面向大面积渔业环境监测的长距离低功耗LoRa传感器网络
开发基于Lora的智能农业监控系统
开发基于Lora的智能农业监控系统随着科技的不断发展，智能农业监控系统正在逐渐改变传统农业的方式。
传统农业依赖于人工的经验和劳动力，效率低下且容易出现问题。
而基于Lora技术的智能农业监控系统可以实时监测和控制农田的各项参数，提高农作物的种植效率和质量，为农民提供更好的农业生产环境。
一、Lora技术简介Lora（Long Range）是一种以低功耗、长距离通信为特点的无线通信技术。
与传统的无线通信技术相比，Lora具有更长的通信距离和更低的功耗。
这使得Lora成为智能农业监控系统的理想选择。
通过Lora技术，传感器节点可以远离基站，实现对大面积农田的监测。
二、智能农业监控系统的组成智能农业监控系统由多个组件组成，包括传感器网络、数据处理与分析平台以及控制设备。
传感器网络用于收集农田的环境参数，如温度、湿度、土壤质量等。
这些传感器通过Lora技术将数据传输给数据处理与分析平台。
数据处理与分析平台可以对数据进行实时分析和处理，提供给农民决策参考。
同时，该平台可以根据收集到的数据控制各种设备，如灌溉系统、温室控制系统等。
三、智能农业监控系统的功能智能农业监控系统具有多种功能，旨在提高农业生产效率和农作物品质。
首先，该系统可以实时监测农田的环境参数。
传感器节点可以随时收集土壤温度、湿度等参数，农民可以通过移动设备随时查看这些数据。
其次，该系统可以自动控制农田的灌溉系统。
通过与气象数据的结合，系统可以根据农田的水分状况自动调整灌溉策略，避免水分过剩或不足。
此外，该系统还可以自动控制温室内的温度和湿度，以提供最适宜的生长环境。
最后，该系统可以通过数据分析提供决策支持。
通过分析历史数据和当前数据，系统可以给出最佳的农作物品种、播种时间等建议。
四、优势和挑战基于Lora的智能农业监控系统相比传统农业具有多项优势。
首先，该系统可以减少农作物的病虫害发生率。
通过实时监测土壤和气候条件，农民可以迅速发现异常情况，采取相应措施，提前预防病虫害的发生。
基于LoRa的低功耗温度采集传感器系统设计
第41卷第1期Vol.41㊀No.1重庆工商大学学报(自然科学版)J Chongqing Technol &Business Univ(Nat Sci Ed)2024年2月Feb.2024基于LoRa 的低功耗温度采集传感器系统设计印㊀华,方㊀挺,董㊀冲,胡祥翱安徽工业大学电气与信息工程学院,安徽马鞍山243000摘㊀要:针对工业高炉冷却水温监测长期运行㊁维护成本高问题,设计一种基于LoRa (Long Range )的远距离低功耗无线传感器网络系统;系统搭建基于LoRa 通信水温采集终端的模块能耗计算模型,通过对计算模型分析,提出了一种基于LoRa 协议层的时钟同步协议和时分多址联合优化的无线通信策略;该策略利用LoRa 通信技术完成信息交互,实现网关与终端节点的高精度时钟同步;网关完成可对无线资源调度,动态分配终端节点的时隙资源,以实现数据周期性上传,降低数据传输碰撞的概率,并优化无线资源的使用效率;实验表明,该通信策略与ALOHA 通信协议相比,显著提高了通信的投递率和能源效率,进一步提高了LoRa 在网络中的性能,所提出的联合优化的无线通信策略是有效的㊂关键词:LoRa ;无线传感器网络;能耗模型;通信策略中图分类号:TN914;TP212㊀㊀文献标识码:A ㊀㊀doi:10.16055/j.issn.1672-058X.2024.0001.007㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2022-08-02㊀修回日期:2022-11-23㊀文章编号:1672-058X(2024)01-0053-07基金项目:安徽工业大学校青年基金(QZ202109),安徽省工业互联网智能应用与安全工程实验室开放基金(IASII21-05).作者简介:印华(1995 ),男,安徽马鞍山人,硕士研究生,从事嵌入式研究.通讯作者:方挺(1975 ),男,安徽马鞍山人,教授,博士,从事嵌入式和计算机视觉研究.Email:flyting_69@.引用格式:印华,方挺,董冲,等.基于LoRa 的低功耗温度采集传感器系统设计[J].重庆工商大学学报(自然科学版),2024,41(1):53 59.YIN Hua FANG Ting DONG Chong et al.Design of low power temperature acquisition sensor system based on LoRa J .Journalof Chongqing Technology and Business University Natural Science Edition 2024 41 1 53 59.Design of Low Power Temperature Acquisition Sensor System Based on LoRa YIN Hua FANG Ting DONG Chong HU XiangaoSchool of Electrical and Information Engineering Anhui University of Technology Auhui Maanshan 243000 ChinaAbstract Aiming at the problem of long-term operation and high maintenance cost of industrial blast furnace cooling watertemperature monitoring a remote low-power wireless sensor network system based on LoRa Long Range was designed.The system built a module energy consumption calculation model based on LoRa communication water temperature acquisition terminal.Through the analysis of the calculation model a wireless communication strategy based on the clock synchronization protocol of LoRa protocol layer and the joint optimization of time division multiple access was proposed.This strategy used LoRa communication technology to complete information interaction and achieve high-precision clock synchronization between gateway and terminal node.The gateway completed the scheduling of wireless resources and dynamically allocated the timeslot resources of terminal nodes so as to realize the periodic upload of data reduce theprobability of data transmission collision and optimize the use efficiency of wireless resources.The experiment showed that this communication strategy significantly improved the delivery rate and energy efficiency of communication compared with ALOHA communication protocol and further improved the performance of LoRa in the network.The jointly optimizedwireless communication strategy proposed in this paper is effective.Keywords LoRa wireless sensor network energy consumption model communication