陳麗 夏興隆 卜樹坡

摘要：水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以提升水產(chǎn)養(yǎng)殖效率、實(shí)現(xiàn)科學(xué)養(yǎng)殖?？紤]到戶外監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)多、分布距離遠(yuǎn)、供電不方便等特點(diǎn)，從低功耗電路設(shè)計(jì)、低功耗器件選擇、低功耗算法等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使整個(gè)系統(tǒng)在電池供電條件下，滿足長(zhǎng)時(shí)間戶外使用需求。同時(shí)，對(duì)一種低功耗廣域網(wǎng)（LoRa）無(wú)線通信距離進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足大面積養(yǎng)殖場(chǎng)地的應(yīng)用需求。采用受限應(yīng)用協(xié)議（CoAP）、輕量級(jí)的機(jī)器到機(jī)器（LWM2M）協(xié)議將信號(hào)上傳至OneNET平臺(tái)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該系統(tǒng)休眠功耗為3 μA，工作時(shí)的平均功耗為22.68 μA，無(wú)線傳輸距離半徑不低于364 m。

關(guān)鍵詞：LoRa技術(shù);低功耗;遠(yuǎn)距離無(wú)線通信;水產(chǎn)養(yǎng)殖;云平臺(tái);CoAP

我國(guó)水環(huán)境污染嚴(yán)重，漁業(yè)水域環(huán)境質(zhì)量不容樂(lè)觀，水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境直接影響水產(chǎn)養(yǎng)殖成效，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水產(chǎn)養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境可為科學(xué)水產(chǎn)養(yǎng)殖提供依據(jù)。與傳統(tǒng)人工采集相比，傳感器網(wǎng)絡(luò)的搭建對(duì)于推進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖智能化、科學(xué)化起到了積極作用。目前，已有不少研究者針對(duì)各類水環(huán)境參數(shù)設(shè)計(jì)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。部分采用基于Modbus協(xié)議的485通信方式，這種模式采用有線通信的方式，更適合在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)水質(zhì)進(jìn)行分析[1]?？紤]到水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)地在戶外，存在范圍廣、不易布線、供電困難等特點(diǎn)，這種場(chǎng)景下更合適使用無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。姚達(dá)雯等采用紫蜂（ZigBee）技術(shù)與通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)（GPRS）相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)了適用于戶外的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使用ZigBee進(jìn)行節(jié)點(diǎn)信息采集、匯總，在匯聚節(jié)點(diǎn)處采用GPRS將數(shù)據(jù)上傳，實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)低功耗實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控[2]。孫卓在這一方式的基礎(chǔ)上，提出自適應(yīng)高速數(shù)據(jù)采樣與傳輸、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化的具體方法，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣萚3]。這種模式雖然可以滿足一定場(chǎng)景下水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，但是GPRS存在模塊啟動(dòng)電流大的問(wèn)題，將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的功耗，而資費(fèi)問(wèn)題也將影響這一系統(tǒng)的推廣。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)不斷成熟，資費(fèi)、功耗等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用最關(guān)注的問(wèn)題也得到了改進(jìn)。蔡向科等提出了一種基于 NB-IoT 和ZigBee的低功耗水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這一系統(tǒng)在功耗、節(jié)點(diǎn)生存周期等性能方面得到了顯著的提升[4]。在該系統(tǒng)中，主要通過(guò)設(shè)計(jì)采集周期自適應(yīng)調(diào)節(jié)算法和發(fā)射功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)算法來(lái)降低節(jié)點(diǎn)功耗，但是采用該方法會(huì)造成一定的丟包率。另外，ZigBee最常用的頻段是2.4 GHz[5]，傳輸距離短，不帶低噪聲放大器（LNA）和功率放大器（PA）的ZigBee模塊在室外開闊場(chǎng)地，傳輸距離小于110 m。增加LNA和PA，可以增加傳輸距離，但是會(huì)明顯增加功耗。對(duì)于諸如蘇州市陽(yáng)澄湖這類大面積養(yǎng)殖場(chǎng)地，需要設(shè)置很多傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自組網(wǎng)來(lái)解決這一問(wèn)題，大大增加了成本，顯然不能滿足應(yīng)用需求。因此，探索一種低功耗、遠(yuǎn)距離、高可靠的無(wú)線通信方式，對(duì)于提升水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)水平有著至關(guān)重要的作用。

