陳 進(jìn)，傅晟捷，關(guān)卓懷，朱富豪，朱林軍，夏 慧，邢立成

基于LoRa技術(shù)的聯(lián)合收獲機(jī)群通信方法

陳 進(jìn)1，傅晟捷1，關(guān)卓懷2，朱富豪1，朱林軍3，夏 慧3，邢立成3

（1. 江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所南京 210014；3.江蘇沃得農(nóng)業(yè)機(jī)械股份有限公司，丹陽(yáng) 212300）

隨著農(nóng)業(yè)集約化、規(guī)模化及產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，聯(lián)合收獲機(jī)開(kāi)始以機(jī)群形式進(jìn)行多機(jī)聯(lián)合作業(yè)，由此衍生出對(duì)于聯(lián)合收獲機(jī)群物聯(lián)網(wǎng)及無(wú)線通信的需求。在無(wú)線通信技術(shù)中，LoRa技術(shù)在傳輸距離、部署方式等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。該研究提出了一種基于2.4 GHz LoRa技術(shù)的聯(lián)合收獲機(jī)群通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和工作模式。對(duì)LoRa相關(guān)參數(shù)使用NS-3網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)建立仿真模型，對(duì)擴(kuò)頻因子分配方案選擇、可容納節(jié)點(diǎn)數(shù)量和最小發(fā)送間隔進(jìn)行分析，并在聯(lián)合收獲機(jī)群模擬通信場(chǎng)景進(jìn)行仿真，同時(shí)開(kāi)發(fā)了機(jī)載終端硬件和軟件。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，在模擬通信場(chǎng)景下，選擇特定比例分配擴(kuò)頻因子可改善網(wǎng)絡(luò)通信性能；在保證90%以上接收成功率的前提下，靜態(tài)場(chǎng)景下1 625 kHz帶寬可支持25個(gè)節(jié)點(diǎn)以1 s的發(fā)送間隔進(jìn)行通信，在動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下1 625 kHz帶寬通信時(shí)延低于10 ms。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，“報(bào)告（Report）”模式下通信總體成功率為99.3%；“請(qǐng)求（Request）”模式下通信總體成功率為92.5%，平均響應(yīng)時(shí)間為123.07 ms。該研究將2.4 GHz LoRa技術(shù)應(yīng)用于聯(lián)合收獲機(jī)之間的無(wú)線通信，可為聯(lián)合收獲機(jī)機(jī)群協(xié)同作業(yè)時(shí)通信提供可行方法。

聯(lián)合收獲機(jī)；物聯(lián)網(wǎng)；無(wú)線通信；LoRa技術(shù)

0 引 言

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)開(kāi)始向集約化、規(guī)?；爱a(chǎn)業(yè)化的方向發(fā)展[1]，田間收獲作業(yè)模式逐漸開(kāi)始采用多臺(tái)聯(lián)合收獲機(jī)協(xié)同作業(yè)的形式，即聯(lián)合收獲機(jī)群作業(yè)模式[2]。多臺(tái)聯(lián)合收獲機(jī)協(xié)同作業(yè)可更快完成收獲作業(yè)任務(wù)，也便于作業(yè)人員集中管理。在特定情況下，相較單臺(tái)大型聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)，使用多臺(tái)小型聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)可更合理地分配作業(yè)任務(wù)，綜合使用成本更低。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于聯(lián)合收獲機(jī)群相關(guān)方向都展開(kāi)了一些研究。Iida等提出了一種農(nóng)機(jī)自動(dòng)跟隨控制系統(tǒng)[3]，跟隨者以不變的相對(duì)位置跟隨引導(dǎo)行駛作業(yè)。Hao等提出了一種聯(lián)合收獲機(jī)和運(yùn)糧車(chē)協(xié)同方案[4]，跟隨者根據(jù)領(lǐng)航者的指令控制自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在國(guó)內(nèi)，白曉平等提出了一種基于領(lǐng)航-跟隨結(jié)構(gòu)的收獲機(jī)群協(xié)同導(dǎo)航控制方法[5]。姚竟發(fā)等提出一種在聯(lián)合收獲機(jī)多機(jī)作業(yè)時(shí)的路徑優(yōu)化算法[6]。目前對(duì)于聯(lián)合收獲機(jī)機(jī)群作業(yè)的研究更多關(guān)注于協(xié)同導(dǎo)航方面[7]，對(duì)于聯(lián)合收獲機(jī)在作業(yè)過(guò)程中的通信方案的相關(guān)研究較少。