strategy重庆工商大学学报(自然科学版)第41卷1㊀引㊀言在物联网[1]技术迅速发展的时代背景下,越来越多的工业设备更加智能化和信息化㊂如今,物联网技术已经应用到工业制造㊁农业监测㊁医疗器械等多个领域,利用通讯技术对传感模块的感知数据进行数据传输和远程控制,使整个工业生产过程变得更加安全化和高效化㊂随着物联网的广泛应用,低功耗和低成本的通信技术对物联网应用和服务的发展产生了深远的影响㊂相比于熟知的低功耗蓝牙(BLE)㊁ZigBee和WiFi等技术,低功耗广域技术(LPWA)的传输距离更远,其链路预算可达到160dBm,而BLE和ZigBee等在100dBm 以下㊂和传统蜂窝网络技术(2G,3G)相比,LPWA的功耗更低㊂LPWA中LoRa[2-3]通信技术具有低功耗,覆盖广㊁低成本等特点,传输距离可达3km[4],使其成为物联网产品的热门选择,例如:智能计量㊁智能农业㊁智能停车等㊂除这些优势以外,LoRa也有一些问题和不足之处㊂最主要问题是,使用ALOHA类型的协议,导致了高电池耗电量和低可靠性,并限制了在LoRaWAN(LoRa Wide Area Network)网络中控制场景的应用程序㊂张琴等[5]将LoRa应用于水产养殖水质监测,通过设置不同的发射功率,并在MAC(Media Access Control)层使用无竞争时分多址协议,实现降低传感器节点功耗的目的,使其在功耗上优势明显,但发射功率会影响传输距离,对于较远距离传输会存在数据丢包问题㊂李时杰等[6]将LoRa应用于电气设备的温湿度监测,利用器件的低功耗特性降低终端的功耗㊁利用微控制器(Micro Controller Unit,MCU)端口对传感器供电电源进行控制,以达到降低功耗的目的,但是未对LoRa网络性能进行优化㊂岳云涛等[7]将LoRa应用于电气火灾预警,通过对收发器的休眠机制来降低探测器的功耗,但是通过单一的休眠机制来控制功耗,在数据层面和硬件层面的结合应用相对较少㊂在无线传感网络(Wireless Sensor Networks,WSN)中,MAC的性能直接影响到整个网络的性能,不同的设计目标和应用场景也导致了其侧重点不同,其主要考虑的是能耗㊁信道的利用率㊁数据冲突等问题㊂一些研究只是通过单一的休眠机制来控制功耗,缺少在硬件低功耗设计和LoRa网络性能优化㊂为了减少上行通信所带来的能耗,一般采用减少数据收发频率的策略,但是忽视了监测所需的实时性㊂对于类似数据融合和事件监控等应用程序,上行通信的时隙资源调度[8]显得尤为重要㊂2㊀系统采集与传输架构设计高炉冷却水温监测系统[9]主要由数据采集和数据传输两部分组成,系统模型如图1所示㊂其中,数据采集层主要包括传感器模块㊁主控制器和LoRa模块等,构建了由锂电池供电的低功耗采集装置㊂网关主要由主控制器模块㊁LoRa模块组成㊂系统具备了实时数据采集㊁无线传输㊁数据存储等功能,实现了对高炉冷却水温度情况的分布式监控和集中管理㊂数据采集层1#高炉冷却水2#高炉冷却水采集终端网关上位机图1㊀系统模型Fig.1㊀System model采集终端将采集的温度信息通过LoRa通信模块将数据发送到网关;网关将接收到的数据经过处理后,通过串口上传至上位机㊂当检测的水温情况出现异常或者锂电池电压过低,则会触发警报事件中断㊂此时,单片机控制LoRa发送报警信息,使工作人员能够及时了解情况㊂提供了稳定且可靠的水温监测与异常警报方案㊂2.1㊀采集终端设计采集终端主要以温度采集和数据传输为主,包括传感器模块㊁主控制器模块㊁无线通信模块㊂如图2所示㊂传感器模块主控制器模块无线通信模块温度传感器R T D数字转化器S P I通信S T M32L151单片机S P I通信L o R a模块M O S关断电路高精度时钟I I C通信电源管理模块A D C图2㊀采集终端硬件结构图Fig.2㊀Hardware structure diagram of the acquisition terminal45第1期印华,等:基于LoRa的低功耗温度采集传感器系统设计传感器模块主要是检测和响应来自现场环境的输入,以50Hz的频率进行采样㊂输入信号通过RTD (Resistance Temperature Detector)数字转化器将模拟信号转化为数字信号,然后将数字信号以SPI(Serial Peripheral Interface)通讯协议发送给单片机㊂由于工业现场环境复杂,大多采用锂电池供电,则对采集终端的功耗提出了严格的要求㊂故选择以Cortex-M3内核的STM32L151芯片作为主控芯片,STM32L系列有5种低功耗模式㊂主控制器模块负责接收传感器模块采集转换后的数字信号,并将数据进行滤波与均值处理,最后将这些数据传送给LoRa模块㊂一旦完成数据处理,处理后的数据通过无线通信模块进行发送㊂无线通信模块选用安信可Ra-02,基于SX1276射频芯片开发,主要采用LoRa远程调制解调器,用于超长距离扩频通信,抗干扰能力强,拥有良好的抗多径衰落性能㊂为了达到低功耗的设计要求,对于传感器模块,并不需要其长期待机工作㊂当单片机进入低功耗模式时,用MOS关断电路切断其供电,从而降低该模块所耗费的功耗㊂由于采集终端布置在工业现场,其工作环境恶劣,温度㊁振动等其他环境因素会影响单片机的时钟精度,间接影响LoRa的时间同步和定时上报㊂所以,选用外部低功耗高精度时钟芯片RX8010SJ,其待机电流仅为160nA,满足低功耗的实际需求㊂2.2㊀采集网关设计依据实际需求,网关的硬件设计与终端具有一定差异化㊂首先,供电方式不同㊂网关由USB供电,对于功耗要求不高;其次,环境不同㊂网关放置在监控中心,不必考虑复杂的工作环境;最后,功能不同㊂网关将接收的数据进行转换输出,不包含采集数据的功能㊂网关的硬件主要包含无线通信模块㊁主控制器模块以及有线通信模块,如图3所示㊂L o R a模块有线通信模块主控制器模块无线通信模块S P I通信S T M32F103单片机U S B转接芯片图3㊀采集网关结构图Fig.3㊀Structural diagram of acquisition gateway网关主要通过LoRa模块接收采集终端的数据,经主控制器将接收到的数据包转化成相应的协议输出㊂通过USB转串口,将数据上传至上位机㊂3㊀采集终端能耗计算模型为了研究节点的能耗,对采集终端进行建模分析[10]㊂分析终端的不同工作模式,然后计算个模式的消耗能量,并推导出消耗能量模型㊂研究中,所有的模块都在3.3V下供电㊂传感器在一个数据上报周期内消耗的总能量由式(1)表示:E T=E S+E W(1)其中,E S和E W分别为MCU在休眠模式下和工作模式下的能量损耗㊂E work为采集终端各部分的能耗的总和㊂如式(2)所示:E work=E w+E a+E d+E Tx+E Rx(2)式(2)中,E w㊁E a㊁E d㊁E Tx㊁E Rx为MCU唤醒㊁传感器数据采集㊁MCU数据处理㊁LoRa发送和LoRa接收中消耗的能量㊂由于采集终端多数时间处于休眠状态,在工作之前,MCU先进行系统唤醒,然后通过GPIO引脚控制MOS关断电路,使电源给传感器模块供电㊂在唤醒持续时间所消耗的能量E w如式(3)所示:E w=P on(f MCU)㊃T w(3)式(3)中,P on(f MCU)和T w分别为MCU消耗的功率和唤醒持续时间,f MCU为MCU的频率㊂当传感器进行数据采集时,损耗能量E a如式(4)所示:E a=(P on(f MCU)+P a)㊃T a(4) P a和T a分别为数据采集消耗的功率和持续时间㊂在测量完成后,微控制器继续进行数据处理㊂持续时间取决于微控制器的工作频率和指令数㊂式(5)中,计算微控制器所消耗的能量:E d=P on(f MCU)㊃T d(f MCU)(5) LoRa发射模式所消耗的能量E Tx如式(6)所示:E Tx=(P on(f MCU)+P Tx)㊃T Tx(6)式(6)中,P Tx为发射模式下的功率损耗,T Tx为其持续时间㊂T Tx如式(7)所示:T Tx=N bit㊃T bit(7) N bit和T bit分别为传输的比特数和传输一个比特数的时间㊂LoRa接收模式所消耗的能量E Rx如式(8)所示: E Rx=P on(f MCU)+P Rx()㊃T Rx(8)式(7)中,P Rx为接收模式下的功率损耗,T Rx为其持续时间㊂微控制器在工作模式下所消耗的能量由式(9)55重庆工商大学学报(自然科学版)第41卷表示:E MCU=P on(f MCU)㊃T MCU(f MCU)(9)其中,T MCU(f MCU)为微控制器的工作时间,由式(10)表示:T MCU(f MCU)=T w+T a+T d(f MCU)+T Tx+T Rx(10) 4㊀基于LORA的通信策略在高炉冷却水温度监测系统中,既需要周期性上传冷却水的温度数据,也需要实时上传紧急异常数据㊂当检测的水温情况出现异常或者锂电池电压过低,会触发警报事件中断,需要发送紧急信息㊂对于周期性上传的数据,LoRa通信使用ALOHA协议,当多个数据包同时发送时,会造成数据冲突发生丢包㊂为了提高网络可靠性和数据实时上传,采用了时分多址技术进行数据传输㊂该技术给网络中的每个节点分配一个时隙,各个节点只有在自己的时隙才会定时上报数据㊂为了确保时隙的分配调度,网络中的所有节点的时间必须保持一致㊂4.1㊀基于TPSN的时钟同步在无线传感器网络中,时钟同步主要由LoRa通过MAC层发送时间戳的方式[11]㊂为了实现网关和终端的高精度时钟同步,网关将参考时间作为同步消息发送给采集终端㊂参考时间包含了秒㊁分钟㊁小时和年月日的时间戳,消息类型包含了入网请求㊁时钟同步㊁调度消息㊁数据上传㊁警报信息等,用不同的编号表示,便于对读取相应的消息类型,对有效负载进行必要的处理,如图4所示㊂消息类型I