與無(wú)線保真技術(shù)（WiFi）、ZigBee等基于 2.4 GHz 免執(zhí)照頻段的通信技術(shù)相比，基于頻率較低的Sub-GHz（頻率低于1 GHz）以下的頻段開發(fā)組網(wǎng)技術(shù)，具有通信距離遠(yuǎn)，繞射能力強(qiáng)等特點(diǎn)，更適合大面積場(chǎng)景的信息傳輸。雖然這類技術(shù)頻率低，存在傳輸速度慢的問(wèn)題，但是在養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)過(guò)程中，傳感器信息數(shù)據(jù)量較小，完全能滿足該場(chǎng)景的應(yīng)用需求。在眾多基于Sub-GHz頻段開發(fā)的通信技術(shù)中，長(zhǎng)距離（LoRa）技術(shù)具有通信距離遠(yuǎn)、運(yùn)行可靠、低功耗、低成本等特點(diǎn)，在郊區(qū)最大傳輸距離可達(dá)15 km，在小數(shù)據(jù)量傳輸?shù)膽?yīng)用場(chǎng)景中具有明顯的優(yōu)勢(shì)[6-8]。LoRa技術(shù)在LoRa聯(lián)盟的大力推廣下，已有通用的通信協(xié)議，逐漸成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重要支撐技術(shù)。與LoRa相比，NB-IoT也是最具潛力的無(wú)線通信技術(shù)，目前運(yùn)營(yíng)商們都在大力推廣這一技術(shù)，由于NB-IoT技術(shù)基站數(shù)量多，且能直接將數(shù)據(jù)通過(guò)云平臺(tái)中轉(zhuǎn)，能很方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，LoRa不具備這一優(yōu)勢(shì)[8]，但是采用這種技術(shù)，需要支付額外的費(fèi)用，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多時(shí)，成本較高。

結(jié)合LoRa和NB-IoT的優(yōu)勢(shì)，本研究設(shè)計(jì)出一種適用于大面積水產(chǎn)養(yǎng)殖的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并從低功耗器件選型、能量回收、優(yōu)化通信方案3個(gè)角度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)，滿足戶外場(chǎng)景的應(yīng)用需求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要包括水環(huán)境信息監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、基站、云平臺(tái)，整體架構(gòu)如圖1所示。其中，信息監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)包括水環(huán)境信息采集、信息傳輸功能?？紤]到LoRa技術(shù)通信距離及低功耗的需求，本研究主要采用星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，這種架構(gòu)不需要復(fù)雜的路由協(xié)議，更利于實(shí)現(xiàn)低功耗。每個(gè)信息監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)溶氧傳感器、pH值傳感器等采集養(yǎng)殖區(qū)域的水環(huán)境信息，通過(guò)LoRa模塊將信息發(fā)送至基站?；就ㄟ^(guò)LoRa模塊接收各節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，基站搭載NB（窄帶）模塊，將收集的監(jiān)測(cè)信息上傳至云平臺(tái)，使用者可以通過(guò)云平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)施監(jiān)控。

2 低功耗節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

信息監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)信息采集、無(wú)線通信。系統(tǒng)由STM8型單片機(jī)、LoRa通信模塊、傳感器模塊、電源模塊等組成。其中，水質(zhì)傳感器又包括pH值傳感器、溶氧傳感器。其硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

整個(gè)系統(tǒng)的核心器件為單片機(jī)，相比無(wú)線基站處理的大信息量數(shù)據(jù)，單個(gè)節(jié)點(diǎn)任務(wù)的處理難度較低、數(shù)據(jù)量較小，對(duì)單片機(jī)的要求并不高，因此選擇了性價(jià)比高、穩(wěn)定可靠的STM8系列單片機(jī)。單片機(jī)通過(guò)RS485串行接口與傳感器模塊進(jìn)行通信，同時(shí)增加低功耗供電及數(shù)據(jù)模塊，當(dāng)休眠時(shí)，用于切斷工作電源以降低功耗。通信模塊與單片機(jī)連接，可進(jìn)行雙向通信。通信模塊選擇支持LoRa的SX1278模塊，該模塊可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)線通信，且抗干擾能力強(qiáng)，該模塊通過(guò)串行外設(shè)接口（SPI）總線與單片機(jī)進(jìn)行通信。整個(gè)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中，不同模塊的工作電壓不同，大部分均在3.3 V下工作，各類水質(zhì)傳感器在12 V下工作，需要進(jìn)行升壓處理。

與基站相比，本研究的低功耗硬件系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量多，位置分散，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)外部供電，對(duì)低功耗要求更高。本研究中，低功耗節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)主要從以下幾方面實(shí)現(xiàn)。

2.1 超低功耗電子器件應(yīng)用

為了滿足超低功耗的節(jié)點(diǎn)需求，對(duì)于節(jié)點(diǎn)中最核心的單片機(jī)模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、無(wú)線通信模塊均選取低功耗電子器件。