現(xiàn)有無(wú)線通信技術(shù)，如Bluetooth、ZigBee、NB-IoT、數(shù)傳電臺(tái)、LoRa等都可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間通信[8]，其中Bluetooth[9]和ZigBee技術(shù)[10-12]的通信距離一般都小于300 m，對(duì)于大型農(nóng)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境，其通信距離相對(duì)較短。NB-IoT技術(shù)構(gòu)建在現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)上[13]，需要基站作為通信基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)于部分田間環(huán)境無(wú)法滿足作業(yè)要求。數(shù)傳電臺(tái)模塊往往需要更高的費(fèi)用，此外許多數(shù)傳電臺(tái)在通信時(shí)所使用的工作頻段不僅需要申請(qǐng)，而且還需要繳納相應(yīng)的使用費(fèi)用，成本較高。因此，考慮到成本、傳輸速率、傳輸距離、節(jié)點(diǎn)容量及部署方式，LoRa通信技術(shù)在聯(lián)合收獲機(jī)群間通信的應(yīng)用有一定優(yōu)勢(shì)。LoRa Alliance的創(chuàng)始成員Semtech公司發(fā)布了2.4 GHz的LoRa芯片，使得LoRa的工作頻段從Sub-GHz（即頻率為1GHz以下，27 ～960 MHz）增加至2.4 GHz，由于2.4 GHz頻段是各國(guó)通用的頻段，提高了該技術(shù)的通用性，同時(shí)其部分性能得到提高[14]。

本文在分析LoRa技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)上，擬設(shè)計(jì)聯(lián)合收獲機(jī)群間通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)通信模型，利用NS-3網(wǎng)絡(luò)仿真軟件分析在聯(lián)合收獲機(jī)群間模擬通信場(chǎng)景下網(wǎng)絡(luò)的通信性能，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)聯(lián)合收獲機(jī)群的機(jī)載終端，以解決聯(lián)合收獲機(jī)機(jī)群之間的通信問(wèn)題，并在田間環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試。

1 聯(lián)合收獲機(jī)群通信網(wǎng)絡(luò)

1.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在聯(lián)合收獲機(jī)群協(xié)同作業(yè)場(chǎng)景下，現(xiàn)有的相關(guān)研究都是采用領(lǐng)航者與跟隨者的模式，即在機(jī)群中設(shè)有一臺(tái)主機(jī)身份的聯(lián)合收獲機(jī)，其余聯(lián)合收獲機(jī)作為從機(jī)。因此，本文研究的聯(lián)合收獲機(jī)群通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以主機(jī)與從機(jī)的形式構(gòu)建，即通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)主要由從機(jī)端匯總至主機(jī)端，其通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

雖然在邏輯層聯(lián)合收獲機(jī)群中存在主機(jī)與從機(jī)關(guān)系，但主機(jī)與從機(jī)所用的硬件是相同的。因此在實(shí)際應(yīng)用中可統(tǒng)一部署相同的硬件，只需改變程序中的主機(jī)與從機(jī)模式，后續(xù)分析中也同樣保持通信網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)硬件參數(shù)的一致性。

1.2 節(jié)點(diǎn)工作方式

聯(lián)合收獲機(jī)群中的主機(jī)與從機(jī)的工作模式有所區(qū)別，其各自的工作狀態(tài)如圖2所示。

主機(jī)和從機(jī)都具有“請(qǐng)求（Request）”模式，節(jié)點(diǎn)在發(fā)起請(qǐng)求后會(huì)在設(shè)定時(shí)間內(nèi)等待對(duì)方響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)一次可確認(rèn)的發(fā)送。在狀態(tài)類(lèi)型上，從機(jī)具有“報(bào)告（Report）”狀態(tài)，用于定時(shí)向主機(jī)匯報(bào)自身的數(shù)據(jù)。此外，兩者最大的差別是接收窗口的開(kāi)啟情況，主機(jī)可自由發(fā)起數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求，且在完成數(shù)據(jù)發(fā)送后立即打開(kāi)接收窗口，準(zhǔn)備數(shù)據(jù)接收，其中發(fā)送時(shí)間為數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間；從機(jī)僅在需要接收響應(yīng)消息時(shí)打開(kāi)接收窗口，其余時(shí)間都處于關(guān)閉狀態(tài)。