D号消息数据C R C时间同步网关I D年月日时分秒图4㊀时钟同步信息格式图Fig.4㊀Format diagram of clock synchronization information 当网关发送信息到采集终端时,存在发送延迟和接受延迟产生的延迟影响㊂在时钟同步中,网关以图4所示的格式将信息发送至终端,并记录发送时间㊂终端接收到消息后,MCU会读取到LoRa模块的中断事件信号,记录此时的时间戳数据㊂解析消息后,读取时间值,将时间值写入RTC(Real Time Clock)寄存器,再记录此时的时间戳数据,完成后发送应答信号ACK (Acknowledge character)㊂通过两次时间戳的差值可以计算出单片机处理计算时间㊂网关在接收到应答信号后,记录接收时间㊂计算记录时间的差值,从网关到终端的传输时间由式(11)表示:T oA=(T2-T c-T1)/2(11)其中,网关发送时间为T1,接收时间为T2,单片机的处理计算时间T c和广播模式下数据帧的传输时间T oA㊂将数据包的传输时间和计算时间添加到RTC中,再次发送同步消息T3至终端,同步消息中T3值如式(12)所示:T3=T oA+T c+T RTC(12)其中,T RTC为网关的RTC值㊂终端接收后将值写入RTC的寄存器中,终端向网关发送应答信号㊂这样,终端与网关实现了时钟同步㊂当网关对每个终端都实现时钟同步后,分配好每个终端的上传时间,以广播模式发送调度安排㊂时钟同步协议图如图5所示㊂同步消息网关终端接收延迟写入R T C应答A C K+T c接收延迟写入R T C应答A C K+P T C值休眠定时上报报警信息同步消息T3调度安排T1T2T c图5㊀时钟同步协议图Fig.5㊀Diagram of clock synchronization protocol 4.2㊀基于TDMA的数据传输需要定时上传的温度数据,网关根据采集终端的数量进行分配,将整个数据上报周期T划分为若干个时隙[12]㊂采集终端根据分配的时隙,按照设定的顺序依次上传周期性数据,网关接收到后返回ACK应答信号㊂终端接收完成后进入休眠状态,到下一次上传时隙到来时,再次唤醒系统,完成相应的任务㊂将每个终端的传输时间都分隔开,有效避免终端传输时的数据包碰撞问题,提高了数据投递率和网络可靠性㊂对于紧急上传的数据,需要保证该数据的及时性㊂在周期划为若干个时隙时,为了降低紧急数据和定时数据传输时数据包冲突的几率,每个终端预留了紧急数据发送的时间裕量㊂首先,终端进行持续性信道活动检测(Channel Activity Detection,CAD),当检测到信道空闲时,再向网关上传紧急数据㊂LoRa数据调度如图6所示㊂65第1期印华,等:基于LoRa 的低功耗温度采集传感器系统设计网关终端1终端N 1终端N周期为T休眠休眠T 1T n -1Tn 定时数据上传紧急数据发送应答信号图6㊀LoRa 数据调度图Fig.6㊀LoRa data scheduling diagram5㊀性能分析与仿真5.1㊀LoRa 传输参数性能仿真LoRa 支持PHY (Physical Layer)传输参数的设置[13]㊂扩频因子(SF)为12,调制带宽(BW)为125kHz,编码率(CR)为4/5时,LoRa 传输距离最远;扩频因子为7,调制带宽为500kHz,编码率为4/5时,LoRa 传输距离最短[14]㊂对不同传输参数进行比对验证,节点周期性上传数据T 为1min,数据包有效负载为50Bytes㊂取编码率为4/5时,不同扩频因子和调制带宽的接收灵敏度图如图7所示㊂-128-129-130-131-132-133-134-135-136-137-138接收灵敏度/d B m调制带度/k H z125250500编码率4/54/64/74/8图7㊀不同扩频因子和调制带宽接收灵敏度图Fig.7㊀Receiving sensitivity diagram of different spreadspectrum factors and modulation bandwidths在理想环境中,无线通信满足如式(13)所示:P t -P r +G t +G r =20lg(4πfdc)+L C +L O(13)式(13)中,P t 为发射器的发射功率,P r 为接收器的灵敏度,G t 为发射天线增益,G r 为接收天线增益,f 为载波频率,d 为收㊁发天线间的距离,c 为光速,L C 为发射天线的馈线插损,L O 为空中传播损耗㊂由式(13)推出距离d 如式(14)所示:d =10P t -P r +G t +G r -L C -L O-20lg(f )+147.5620(14)由图7可知,扩频因子与接收灵敏度成反比,调制带宽与接收灵敏度成正比㊂由式(14)可知,接收灵敏度与距离成反比㊂扩频因子与接收灵敏度成反比,与传输距离成正比,可以增大扩频因子值提高LoRa 覆盖范围㊂调制带宽与接收灵敏度成正比,与传输距离成反比,使LoRa 的通信范围降低㊂当扩频因子为7,调制带宽为500kHz 时,接收灵敏度最大,LoRa 传输距离最近㊂当扩频因子为12,调制带宽为125kHz 时,接收灵敏度最小,LoRa 传输距离最远㊂取扩频因子为12,不同编码率和调制带宽的接收灵敏度如图8所示㊂在同一调制带宽下,编码率值的改变并没有影响到接收灵敏度㊂接收灵敏度随着调制带宽的增加而增加,LoRa 传输距离也随之减小㊂-115-120-125-130-135-140接收灵敏度/d B m调制带度/k H z125250500扩频因子789101112图8㊀不同调制带宽和编码率的接收灵敏度图Fig.8㊀Receiving sensitivity diagram of different modulationbandwidths and coding rates取调制带宽为500kHz 时,不同扩频因子和编码率的接收灵敏度如图9所示㊂在同一扩频因子下,编码率值的改变并没有影响到接收灵敏度㊂接收灵敏度随着扩频因子的增加而减小,LoRa 传输距离也随之增加㊂10080604020电流/m A传感器工作模式M C U 工作模式M C U 休眠模式L o R a 发送L o R a 接收器件工作状态21.710.0029312.15图9㊀不同扩频因子和编码率参数比特率图Fig.9㊀Bit rate diagram of different spread spectrum factorsand coding rate parametersLoRa 传输距离受扩频因子和调制带宽的影响,不受编码率影响㊂LoRa 传输距离与扩频因子成正比,与调制带宽成反比㊂故扩频因子为12,调制带宽为125kHz 时,75重庆工商大学学报(自然科学版)第41卷LoRa 传输距离最远㊂5.2㊀采集终端能耗分析在采集终端能耗模型中,主要的能源消耗是微控制器单元㊁传感器单元和LoRa 射频单元㊂采集终端的供电电压为3.3V,MCU 的工作频率为8MHz 时钟,LoRa 的传输参数选择扩频因子为12,调制带宽为125kHz,编码率为4/5时,测得电流如图10所示㊂43210能量消耗/J100200300400500节点数量L o R a T D M A L o R a A L O H A图10㊀终端电流图Fig.10㊀Terminal current diagram由图10可知,LoRa 发送时需要的电流较大,成为影响终端能耗的主要因素㊂选择合理的通信策略,尽可能地确保上行数据发送成功,避免数据包冲突造成丢包而多次发送导致的功耗增加问题㊂5.3㊀LORA 通信性能仿真利用LoRaSim 离散事件模拟器,分析基于LoRa 协议层的时钟同步协议和时分多址联合优化的无线通信策略的性能㊂考虑实际应用场景中建筑物较多,信号受到建筑物和物体阻挡时,会导致信号产生衰落㊂故选择传输距离最远的参数,扩频因子为12,调制带宽为125kHz㊂无时间同步的节点采用ALOHA 作为MAC层协议,定期生成数据包㊂时间同步的节点按分配的时隙发送数据包㊂每个数据包的有效负载为50字节㊂随着终端数量变化情况,将不同LoRa 通信策略的投递率和耗能进行比较,耗能为节点的能量损耗㊂图11显示不同策略的能量损耗㊂投递率(Packet DeliveryRatio,PDR)为目标节点接收到的数据包和源节点发送数据包的比值关系,如式(15)所示:F PDR =P r P s(15)其中,P r 为目标节点接收到的数据包,P s 为源节点发送的数据包㊂图12显示不同策略的投递率㊂如图11所示,LoRa -ALOHA 