于 Web 的网络设备配置管理系统的设计与实现 D.北京：北京邮电大学，2018.8 何炜.网络系统综合运维管理平台技术研究 C/2019 年船舶电子自主可控技术发展学术年会论文集.南京：中国造船工程学会，2019.9 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