單片機(jī)模塊選取意法半導(dǎo)體（ST）公司的STM8L052型超低功耗單片機(jī)，該單片機(jī)待機(jī)功耗小于0.8 μA，非常適合超低功耗的節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)控制。

電源轉(zhuǎn)換芯片采用超低功耗升壓直流轉(zhuǎn)換芯片SGM66099，該芯片能夠把1.1～3.3 V的輸入電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V的恒定輸出電壓，并且工作功耗僅為0.6 μA，是一種超低功耗的升壓電池管理芯片。

無(wú)線通信LoRa通信模塊采用高度集成化封裝芯片S78F，該芯片將Semtech公司的1 278芯片、匹配網(wǎng)絡(luò)、LNA低噪放芯片、晶振集成在一塊芯片內(nèi)，與傳統(tǒng)的無(wú)線模塊搭配周邊電路的模式相比，大大降低了LoRa模塊的工作電流，提高了無(wú)線性能及無(wú)線采集節(jié)點(diǎn)的可靠性。

2.2 低功耗電路

低功耗電路包括電源開關(guān)電路、電源轉(zhuǎn)換電路和數(shù)據(jù)采集電路3個(gè)部分。通過(guò)電源開關(guān)電路的通斷控制后續(xù)電路供電，定時(shí)打開數(shù)據(jù)采集電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以實(shí)現(xiàn)低功耗。

2.2.1 電源開關(guān)電路 電源開關(guān)電路由3V電池供電，輸出電壓是由POWER-ON開關(guān)信號(hào)控制的3 V電壓。通過(guò)圖3的電源開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)電池電能的輸出。當(dāng)開關(guān)信號(hào)為高電平時(shí)，N型金屬氧化物半導(dǎo)體管（N-MOS）Q3打開，控制P型金屬氧化物半導(dǎo)體管（P-MOS）Q2導(dǎo)通，輸出3V電壓;當(dāng)開關(guān)信號(hào)為低電平時(shí)，2個(gè)MOS管均關(guān)閉，不消耗電池電量。

2.2.2 電源轉(zhuǎn)換電路 整個(gè)硬件電路中，不同器件需要不同的工作電壓。8路RS485芯片和光耦芯片的工作電壓為5 V、傳感器工作電壓為12 V，其余芯片工作電壓均為3 V。因此，需要設(shè)計(jì)電源轉(zhuǎn)換電路，將電源開關(guān)電路的3 V輸出分別升壓至5 V和12 V。

圖4給出電源轉(zhuǎn)換電路，通過(guò)DC-DC變壓器，將電源開關(guān)電路的輸出電壓升壓至12 V。經(jīng)過(guò)LDO芯片將12 V電壓轉(zhuǎn)至5 V電壓進(jìn)行輸出。

2.2.3 數(shù)據(jù)采集電路 數(shù)據(jù)采集電路由485芯片、光隔離模塊組成，如圖5所示。J1接傳感器，通過(guò)485芯片進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)光隔離模塊送至單片機(jī)。當(dāng)不需要采集時(shí)，單片機(jī)通過(guò)電源開關(guān)電路將電路關(guān)斷，而控制信號(hào)RXD、TXD、DIR均輸出高電平，使信號(hào)線沒(méi)有漏電流存在，實(shí)現(xiàn)零功耗待機(jī);當(dāng)需要采集信號(hào)的時(shí)候，打開電源進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.3 超低功耗的脈沖式采集方法

通過(guò)降低采集、通信時(shí)間的占比，實(shí)現(xiàn)低功耗工作及組網(wǎng)。

通過(guò)本研究策略，LoRa無(wú)線組網(wǎng)的電流小于 15 mA，時(shí)間小于40 ms，連接頻率為10 min/次，平均電流可以通過(guò)公式（1）進(jìn)行計(jì)算。

節(jié)點(diǎn)的待機(jī)總電流小于3 μA。通過(guò)計(jì)算，節(jié)點(diǎn)的平均電流為22.68 μA。1 μA年耗能為 8.76 mAh，因此理論計(jì)算得到該系統(tǒng)年功耗為19868 mAh。按照2 000 mAh的5號(hào)電池容量計(jì)算，理論上節(jié)點(diǎn)可以使用10年?？紤]到電池本身的壽命，整個(gè)系統(tǒng)采用電池供電方案的使用壽命大于5年。

3 基站硬件設(shè)計(jì)