的能量消耗也随着节点数量的增加而增大,在数据包投递过程中导致的数据碰撞和重传,更多的数据发送次数导致更高的能耗㊂LoRa -TDMA 采用时间自同步调度方式,相比于LoRa -ALOHA,能耗方面具有显著优势㊂随着节点数量的增加,其低功耗的优势非常明显㊂-110-115-120-125-130-135789101112接收灵敏度/d B m扩频因子编码率4/54/64/74/8图11㊀能量消耗图Fig.11㊀Energy consumption diagram如图12所示LoRa -ALOHA 的投递率随终端节点数量的增加而增大㊂由于在数据包投递过程中发生数据碰撞,导致投递率在终端节点个数的增加而减小㊂而LoRa -TDMA 各个终端节点依据分配的时隙上传数据,发生数据碰撞的几率小,使其具有较高的投递率㊂但随着节点数量的增加投递率略有下降,当存在多个节点数据上传,数据包碰撞的概率增大,其影响较小㊂100806040200100200300400500投递率/%节点数量L o R a T D M A L o R a A L O H A图12㊀投递率图Fig.12㊀Delivery rate chart6㊀结㊀论设计了基于LoRa 的远距离低功耗无线传感器网络系统㊂系统搭建基于LoRa 通信水温采集终端的模块能耗计算模型㊂通过对计算模型分析,提出了一种基于LoRa 协议层的时钟同步协议和时分多址联合优化的无线通信策略㊂该策略利用LoRa 通信技术完成信息交互,实现网关与终端节点的高精度时钟同步㊂网关完成对无线资源调度,动态分配终端节点的时隙资源,实现数据周期性上传,降低数据传输碰撞的概85第1期印华,等:基于LoRa的低功耗温度采集传感器系统设计率,优化无线资源的使用效率㊂实验表明,该通信策略与ALOHA通信协议相比,显著提高了通信的投递率和能源效率,进一步提高了LoRa在网络中的性能,所提出的联合优化的无线通信策略是有效的㊂参考文献References1 ㊀胡晓彦.物联网发展及标准进展研究J .电信工程技术与标准化2017 30 5 40 44.Hu Xiao-yan.Research on the development of internet of things development and the progress of standards J .Telecom Engineering Technics and Standardization 2017 30 5 40 44.2 ㊀SINHA R S WEI Y HWANG S H.A survey on LPWAtechnology LoRa and NB-IoT J .Ict Express 2017 3 114 21.3 ㊀赵静苏光添.LoRa无线网络技术分析J .移动通信2016 40 21 50 57.ZHAO Jing SU Guang-tian.Analysis on LoRa wireless network technology J .Mobile Communications 2016 4021 50 57.4 ㊀ALI A SHAH G A FAROOQ M O et al.Technologies andchallenges in developing machine-to-machine applications A survey J .Journal of Network and Computer Applications2017 83 124 139.5 ㊀张琴戴阳杨胜龙等.基于LoRa的低功耗水产养殖水质监测系统设计J .传感器与微系统2019 38 11 96 99.ZHANG Qin DAI Yang YANG Sheng-long et al.Design ofa low-power 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物联网中基于LoRa技术的传感器网络设计与应用
物联网中基于LoRa技术的传感器网络设计与应用随着物联网技术的迅猛发展，越来越多的设备和传感器开始连接到全球互联网上。
LoRa（长距离低功耗）技术作为一种无线通信技术，为物联网应用提供了广阔的可能性。
本文将介绍物联网中基于LoRa技术的传感器网络的设计与应用，以及该技术在工业生产、农业、城市和智能家居等领域的具体应用案例。
首先，物联网中的传感器网络设计非常关键。
一个传感器网络由多个分布在不同位置的传感器节点组成。
这些节点通过LoRa无线通信技术进行数据传输，将采集到的信息发送到网关或中央处理器。
在设计传感器网络时，需要考虑以下几个因素：1. 覆盖范围：LoRa技术能够实现长距离通信，但在室内环境和城市环境中，信号传输会受到障碍物的干扰。
因此，在设计传感器网络时需要合理布置传感器节点和网关，以确保覆盖范围的有效性。
2. 能耗管理：物联网中的传感器网络通常需要长期运行，因此节点的电池寿命是一个重要的考虑因素。
LoRa技术以其低功耗特性而受到青睐，节点可以通过优化传输频率和功率来延长电池的使用寿命。
3. 数据安全性：物联网中的传感器网络涉及大量的敏感数据，所以数据安全性是非常重要的。
使用加密算法和身份验证机制可以确保数据的保密性和完整性，避免信息被未授权的访问和篡改。
一旦设计好传感器网络，LoRa技术可以在各个领域的物联网应用中发挥巨大的作用。
下面是几个典型的应用案例：1. 工业生产：在工业生产中，传感器网络可以用于实时监测设备状态、收集环境数据以及进行预测性维护。
通过使用LoRa技术，传感器节点可以远程监控设备运行状况，及时报警并采取措施，提高生产效率和设备利用率。
2. 农业：在农业领域，传感器网络可以用于监测土壤湿度、温度、光照等环境条件，以及动物和植物的生长状态。
基于LoRa技术的传感器网络可以远程收集和传输这些信息，农民可以通过手机App或电脑实时查看并采取相应的决策，提高农作物的种植效果和农田管理效率。
Lora技术在农业领域的应用指南
Lora技术在农业领域的应用指南一、引言随着农业科技的不断发展和进步，农业领域正在迎来一场智能化革命。
其中，Lora技术作为一种低功耗广域网通信技术，正逐渐得到农业领域的广泛应用。
本文将探讨Lora技术在农业领域的应用指南，帮助农民和农业从业者充分利用Lora技术的优势，提高农业生产效率和质量。
二、Lora技术简介Lora（Long Range）技术是一种低功耗广域网通信技术，适用于大规模低速率数据传输。
它的特点是覆盖广、传输距离远、能耗低、通信稳定。
Lora技术可以通过建立一个公共的无线网络，将农场内各个设备连接起来，实现农业信息的远程监测和控制。
三、农业传感器网络Lora技术在农业领域的一个重要应用是构建农业传感器网络。
传感器网络可以通过安装在农场各个区域的传感器设备采集土壤湿度、温度、光照等数据，并通过Lora技术将这些数据传输到一个中心控制台。
农民可以通过查看控制台上的数据，及时了解到农场各个区域的环境状况，从而采取相应的农业措施。
四、智能灌溉系统借助Lora技术，农业从业者可以构建智能灌溉系统，实现精准灌溉。
传感器网络可以采集到土壤湿度和气温等数据，并通过Lora技术将数据传输到灌溉控制器，控制器可以根据这些数据决定是否要进行灌溉，并控制灌溉设备的运行。
智能灌溉系统可以根据实际需求，减少水资源的浪费，提高农作物的生产效率。
五、农业环境监测Lora技术还可以应用于农业环境监测。
通过安装传感器设备，监测农场的环境参数，如大气温度、湿度、气压等，以及农作物的生长情况。
这些数据可以帮助农业从业者把握农业生产环境变化的趋势，合理制定农业生产策略，提高农作物的产量和质量。
六、无人机在农业中的应用结合Lora技术，无人机在农业领域的应用也变得更为便捷。
无人机可以搭载传感器设备，对农田进行航测和巡检，采集农田的形状、湿度、生长情况等数据，并通过Lora技术将数据传输到操作中心。
农民可以利用无人机航测的数据快速了解农场地势、植物生长状况，进而准确制定农业生产计划，提高作物的产量。
如何通过LoRa远程监控海洋水质测量设备
如何通过LoRa远程监控海洋水质测量设备近年来，研究人员越来越关注海洋环境的改变和海洋生态系统的健康状况。
海洋水质是评估海洋健康的重要指标之一。
然而，传统的水质监测方法在海洋环境下的应用面临许多挑战，诸如传感器的可靠性、数据传输的稳定性等问题。
而LoRa （Low-Power Long-Range）技术的出现为海洋水质监测提供了崭新的解决方案。
1. LoRa技术简介LoRa是一种低功耗、长距离的无线通信技术。
它的特点是能够在低功耗下实现远距离的通信，最大传输距离可达数十公里。
LoRa技术采用了一种称为扩频技术的调制方式，通过增加信号带宽来实现通信距离的延长。
2. 海洋水质监测设备的基本原理海洋水质监测设备通常由传感器、数据采集与处理模块、通信模块和电源模块组成。
传感器负责采集海洋水质指标，如温度、盐度、溶解氧等。
数据采集与处理模块负责对传感器数据进行采集和处理，将数据转换为可识别的格式。
