基于农业物联网的无线通信技术实验研究

1实验系统架构

本文提出的系统由3种类型的节点组成，分别为监控节点、中继节点、目标节点。监控节点装有收集信息的传感器，收集到的数据以数据包的形式发送给中继节点，架构如图1所示。中继节点负责接收和传输数据包至目标节点，架构除不具备传感器外与监控节点相同;目标节点负责接收所有数据并存储到服务器中。本研究中，测量3种无线技术在每种节点中的能耗情况。

每个监控节点的硬件由微处理器、电源转换器、可充电电池、太阳能电池、土壤湿度传感器和通信模块组成。其中，WIFI模块选用的是CC3000 WiFi Shield，ZigBee模块选用的是XBees Series2和2mWWire天线，LoRaWAN模块选用的是LoRaShield。

1.1系统的硬件组成

（1）太阳能电池:为可充电电池和节点提供能源，使用了StarSolarD165X165单晶硅太阳能电池板。当阳光充足时，该太阳能电池板能够提供6.0V输出，峰值为3.65W。小巧的尺寸使其适合放置在田间时对周围生长的植物干扰最小，并且还能提供大量的能量输出。

（2）可充电电池:使用Grand－Pro3．7V6600mah锂聚合物电池。

（3）电源转换器:当连接到电池时，在电池电量高于3.4V时提供恒定的5V输出;如果电量下降到3.4V以下，电源转换器将停止工作，并等待充满后再次供电。这种安全措施能避免电池因过充或过放造成损坏，延长电池寿命。除充放电功能外，电源转换器还与太阳能电池连接，通过太阳能电池为可充电电池充电和为节点供电。

(4)微处理器:为降低功耗和易于开发，选用了Ar-duinoUnoＲev3微处理器，其基于ATmega328P核心制造，包含6个模数转换器。

(5)土壤湿度传感器:选用了Grove的土壤湿度传感器。

(6)WIFI模块:为了建立WIFI网络，选用了Spark-fun CC3000 WIFI Shield模块。WiFi是最常用的无线技术之一，可使大多数设备连接到无线局域网和互联网，但传输范围很短，通常情况下只能达到约50m的距离，且WiFi的耗电量非常大，通常情况下不会用在需要电池供电的设备中。

（7）ZigBee模块:为了建立ZigBee网络，选用了XBeesSeries2和2MwWire天线。此模块具备低功耗的特点，可以创建连接数百个节点的点多点或对多点的网络，传输距离可达120m，能够降低系统成本，且配置简单。

系统的硬件组成如图2所示。

1.2无线技术对比参数

虽然功耗是比较不同类型无线技术的重要参考指标，但在选择合适的通信技术时其他参数也不能忽略。例如，传输范围决定中继节点的数量，而带宽决定能传输数据量的大小。

无线技术参数如表1所示。在传输距离方面，LoＲaWAN是最优的，能够达到15000m;ZigBee为120m;而WiFi的传输距离最低，只能达到50m。在带宽方面，WiFi可以传输最多的数据量达到54Mbit/s;ZigBee次之，达到250kbit/s;其次是LoＲaWAN，速度为50kbit/s。表2为电池提供的电流、各元件利用的最大电流，以及影响功耗的采样频率、传输间隔和传输功率等参数。

在设计农田监测系统时，无线路由技术的传输范围也很重要。当传输范围较大时，在对田间的监测中可以使用较少的节点。表3为每个监测节点在使用每种无线技术时最大电能消耗时的预期工作时间。当节点作为中继节点转发数据时，传输范围越大，到达目的地所需的节点数越少。为了实现最大的传输范围，就需要最大的电能消耗。中继节点从监测节点向目标节点转发传感器数据时预计的工作时间如表4所示。