一般基站數(shù)量少，同時(shí)選擇可以方便接入外部電源的位置進(jìn)行安裝。因此，即使基站工作電流較大，通常也不需要低功耗的特殊設(shè)計(jì)。如圖所示，整個(gè)系統(tǒng)核心器件為單片機(jī)，考慮到網(wǎng)關(guān)需要處理來(lái)自各節(jié)點(diǎn)的信息， 處理難度大、 過(guò)程復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大，因此選擇搭載了ARM內(nèi)核的STM32L微控制器，該系列產(chǎn)品處理能力較強(qiáng)、穩(wěn)定可靠，適用于水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)搭載與節(jié)點(diǎn)相同的LoRa模塊，用于實(shí)現(xiàn)與節(jié)點(diǎn)間的通信，該模塊與單片機(jī)間通過(guò)SPI總線進(jìn)行通信。同時(shí)，系統(tǒng)搭載了移遠(yuǎn)的BC28 NB-IoT 模塊，通過(guò)窄帶蜂窩網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 信息監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)

節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集信息并將采集到的信息匯總到網(wǎng)關(guān)。節(jié)點(diǎn)工作流程如圖7所示。

節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)定時(shí)喚醒，單片機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)并讀取傳感器信號(hào)，判斷是否有無(wú)線信號(hào)，如果有無(wú)線信號(hào)則將信息通過(guò)通信模塊發(fā)送給無(wú)線基站。整個(gè)流程結(jié)束后，系統(tǒng)再次進(jìn)入休眠狀態(tài)。如果沒(méi)有無(wú)線信號(hào)，直接進(jìn)入休眠狀態(tài)。

4.2 基站軟件設(shè)計(jì)

基站負(fù)責(zé)收集節(jié)點(diǎn)的信息并將信息上傳至云平臺(tái)。基站工作流程如圖8所示。

開始工作后，STM32微控制器判斷從第1個(gè)節(jié)點(diǎn)開始，向節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令;發(fā)送后，等待節(jié)點(diǎn)響應(yīng)，并讀取節(jié)點(diǎn)采集的信息，并將信號(hào)發(fā)送至云平臺(tái)。

判斷變量N是否小于節(jié)點(diǎn)數(shù)，當(dāng)數(shù)量小于節(jié)點(diǎn)數(shù)則加1，繼續(xù)輪詢下一個(gè)節(jié)點(diǎn)采集到的信息;當(dāng)N到達(dá)節(jié)點(diǎn)數(shù)后，將N重置1。

所有流程結(jié)束后，延時(shí)一定時(shí)間，重新開始輪詢節(jié)點(diǎn)采集到的信息。

5 數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)

本研究采用NB-IoT硬件模塊，并通過(guò)該模塊將信息上傳至OneNET平臺(tái)，數(shù)據(jù)上傳采用CoAP+LWM2M協(xié)議。其中， CoAP作為傳輸層協(xié)議規(guī)定數(shù)據(jù)上傳的報(bào)文格式。

整個(gè)報(bào)文包括版本號(hào)、報(bào)文類型、TKL標(biāo)志符長(zhǎng)度、響應(yīng)碼和報(bào)文編號(hào)。

CoAP協(xié)議定義了4種不同形式的報(bào)文：CON報(bào)文、NON報(bào)文、ACK報(bào)文和RST報(bào)文，不同形式的報(bào)文表示不同的服務(wù)質(zhì)量?？紤]到統(tǒng)一由網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，選擇CON報(bào)文，通過(guò)重發(fā)的方式以降低丟包率。

這種協(xié)議可以采用Token動(dòng)態(tài)鑒權(quán)信息進(jìn)行鑒權(quán)。Token由version、res、et、method、sign這幾個(gè)參數(shù)構(gòu)成，分別表示版本號(hào)、訪問(wèn)資源、過(guò)期時(shí)間、簽名方法、簽名結(jié)果。計(jì)算后得到如下Token值：

該值為動(dòng)態(tài)值，根據(jù)過(guò)期時(shí)間設(shè)置結(jié)果決定有效時(shí)長(zhǎng)，以提高安全性能。

Option中給出報(bào)文選項(xiàng)，通過(guò)報(bào)文選項(xiàng)可設(shè)定CoAP主機(jī)、CoAP URI、CoAP請(qǐng)求參數(shù)和負(fù)載媒體類型。

6 性能測(cè)試與分析

本研究旨在設(shè)計(jì)低功耗的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，功耗測(cè)試是重要的評(píng)估指標(biāo)之一。同時(shí)，考慮到遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的需求，無(wú)線通信距離直接影響節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)的鋪設(shè)數(shù)量。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，對(duì)以下指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。