通信模块用于将处理后的数据发送到远程监测中心。
电源模块提供设备所需的电力。
3. LoRa在海洋水质监测中的应用LoRa技术在海洋水质监测中的应用主要有两个方面：传感器数据的传输和设备的远程管理。
3.1 传感器数据的传输传统的水质监测方法通常采用有线传输方式，这种方式不仅限制了监测设备的布放范围，还容易受到外界因素的干扰。
而LoRa技术可以实现传感器数据的远程传输，无需布设大量的传输线缆。
LoRa的长距离传输特性使得监测设备可以远离岸边布放，进一步拓展了监测区域。
同时，LoRa技术的低功耗特点也能够延长设备的工作寿命。
3.2 设备的远程管理除了数据传输，LoRa技术还可以实现对监测设备的远程管理。
传统的水质监测方法通常需要人工前往设备现场进行维护和调试，存在时间和人力成本的浪费。
而利用LoRa技术，可以通过远程控制设备的开关状态、调整传感器采集频率等，提高设备的工作效率。
同时，远程管理还能够及时发现设备故障并进行维修，减少数据采集的中断时间。
物联网中的传感器网络协议研究
物联网中的传感器网络协议研究随着物联网技术的不断发展，传感器网络的应用范围越来越广泛。
传感器网络协议作为传感器网络的核心组成部分，起到了连接和管理传感器设备的关键作用。
因此，对物联网中的传感器网络协议进行研究显得尤为重要。
本文将就物联网中的传感器网络协议进行深入探讨，并介绍目前主流的一些传感器网络协议。
传感器网络协议是一套规定传感器设备之间通信和协作方式的协议标准。
其目的是确保传感器设备之间能够有效地进行数据传输和交互，以实现智能化的物联网应用。
传感器网络协议通常涉及到以下几个关键方面。
首先，传感器网络协议需要定义传感器设备之间的通信方式。
传感器设备可以通过有线或无线的方式进行通信，因此需要根据具体的应用场景选择合适的通信方式。
例如，对于室内环境监测等小范围应用，可以采用低功耗短距离的无线通信方式，如ZigBee协议。
而对于大范围的城市环境监测等应用，则需要采用长距离的无线通信方式，如LoRaWAN协议。
其次，传感器网络协议需要定义传感器设备之间的数据交换格式。
不同的传感器设备可能采集到的数据类型不同，因此需要统一数据交换格式，以便不同设备之间的数据交换和处理。
目前，最常用的数据交换格式是JSON和XML。
这些格式可以将传感器采集到的数据按照一定的结构进行描述，方便其他设备解析和使用。
另外，传感器网络协议还需要定义传感器设备之间的数据处理方式。
传感器设备通常会采集到大量的数据，因此需要对这些数据进行处理和分析，提取出有用的信息。
传感器网络协议可以规定数据的采集频率、数据的存储方式以及数据的处理算法等。
例如，对于温度传感器，可以规定每隔一定时间采集一次数据，并将数据存储到云服务器中，然后通过数据分析算法提取出温度变化的趋势和异常情况。
此外，传感器网络协议还需要考虑传感器设备的安全性和隐私保护。
物联网中的传感器设备通常会接触到大量的敏感信息，如个人身体健康数据、家庭隐私数据等。
因此，传感器网络协议需要规定数据的加密、身份验证等安全机制，确保传感器设备之间数据的安全传输和存储。
Lora技术在无线传感器网络通信中的应用
Lora技术在无线传感器网络通信中的应用无线传感器网络是一种由大量分布在空间中的传感器节点构成的网络系统，在众多应用场景中发挥着重要的作用。
然而，传统的无线通信技术在传感器网络中面临诸多挑战，如短距离传输、低功耗、大规模部署等问题。
为了克服这些挑战，Lora（Long Range）技术应运而生，提供了一种低功耗、远距离传输的解决方案。
本文将探讨Lora技术在无线传感器网络通信中的应用，并对其优势和限制进行分析。
Lora技术是由一家名为Semtech的公司研发的，它基于频移键控（FSK）和闪频键控（FSK）调制方式，通过选择适当的扩频因子和带宽，可以实现远距离的通信。
相较于传统的无线技术如WiFi和蓝牙，Lora技术具有以下显著优势：1. 长距离传输：Lora技术采用了低频段（例如868MHz或915MHz），信号穿透力强，能够在城市环境、室内和遥远地区建立可靠的传输链路。
这使得Lora成为远程监测、农田灌溉、智能物流等领域的理想选择。
2. 低功耗：传感器节点通常是由电池供电的，因此低功耗是无线传感器网络通信中的关键要素。
Lora技术采用的调制方式较为简单，传输功率较低，从而大大延长了传感器节点的电池寿命。
这使得Lora技术成为长期运行和远距离通信的首选技术。
3. 大规模部署：无线传感器网络通常需要分布在广阔的区域内进行监测和数据收集。
传统的无线技术如WiFi存在覆盖范围有限的问题，而Lora技术通过优化调制方式和网络协议，可以实现大规模节点的部署和管理。
这为城市智慧化、环境监测等项目提供了可行的解决方案。
除了这些优势之外，Lora技术还具有多路访问能力和抗干扰能力强的特点，使其能够在复杂的无线环境中保持稳定的通信。
而且，Lora技术的开放性和标准化也吸引了越来越多的制造商和开发者加入到Lora生态系统中，从而推动了其广泛应用和发展。
然而，Lora技术也存在一些限制和挑战。
首先是通信速率较低，Lora传输速率通常在几千比特每秒（kbps）到几十千比特每秒（kbps）之间，无法满足大规模数据传输的需求。
Lora技术在精准农业中的应用
Lora技术在精准农业中的应用Lora技术是一种无线通信技术，正逐渐在各个领域中得到广泛应用。
其中，Lora技术在精准农业中的应用也越来越受到农业生产者的关注。
精准农业是指通过科技手段，精确控制农作物生长环境、施肥用水、病虫害监测等，以提高农田产量和效益的一种农业生产方式。
本文将深入探讨Lora技术在精准农业中的应用。
一、无线传感器网络在农业中的应用精准农业的核心在于精确获取和处理农田的相关信息，如土壤湿度、温度、光照强度等。
传统的农业数据采集方法有很多局限性，比如需要人工采集，效率低下；采用有线传输方式，受限于线缆的长度和数量。
而Lora技术的出现，提供了一种新的无线传感器网络方法，能够解决传统方法的问题。
Lora技术基于低功耗、远距离、广域网的特点，使得无线传感器网络成为可能。
农田中可以布设大量的传感器节点，通过这些节点可以实时采集到农田的各类环境数据，并通过Lora网络传输到中心处理服务器。
传感器节点的功耗很低，可以使用电池供电，减少了人力维护成本。
传输距离长，意味着传感器节点可以覆盖更广的范围，使得数据采集更加全面。
二、Lora技术在土壤湿度监测中的应用土壤湿度是农作物生长的重要指标之一。
过早或过度浇水都会影响作物的生长和产量。
利用Lora技术，可以在土壤中布设多个湿度传感器节点，实时监测不同地点的土壤湿度情况。
传感器节点采集到的土壤湿度数据通过Lora网络传输到中心处理服务器。
农民可以通过手机或电脑远程访问服务器，查看各个地点的土壤湿度情况，及时调整灌溉量，避免浪费水资源并保证作物生长的需要。
同时，服务器会根据历史数据和特定算法，给出土壤湿度的预测和建议，帮助农民做出更科学的决策。
三、Lora技术在气象监测中的应用天气对农田的影响极大，例如降雨量、日照时间等因素都会影响作物的生长。
精确的气象监测可以帮助农民更好地做出决策，提高农田产量。
利用Lora技术，可以在农田中布设多个气象传感器节点，实时监测气象数据，如温度、湿度、大气压力等。
Lora技术在农业中的应用与优势
Lora技术在农业中的应用与优势随着科技的不断进步，无线通信技术在各个领域得到了广泛的应用，而Lora技术正是其中的一种。
Lora技术是一种低功耗、远程、长距离、大容量的无线通信技术，它被广泛应用于农业领域，为农业生产带来了巨大的变革。
一、Lora技术在农业中的应用1. 农作物监测与养殖Lora技术可以实现对农作物的监测，包括土壤湿度、温度、光照等因素的实时监测和远程控制。
通过布设Lora传感器，农民可以随时了解到田地里的具体情况，从而进行更加精确的灌溉和施肥。
此外，Lora技术还可以用于农田的病虫害监测与预警，及时发现问题并采取相应的措施。
在养殖方面，Lora技术也可以起到重要的作用。
农民可以安装Lora传感器来监测牲畜的体温、饮水量以及环境温湿度等因素，以提高养殖效益和动物福利。
2. 农业机械智能化传统的农业机械往往需要人力进行操作，效率低下且受限于人力的疲劳程度。
而Lora技术可以使农业机械实现远程操作和管理。
通过在农机上安装Lora模块，农民可以远程控制机械的运行，调整工作模式和速度，实现农机的智能化操作，提高工作效率。
此外，Lora技术还可以实现农机的无线联网和数据共享。
当农机处于工作状态时，它可以通过Lora传输数据到农场的中央控制中心，农民可以实时了解农机的工作情况，进行合理的调度和管理。
二、Lora技术在农业中的优势1. 长距离通信Lora技术采用低频率的无线通信，其信号可以穿透障碍物，具有较远传输距离的优势。
不论是较大的农田还是分散的农村地区，Lora技术都能够实现远距离的通信，覆盖面积大。