2实验过程

2.1节点配置

节点配置为每隔1Hz对电池上的剩余电量进行采样，并每隔1s传输一次信息。使用这么快的频率是为了让系统消耗更多的电量，从而更快地停止工作，尽快得出数据。如果将系统放置在实际的农业监测环境中，频率可以调慢，因为实际情况下环境不会在短时间内迅速变化。开始实验前，电池已充满电，并确保了每个节点的太阳能电池板全天都能获得相似的电能。

2.2室外实验

其进行了4次实验，每次实验持续到其中一个监测节点的电源耗尽为止。

实验1:不开启太阳能电池，其余所有功能开启。

实验2:阳光强度高，所有功能开启。

实验3:阳光强度低，所有功能开启。

实验4:阳光强度中，所有功能开启。

3实验结果

3.1实验数据

（1）实验1。在耗电方面，WiFi的耗电量为171.17mA，ZigBee的耗电量为69．36mA，LoＲaWAN的耗电量为29.33mA。经计算，LoＲaWAN系统预计可运行225.00h，Zigbee系统预计可运行95.15h，WiFi系统预计可运行38．56h。实验结果显示:LoＲaWAN系统运行了166．23h，ZigBee系统运行了80.28h，WiFi系统运行了29.06h。

（2）实验2。本次实验接入了太阳能电池，结果表明太阳能电池可极大地提升系统运行时间。采用LoRaWAN技术的设备是最理想的，可运行228．20h，ZigBee系统可运行95．15H，WiFi系统可运行38．56h。

（3）实验3。本次实验由于日照时间减少，导致可充电电池的负载更大。LoRaWAN系统运行了174．64h，ZigBee系统运行了92．19h，WiFi系统运行了30．67h。

（4）实验4。实验结果如图12～图14所示。日照时间介于实验2和实验3之间，LoRaWAN系统运行了189．22h，ZigBee系统运行了88．25h，WiFi系统运行了28.85h。

3.2实验分析

通过实验可以看出:LoRaWAN具备最低的能耗水平，约为ZigBee的1/2、WiFi的1/5。这表明，在相同容量电池的条件下，LoRaWAN可以工作更长的时间。

LoRaWAN系统在实验2中运行了228.20h，实验3中运行了174.64h，实验4中运行了189.22h。由于设备的运行时间较长，太阳能电池工作的时间也随之延长，导致进一步增加了设备的运行时间。

ZigBee系统中，太阳能电池可以极大地延长实验节点的寿命。ZigBee实验2中系统运行了104.80h，实验3中运行了92.19h，实验4中运行了88.25h。与实验1比较，工作时间有很大提高。

WiFi系统中，使用太阳能电池对设备的运行时间影响很小。在实验2中，节点运行时间为28．3h，实验3中为30．67h，实验4中为28．85h。太阳能电池最大影响约为1h，这是因为WiFi的能耗太高，太阳能电池产生的电能对其影响微小。

根据实验结果(见表5)和技术特点可知:在需要短距离传输大量数据的情况下，WiFi是最佳方案;在需要长距离传输小量数据的情况下，LoRaWAN是最佳选择;ZigBee的吞吐量和传输距离都处在中间水平，功耗很低，并且很容易配置。

4结论

对Zigbee、LoRaWAN和WiFi等3种无线技术在具有能量采集功能的农业监测系统中的应用进行了实验分析，结果表明:LoRaWAN系统最适合农业应用，其次是Zigbee，WiFi较不理想。然而，续航时间不是设计方案时需要考虑的唯一参数，实际应用中要根据数据吞吐量和传输距离要求综合考虑选择。

[1]林甄,谢金冶,田硕等.基于农业物联网的无线通信技术实验研究[J].农机化研究,2022,44(06):188-193.

特别提醒：

物联网专业交流群欢迎物联网行业相关的人群加入，同时群内欢迎各路社牛、大咖、前辈加入，群内除了不能发敏感内容、色情内容，以及不太建议多次发送推广内容，其他内容皆可畅聊~——交流QQ群724511126，进群的朋友请备注：姓名-单位-研究方向（无备注请恕不通过），由编辑审核后邀请入群！