6.1 功耗測(cè)試

功耗測(cè)試主要集中在2個(gè)功耗較大的器件：通信模塊和水質(zhì)傳感器模塊。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，給出無(wú)線通信時(shí)LoRa模塊的工作電流脈沖如圖9所示，將采樣電阻（10 Ω）串聯(lián)到LoRa模塊的電源輸入正極，采樣電壓、脈沖分別為40、150 mV，計(jì)算得到的電流脈沖分別為4、15 mA，時(shí)間分別為3、37 ms，脈沖周期為10 min，由式（3）計(jì)算得到平均電流約為0.95 μA，略小于理論計(jì)算值。

水質(zhì)傳感器電流采樣電阻為0.2 Ω，采樣脈沖電壓為56 mV，計(jì)算得到的脈沖電流為280 mA。傳感器工作時(shí)間小于 40 ms，功耗也略小于理論計(jì)算值。

6.2 無(wú)線傳輸距離

LoRa技術(shù)的開發(fā)最初主要定位于低傳輸信息量的應(yīng)用場(chǎng)景，開發(fā)目標(biāo)為一次發(fā)送信息量不超過(guò)幾個(gè)字節(jié)[9]。該技術(shù)采用線性調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)[10]，既可保持像頻移鍵控調(diào)制相同的低功耗特性，又明顯增加了通信距離，提高了網(wǎng)絡(luò)效率并消除了干擾。該技術(shù)的主要參數(shù)包括帶寬、擴(kuò)頻因子和碼率。這些指標(biāo)直接影響通信效率，它們與比特率、信號(hào)在空氣中的持續(xù)時(shí)間的關(guān)系可由式（4）、（5）表示[9]。

通常，可以通過(guò)設(shè)置擴(kuò)頻因子[11]，調(diào)節(jié)比特率和信號(hào)在空氣中的持續(xù)時(shí)間。當(dāng)擴(kuò)頻因子大于2時(shí)，擴(kuò)頻因子越大，比特率越小，傳輸速度越慢。信號(hào)在空氣中持續(xù)的時(shí)間隨著擴(kuò)頻因子的增加呈指數(shù)上升趨勢(shì)。擴(kuò)頻因子越大，傳輸距離越遠(yuǎn)，理論傳輸距離可達(dá)到幾十公里;在距離要求相對(duì)較低的情況下，也可以通過(guò)減小擴(kuò)頻因子，來(lái)提高信息傳輸速度。當(dāng)BW=250 kHz、CR=4/5時(shí)，信號(hào)持續(xù)時(shí)間、波特率與擴(kuò)頻因子的關(guān)系如圖11所示。

無(wú)線接收信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）值、丟包率是通信性能的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。本研究對(duì)這2項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)考慮環(huán)境對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。根據(jù)上述分析，將LoRa的擴(kuò)頻因子定為8，信號(hào)發(fā)射功率設(shè)為L(zhǎng)oRa SX1278芯片的最大發(fā)射功率20 dBm。在測(cè)試過(guò)程中，依次穿過(guò)樓宇、灌木叢等障礙物。

不同測(cè)試距離下的測(cè)試結(jié)果如圖12所示，RSSI值與信號(hào)傳輸距離（d）的關(guān)系呈對(duì)數(shù)關(guān)系下降。具體關(guān)系如公式（6）所示，其中r2為0.969 2，擬合效果較好。

當(dāng)距離小于等于364 m時(shí)，丟包率均為0。當(dāng)距離超過(guò)382 m時(shí)，丟包率隨著距離增加而增加，也就意味著距離對(duì)丟包率的影響明顯增加。

7 結(jié)論

本研究基于LoRa通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了應(yīng)用于養(yǎng)殖環(huán)境場(chǎng)景的信息采集系統(tǒng)。在綜合考慮功耗、通信距離等因素的情況下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)選擇一系列低功耗器件、設(shè)計(jì)低功耗電路、優(yōu)化通信過(guò)程等方式，實(shí)現(xiàn)低功耗及遠(yuǎn)距離信息采集。該系統(tǒng)休眠功耗為3 μA，工作時(shí)的平均功耗為22.68 μA，采用電池供電，可實(shí)現(xiàn)5年以上的續(xù)航工作。在擴(kuò)頻因子為8，信號(hào)發(fā)射功率為 20 dBm 的情況下，RSSI值隨著通信距離增加，呈對(duì)數(shù)下降。通信距離不超過(guò)364 m時(shí)，通信效果較好，可推測(cè)對(duì)于通信范圍可以覆蓋半徑364 m，占地面積為41.6萬(wàn)m2的養(yǎng)殖區(qū)，安裝一個(gè)基站，就能滿足大部分養(yǎng)殖場(chǎng)地的需求。

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