2. 低功耗与长寿命Lora技术采用低功耗的通信方式，相比于其他无线通信技术，其能耗较低。
这意味着在农业环境中，利用Lora技术的设备可以使用较小的电池，延长电池寿命。
这对于无法提供电源的偏远农村地区来说，具有重要意义。
3. 大容量与高可靠性Lora技术的通信速率较低，但它具有大容量和高可靠性。
Lora技术在无线传感器网络中的作用
Lora技术在无线传感器网络中的作用引言：随着物联网技术的迅速发展，无线传感器网络的应用越来越广泛。
而其中Lora 技术作为一种低功耗、远距离的无线通信技术，在无线传感器网络中扮演着重要的角色。
本文将从Lora技术的原理、特点以及在无线传感器网络中的应用等方面进行论述，并探讨其在未来的发展潜力。
Lora技术的原理：Lora技术，即长距离低功耗技术（Long Range Low Power），是一种远距离、低功耗的无线通信技术。
其核心技术为Chirp Spread Spectrum（CSS）扩频调制技术。
相比于传统的调频技术，Lora技术通过使用长时间的低速率传输和频率偏移的方式，实现了在低功耗的情况下实现远距离通信。
同时，Lora技术也使用了自适应数据速率（ADR）的机制，根据环境条件动态调整传输速率，以充分利用传输信道资源。
Lora技术的特点：1. 长距离通信：Lora技术能够在城市环境中传输数公里的距离，而在农村或者开阔的地区，甚至可以实现数十公里的通信距离。
这使得Lora技术成为无线传感器网络中建立广域物联网的重要技术之一。
2. 低功耗：Lora技术采用了低功耗的设计理念，使得Lora节点可以长时间工作，甚至达到数年的电池寿命。
这对于很多无线传感器网络应用来说，特别是在遥远或无法接触到电源的环境中，具有重要的意义。
3. 大规模节点支持：Lora技术具备支持大规模节点的能力。
通过Lora的网状网络拓扑结构以及多传输信道的设计，可以支持成千上万个节点同时工作，并能够覆盖广阔的地域范围。
4. 抗干扰性能：Lora技术具有很强的抗干扰能力。
它采用低速率传输以及频率偏移的方式，有效降低了信号在市区环境中受障碍物影响的干扰问题，保证了通信的可靠性和稳定性。
Lora技术在无线传感器网络中的应用：1. 农业领域：Lora技术可以应用在农业领域，帮助农民实现智能化管理。
例如，通过安装在农田中的Lora传感器节点，可以实时监测土壤温度、湿度、光照等参数，并通过无线方式将数据传输到中央控制中心，以实现远程监控和管理。
Lora技术在无线传感器网络中的应用与创新
Lora技术在无线传感器网络中的应用与创新随着物联网的快速发展，无线传感器网络成为了连接物理世界与数字世界的重要桥梁。
而Lora技术作为一种低功耗长距离的无线通信技术，正逐渐成为无线传感器网络中的热门选择。
本文将探讨Lora技术在无线传感器网络中的应用与创新。
一、Lora技术简介Lora技术是一种基于低功耗的长距离无线通信协议，它能够以超低功耗的方式实现远距离的通信，具备很强的穿墙穿透能力。
Lora技术采用了星状网络拓扑结构，其中一个基站作为中心节点，连接多个传感器节点。
该技术集成了物理层通信、MAC层通信和网络层通信，提供了稳定可靠的无线通信环境。
二、Lora技术在农业领域的应用1. 智能农场监控农业是一个信息密集的行业，而传统的农业监控手段往往会浪费大量的人力物力。
而Lora技术的应用能够实现智能化的农业监控系统，通过传感器节点采集土壤湿度、气温、光照等数据，并通过Lora通信将数据传输到中心基站，从而实现对作物的实时监测与管理。
2. 精准施药与灌溉传统的农业施药与灌溉方式往往是批量进行，无法根据作物的实际需求进行调整。
而Lora技术结合传感器节点，可以实现对作物的精准施药与灌溉。
传感器节点通过监测土壤温度、土壤湿度以及作物生长状况等参数，通过Lora通信将数据传输到中心基站，从而实现对作物的个性化施肥与灌溉管理。
三、Lora技术在环境监测中的应用1. 空气质量监测随着城市化进程的加速，空气质量问题愈发严重。
而Lora技术结合传感器节点能够实时监测空气中的PM2.5、CO2等污染物浓度，并通过Lora通信将数据传输到中心基站。
通过对空气质量数据的及时分析与反馈，可以帮助相关部门采取有效的措施来改善空气质量。
2. 水质监测水资源是人类赖以生存的重要资源，而水质污染问题也日益严重。
Lora技术结合传感器节点能够实时监测水体中的温度、PH值、溶解氧等指标，并通过Lora通信将数据传输到中心基站。
这有助于实现对水质的精准监测与预警，为水资源的保护与管理提供了重要数据支持。
Lora技术在海洋监测中的实际应用案例
Lora技术在海洋监测中的实际应用案例引言：海洋是地球上最广阔的一片领域，具有重要的经济、生态和科学价值。
为了更好地了解和保护海洋环境，科学家们开发出了各种海洋监测技术。
在这些技术中，Lora技术以其低功耗、长距离通信和广域网覆盖等特点而备受关注。
本文将介绍Lora技术在海洋监测中的实际应用案例，并探讨其在海洋保护和研究中的潜力。
1. 海洋温度监测海洋温度是海洋生态系统的重要参数，对于海洋生物和气候研究具有关键意义。
传统的温度监测需要使用浮标、船只等进行实地观测，不仅费时费力，而且难以实现全球范围的覆盖。
而利用Lora技术，可以将传感器直接安装在浮标和潜水器上，实现远程监测。
通过Lora网关，这些传感器可以将温度数据传输到地面的数据中心，从而实现对全球海洋温度的实时监测和分析。
这种监测方式不仅减少了人力和物力成本，而且提高了监测的精度和时效性。
2. 海洋污染监测海洋污染是一个全球性的问题，对海洋生态环境和人类健康造成严重威胁。
传统的污染监测方法主要依靠人工采样和实验室分析，无法实时监测和预警。
而Lora技术可以将传感器分布在污染源附近的海域，实时监测海洋水体的污染物浓度、pH值等参数。
通过Lora网络传输的数据可以迅速传输到监测中心，及时采取应对措施，减少污染对海洋生态的影响。
此外，Lora技术还可以与卫星图像结合，实现对大规模污染事件的监测和研究。
3. 海洋生物监测海洋生物资源是人类经济发展和生态平衡的重要组成部分，准确了解和保护海洋生物对于可持续发展至关重要。
传统的海洋生物监测通常通过捕捞和物种鉴定等手段，这些方法在资源消耗和效率方面面临一定的限制。
而利用Lora技术，可以在海洋中布置一系列生物传感器，实时监测水质、水温、溶解氧等参数，从而对海洋生物及其栖息环境的变化进行跟踪和分析。
通过Lora技术的广域网覆盖，这些数据可以实时传输到研究机构，为海洋生物保护和资源管理提供重要依据。
4. 海洋气候研究海洋对气候变化有着重要的调节作用，并与全球气候系统紧密相连。
Lora技术在环境监测中的应用案例
Lora技术在环境监测中的应用案例近年来，随着城市快速发展和人口的增长，环境污染问题变得越来越突出。
为了保护环境和改善人类居住条件，监测环境状况成为了至关重要的任务。
而Lora技术，作为一种低功耗广域网技术，为环境监测提供了一种高效和可靠的解决方案。
1. Lora技术简介Lora技术（Long Range）是一种无线通信技术，具有低功耗、长距离传输和广域覆盖等特点。
它使用低频段和扩频技术，能够在近乎任何环境条件下都能获得出色的传输性能。
此外，Lora技术还具有多网关协调、高容量和多级服务质量等特点，使得它在物联网应用尤其是环境监测中有着广泛的应用前景。
2. 空气质量监测空气质量是城市居民关注的重要问题之一。
糟糕的空气质量不仅会对人们的健康产生影响，还会加剧环境污染的程度。
使用Lora技术，可以建立一个空气质量监测网络，通过传感器实时监测空气中的污染物质浓度和环境参数。
这些数据可以通过Lora网络传输到监测中心，从而实现对空气质量的及时监测和预警。
监测中心可以根据这些数据采取相应的措施，如加强环境治理和改善交通状况，以提高城市空气质量。
3. 水质监测水是生命之源，保护水资源和水质对于人类的生存和发展至关重要。
通过Lora 技术，可以构建一个水质监测网络，监测水体的污染程度和水质参数。
传感器可以监测水中的重金属、有机物和细菌等污染物质，及时发现水 pollution事件并采取相应的措施。
利用Lora技术进行水质监测，可以实现全天候、实时和远程监控，大大提高了监测效果和水质管理的效率。
4. 声音监测城市的噪声污染已经成为人们生活中的一大困扰。
通过Lora技术，可以建立一个声音监测网络，实时监测城市中的噪声水平。
传感器安装在城市的不同区域，可以对环境中的噪声进行采样和分析。
监测中心可以通过Lora网络接收和处理这些数据，并根据数据结果制定相应的噪声控制措施。
这样一来，就可以有效控制城市的噪声污染，提高人们的生活质量。
Lora技术在环境监测中的实际应用案例
Lora技术在环境监测中的实际应用案例近年来，随着人类社会的不断发展和工业化进程的加速推进，环境污染问题日益突出，对环境监测的需求也越来越迫切。
为了解决这一问题，物联网技术中的Lora技术被广泛应用于环境监测领域。
本文将介绍一些实际应用案例，展示Lora技术在环境监测中的实际效果。
第一部分：Lora技术概述首先，我们先简要介绍一下Lora技术。
Lora（Long Range）技术是一种低功耗、远距离的无线通信技术，它能够实现传输距离长达数公里的数据，具有较低的功耗和高的抗干扰能力。
因此，Lora技术在环境监测领域被广泛应用，用于传输监测设备采集到的各种环境参数数据。
第二部分：空气质量监测案例空气质量监测是环境监测的重要领域之一。
利用Lora技术，可以实现对空气中各种有害气体浓度的实时监控。
例如，在城市道路上架设一些Lora设备，用于检测CO、CO2、PM2.5、臭氧等重要的空气质量指标。
这些设备通过Lora网关将数据传输到远程服务器，实现对整个城市空气质量的监测和分析。
基于这些数据，人们可以及时采取相应的措施，改善城市环境质量，保护居民的健康。
第三部分：水质监测案例除了空气质量监测，水质监测也是环境监测的重要内容。
利用Lora技术，可以建立一套水质监测网络，实时监测水中的各种化学指标和微生物指标。
例如，在一座湖泊周围布置一些Lora设备，用于检测水中的pH值、溶解氧、水温、藻类浓度等指标。
这些设备通过Lora通信协议将数据上传到中心服务器，实现对整个湖泊水质的监测和分析。
基于这些数据，人们可以针对性地采取保护措施，避免水质出现恶化，并确保饮用水的安全。
第四部分：土壤监测案例土壤污染是当前环境问题中的一个重要方面。
利用Lora技术，可以实时监测土壤中的各种重金属和有机物质含量，评估土壤质量和污染程度。
例如，在一个农田中安装一些Lora设备，用于检测土壤中的有机物质含量、农药残留等指标。
这些设备将采集到的数据上传到中心服务器，实现对整个农田土壤状况的监测和分析。
Lora技术在环境监测中的实际案例分析
Lora技术在环境监测中的实际案例分析引言：随着工业化和城市化进程的加速，环境问题日益受到人们的关注。
保护和改善环境质量已成为社会的共同责任。
传统的环境监测方法通常需要人工采样和实验室分析，耗时费力且成本高。
而随着无线通信技术的进步，基于Lora技术的环境监测系统成为一种有效的解决方案。
本文将通过实际案例分析，探讨Lora技术在环境监测中的应用。
一、Lora技术简介Lora（Long Range）技术是一种低功耗、长距离的无线通信技术，适用于物联网环境下的长距离通信。
Lora技术基于扩频技术和先进的调制方案，具有超低功耗、对抗干扰能力强和大网络容量等特点。
它可以实现远距离的传输，并具有较好的穿透能力，适用于复杂的城市环境和室内环境。
二、Lora技术在环境监测中的应用1. 大气污染监测大气污染是当前环境问题中最为突出的一个。
传统的大气污染监测方法需要人工收集数据，难以实时获得准确的数据。
而基于Lora技术的大气污染监测系统可以实现远距离无线传输，将监测点的数据实时发送到中心服务器。
监测点上配备的传感器可以实时检测空气中的颗粒物、二氧化氮、硫化物等污染物浓度，并通过Lora技术将数据传输至中心服务器。
中心服务器将对收集的数据进行处理和分析，提供及时准确的大气污染数据，为环境保护部门提供决策依据。
2. 水质监测水质污染是另一个严重的环境问题，对人类的健康和生态系统造成严重威胁。
传统的水质监测方法需要人工采集水样，费时费力。
而基于Lora技术的水质监测系统可以实时监测水体的PH值、溶解氧、氨氮等指标。
监测设备通过Lora技术传输数据至中心服务器，通过数据分析和处理，可以及时发现水质异常，采取相应的措施进行治理。
与传统的手工监测相比，基于Lora技术的水质监测系统具有实时、准确和高效等优势。
3. 噪音监测城市生活中噪音污染对人们的健康和生活质量有着严重影响。
传统的噪音监测方法需要设置专用的监测点，人工采集噪音数据。
lora模型的技术原理
lora模型的技术原理LoRa模型是一种低功耗广域网络（LPWAN）技术，主要用于远程传感器和智能设备的通信。
它基于长距离、低功耗和低数据速率的传输需求，适用于大规模物联网（IoT）应用。
本篇文章将详细介绍LoRa 模型的技术原理。
一、技术概述LoRa技术基于专有协议，通过使用特殊的调制技术来延长通信距离并降低功耗。
该技术利用扩频调制原理，将原始数据信号扩展到很宽的频带中，从而在噪声水平下更容易被接收器检测到。
这种调制方式还增强了信号的抗干扰能力，提高了通信的可靠性和稳定性。
二、工作原理1.信号传输：LoRa模型使用低功耗放大器来放大信号，并通过空气中的空气分子进行传输。
这种传输方式适用于长距离通信，因为空气分子在空气中传播信号时不会产生明显的损耗。
此外，LoRa还采用了一种特殊的扩频调制技术，进一步降低了信号的功耗和干扰。
2.信号接收：接收器在接收到信号后，通过解调器将信号还原为原始数据。
在LoRa模型中，解调器使用了一种特殊的技术，能够从宽频带信号中提取出原始数据，即使在信号质量较差的情况下也能保持较高的识别率。
3.信号处理：接收到的信号需要进行处理和解析，以提取出有用的数据。
LoRa模型采用了一种自适应解码算法，能够根据信号质量自动调整解码参数，以获得最佳的解码效果。
这种算法能够适应不同信噪比（SNR）下的通信环境，提高了通信的可靠性和稳定性。
三、优势与挑战LoRa模型的优势在于其低功耗、长距离和大面积覆盖能力，适用于大规模物联网应用。
由于其低功耗特性，传感器和智能设备在较长时间内无需频繁充电，降低了设备成本。
此外，LoRa模型的传输速率较低，适用于对数据传输速度要求不高的场景。
然而，LoRa模型也面临着一些挑战。
首先，由于其信号覆盖范围较大，因此需要在网络规划和优化方面投入更多的资源。
其次，由于LoRa模型主要用于远程通信，因此在恶劣的通信环境下（如密集的建筑物、大面积遮挡等）可能会影响通信质量。
Lora与其他无线技术的对比分析
Lora与其他无线技术的对比分析无线通信技术的不断发展与进步，为我们的日常生活带来了许多便利。
其中，Lora作为一种无线通信技术在物联网应用中被广泛使用。
与其他无线技术相比，Lora有哪些独特的优势和劣势呢？本文将对Lora与其他无线技术进行对比分析，探讨其各自的特点及适用场景。
首先，让我们来了解一下Lora的基本特点。
Lora是一种低功耗、长距离的无线通信技术，采用了扩频调制技术，可以实现在低速率下远距离传输。
它具有高抗干扰性、大容量和长电池寿命等特点，非常适合在物联网智能设备中使用。
与Lora相比，另一种常见的无线通信技术是蓝牙。
蓝牙技术在低功耗与短距离通信方面具有明显优势。
它被广泛应用于智能手机、音频设备和物联网传感器等消费电子产品。
蓝牙技术的特点是简单易用、传输速率较高。
然而，由于其短距离传输的限制，蓝牙在物联网应用中的覆盖范围有限。
另外一种常见的无线通信技术是Wi-Fi。
Wi-Fi技术具有高传输速率和大带宽的特点，适用于需要快速传输大量数据的应用场合，比如智能家居和工业自动化等领域。
但是，Wi-Fi技术相对蓝牙和Lora来说功耗较高，适用于对电池寿命要求相对较低的场景。
除了蓝牙和Wi-Fi，还有一种无线通信技术是Zigbee。
Zigbee是一种低功耗短距离的无线通信技术，主要用于物联网传感器网络中。
与Lora相比，Zigbee的覆盖范围较小，但它的通信速率较快，适用于对实时性要求较高的应用。
综上所述，Lora具有长距离传输、低功耗和高抗干扰性等优势，适用于相对较远距离的物联网应用，如农业环境监测和城市智能灯光系统等。
而蓝牙适用于近距离通信，适合互联设备之间的快速数据传输。
Wi-Fi则适用于需要大带宽和高速传输的应用场景。
Zigbee适用于短距离、实时性要求较高的传感器网络。
此外，Lora还具有广覆盖、强穿透力和低成本的特点。
由于Lora可以在不同的频段工作，它可以适应不同地区和规模的应用。
Lora技术在环境监控中的应用
Lora技术在环境监控中的应用引言环境监控是现代社会中的一个重要方面，它关乎人类的健康、生活质量，以及自然生态系统的稳定。
随着科技的进步，各种新兴技术被应用于环境监控中，其中Lora技术因其广泛的应用领域和出色的性能而备受瞩目。
本文将探讨Lora技术在环境监控中的应用，并分析其优势和潜在挑战。
Lora技术概述首先，我们来了解一下Lora技术的概述。
Lora，全称为“低功耗广域网（Low Power Wide Area Network）”，是一种为物联网设备提供长距离、低功耗通信的无线技术。
相对于传统的无线通信技术，Lora具有以下几个显著的优势：1. 长距离传输能力：Lora技术可以在城市环境中实现多公里范围内的通信，且在农村和山区等开阔地区，其通信距离可达数十公里。
2. 低功耗：Lora设备可以通过调整发送功率和传输速率来适应不同的应用场景，从而降低能耗，延长电池寿命。
3. 大容量：Lora网络可以容纳数千个节点，支持大规模的物联网连接。
4. 抗干扰性：Lora使用具有强短码抗干扰功能的调频扩频技术，能够有效应对环境中可能存在的干扰。
1. 空气质量监测空气质量监测是环境监控中的一项重要任务。
通过Lora技术，可以实时收集各种环境参数，如PM2.5、CO2浓度等，并将数据传输到监控中心。
监控中心可以对收集到的数据进行分析，及时发现污染源和异常情况。
同时，Lora技术还可以用于空气质量传感器的无线部署。
传统的监测站通常需要有线连接，而Lora技术可以通过无线方式将传感器连接到网络中，减少了布线的成本和复杂度。
2. 水质监测水质监测是另一个重要的环境监控领域。
借助Lora技术，可以将水质传感器部署在河流、湖泊等水域中，实时监测水质的变化。
传感器可以获取水质参数，如PH值、溶解氧浓度等，并将数据通过Lora网络传输到监控中心。
此外，Lora技术还可以用于监测水质污染源的控制。
通过在污染源处部署Lora 节点，可以实时监测污染物的排放情况，并立即采取相应的应对措施，保护水域的健康。
Lora技术在环境监测中的应用
Lora技术在环境监测中的应用近年来，随着智能城市建设的推进和环境保护意识的提高，环境监测技术得到了广泛的应用和发展。
而其中一项备受瞩目的技术就是Lora技术（Low Power Wide Area Network）。
Lora技术的特点是低功耗、远距离传输、广覆盖等，使其在环境监测领域具备了广阔的应用前景。
本文将探讨Lora技术在环境监测中的应用，讨论其优势和挑战，并展望未来的发展。
Lora技术是一种低功耗的无线通信技术，在环境监测中的应用主要体现在传感器与网络之间的数据传输。
传统的环境监测系统通常使用有线传输，存在布线麻烦、成本高昂等问题。
而Lora技术则通过无线通信，解决了这些问题。
通过Lora技术，可以实现传感器节点与网关的远距离传输，覆盖范围远大于传统的无线传输技术，使监测系统更加灵活和易于部署。
使用Lora技术进行环境监测，可以监测的范围十分广泛，例如大气污染、水质监测、噪声监测、温湿度监测等。
以大气污染为例，传统的监测方法需要设置大量的监测站点，并使用有线传输方式将数据传输回中心服务器。
而采用Lora技术，可以通过少量的网关节点，将多个传感器节点采集到的数据传输到中心服务器，大大降低了系统的部署成本。
在大气污染监测中，传感器节点可以安装在各个监测点位，通过采集空气中的颗粒物、二氧化氮、二氧化硫等指标，实时监测空气质量的变化。
这些传感器节点通过Lora技术与网关节点相连，将数据传输到中心服务器。
同时，Lora技术的低功耗特点也使得传感器节点的电池寿命得到有效地延长，进一步降低了维护成本。
Lora技术在环境监测中的应用也面临一些挑战。
首先是信号传输的稳定性。
尽管Lora技术具备远距离传输的能力，但在城市等高密度区域，由于信号的干扰和衰减，传输距离可能会受到限制。
其次是网络容量的限制。
虽然Lora技术能够连接成千上万的传感器节点，但每个节点的传输速率相对较低，无法满足高频次的数据传输需求。
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0 引 言
近年中国对水产品的市场需求不断上涨，近海渔业 和大面积水产养殖业发展迅猛。渔业环境的自动监测预 警技术越来越受到重视，引起了许多学者的研究兴趣。 基于物联网技术设计渔业环境无线监测系统已成为目前 的研究热点[1-4]。
大多数研究人员在设计物联网无线通信方案时使用 Zigbee 和 GPRS 技术[5-12]。杨旭辉等[6]基于 Zigbee 协议采 用分时分区供电和数据融合技术延长了节点寿命；蒋建 明等通过 LEACH(low energy adaptive clustering hierarchy) 优化协议提高能效性[8,9]。Zigbee 的单跳通信距离最长为 几百米，如需大面积的网络覆盖，则需依赖于路由节点 和 Mesh 协议，随着路由跳数的增加，实时性和可靠性都 会下降，且路由节点能耗大，多跳路由协议复杂，路由 节点难以采用电池供电，因此适用于中小面积的渔业环 境监测[5,6,8,9,10]。有些方案采用 GPRS 技术来实现渔业环 境的远距离数据传输和大范围监测[7, 11,12,13]，GPRS 模块 功耗较大，Alippi 等使用太阳能为网络系统供电[12]，但移 动通信技术按流量计费，而有些偏远地区或近海海域的 网络信号尚未覆盖。申庆祥等提出了基于量子遗传算法
的水质监测路由优化算法提高全网寿命[14]，但没说明具
体实现技术。李慧等开发了 Android 平台进行水产养殖监 控[15]，通过 Zigbee 技术进行现场数据采集，并利用 30 m ×30 m 的鱼塘进行了试验。
以 LoRa 为代表的 LPWAN（Low power wide area network）技术以其低功耗、长距离、低成本、大网络容 量等特点无疑将拥有巨大的农业物联网应用空间[1,16]。
信道同步调度无线通信策略。该策略充分利用 LoRa 技术多扩频因子多数据率的特点，对网关不同距离范围内的终端节点
自动分配不同的扩频因子以确保网络连通性，并通过 MAC 层同步调度，在保证监测网络大面积覆盖的同时，大大降低
了无线信道碰撞的概率，提高了异常数据上传的实时性和终端节点的平均网络寿命。通过仿真和现场试验验证了本方案
收稿日期：2018-09-06 修订日期：2018-10-30 基金项目：国家自然科学基金（61362017）；上海市科委 2017 年度“创新行 动计划”（17050502000）；上海海洋大学科技专项基金（A2-0203-17-100209）； 2017 年上海市（临港）产学研合作项目（沪临地管委经[2017]56 号） 作者简介：张 铮，讲师，博士，主要从事物联网工程、智能仪器设计研究。 Email：z-zhang@
关键词：水产养殖；监测；无线传感器网络；LoRa；同步；速率自适应
doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.020
中图分类号：TN929.5; S951.2
文献标志码：A
文章编号：1002-6819(2019)-01-0164-08
张 铮，曹守启，朱建平，陈佳品. 面向大面积渔业环境监测的长距离低功耗 LoRa 传感器网络[J]. 农业工程学报，2019， 35(1)：164－171. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.020 Zhang Zheng, Cao Shouqi, Zhu Jianping, Chen Jiapin. Long range low power sensor networks with LoRa sensor for large area fishery environment monitoring[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(1): 164－171. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.020
LoRa 是 Semtech 公司的一种基于扩频技术的超远距离无 线通信方案，有效传输距离可达数千米以上[16]。目前 LoRa 技术的应用主要采用 LoRa Alliance 的 LoRaWAN[17]协议， LoRaWAN 的网关芯片采用 Semtech 公司的 SX1301[18]， 其能并行接收 8 个信道的数据包，每个信道可以接收扩 频因子 SF7~SF12 共 6 种速率的 LoRa 信号，极大提高了 吞吐率。但其开发资料不公开，仅当用户付费成为 LoRa Alliance 会员，才能获得相关资料和技术，SX1301 网关 商品单价在 3000 元以上，成本很高。
第 35 卷 第 1 期 164 2019 年 1 月
·农业信息与电气技术·
农业工程学报 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering
Vol.35 No.1 Jan. 2019
面向大面积渔业环境监测的长距离低功耗 LoRa 传感器网络
Hale Waihona Puke 的有效性，系统可有效覆盖半径 3 km 的监测区域，100 个终端节点的网络规模；对于视距通信，该策略的投递率从单一
扩频因子的 0.8 提升到 0.99，对于数据上传周期为 10 s 的快速通信，投递率从单一扩频因子的 0.4 提升到 0.95 以上；如
采用 3 600 mA·h 锂电池，数据上传周期为 10 min，终端节点寿命可达 1 a。
张 铮 1，曹守启 1，朱建平 1，陈佳品 2
（1. 上海海洋大学工程学院，上海 201306；2. 上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240）
摘 要：该文针对近海渔业和大面积水产养殖环境监测应用周期长，覆盖面积大等特点，设计了基于 LoRa 技术的长距离
低功耗无线传感网络系统。该系统设计了低成本的双信道 LoRa 网关，并在此基础之上提出了一种新颖的速率自适应的双