圖1 聯(lián)合收獲機(jī)群通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖2 主機(jī)和從機(jī)工作狀態(tài)

2 LoRa技術(shù)基本原理

LoRa是一種具有前向糾錯(cuò)能力的擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，是Semtech公司設(shè)計(jì)的物理層規(guī)范[15]，可使用較低的功耗實(shí)現(xiàn)數(shù)公里的數(shù)據(jù)通信。作為CSS（Cascading Style Sheets）的一種變體，其調(diào)制頻率線性調(diào)頻脈沖而不改變相鄰符號(hào)之間的相位[16]，從而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。因此，LoRa調(diào)制過(guò)的信號(hào)能夠抵擋噪聲或頻率相近信號(hào)的干擾，此外，該技術(shù)的傳輸帶寬較大，可減少由低成本晶振引起的頻率偏移，降低硬件成本。另外，該技術(shù)減少了消息包頭大小和網(wǎng)絡(luò)尋址方面的復(fù)雜性，從而在依賴較少基礎(chǔ)設(shè)施的情況下以較低的功耗實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的雙向通信。

LoRa技術(shù)的傳輸比特率計(jì)算如公式（1）所示。

式中BW為通信帶寬、CR為編碼率，SF為擴(kuò)頻因子。此外傳輸功率、載波頻率不同程度地影響無(wú)線鏈路的性能表現(xiàn)。傳輸功率指的是發(fā)射端的射頻發(fā)送功率，更高的發(fā)射功率可以實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的通信距離，但是受地方法規(guī)限制。載波頻率是無(wú)線信號(hào)傳輸時(shí)的中心頻率，該參數(shù)由LoRa芯片決定，同時(shí)，不同的工作頻段受地方法規(guī)有所限制。帶寬所占傳輸頻段的寬度。較高的帶寬通?？蓭?lái)更高的傳輸速率，但同時(shí)會(huì)引入更多的噪聲干擾，從而使靈敏度會(huì)更低。相對(duì)應(yīng)，較低的帶寬傳輸速率較低，靈敏度更高。具體帶寬可選范圍由所用芯片的可選帶寬參數(shù)決定。擴(kuò)頻因子作為L(zhǎng)oRa通信中的重要參數(shù)，極大地影響通信距離和速率，其實(shí)質(zhì)為符號(hào)速率與芯片速率之間比值。擴(kuò)頻因子增加1倍，其傳輸速率降低50%，同時(shí)傳輸時(shí)間增加導(dǎo)致功耗增加[17]。由于LoRa不同的擴(kuò)頻因子之間是正交關(guān)系，不同的擴(kuò)頻因子在通信過(guò)程中不受相互干擾的。編碼率是進(jìn)行循環(huán)糾錯(cuò)編碼時(shí)所使用的編碼速率，可設(shè)置為4/5、4/6、4/7和4/8，編碼率影響實(shí)際發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度以及數(shù)據(jù)糾錯(cuò)能力。

根據(jù)實(shí)際仿真需求以及應(yīng)用便利性，本文選擇NS-3作為L(zhǎng)oRa網(wǎng)絡(luò)模型的仿真平臺(tái)。NS-3是一種用于研究和教育用途的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，由全球開(kāi)源社區(qū)開(kāi)發(fā)維護(hù)，采用GNU GPL證書(shū)[18]。NS-3本身是一個(gè)離散時(shí)間模擬器，通常在命令行端運(yùn)行，使用C++編寫(xiě)開(kāi)發(fā)。NS-3提供了分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)工作和執(zhí)行的模型，并提供了仿真引擎用于仿真試驗(yàn)。建立模擬事件即由NS-3的調(diào)度程序組織C++函數(shù)調(diào)用。用戶將NS-3源碼編譯為共享或靜態(tài)庫(kù)，并鏈接到main()程序，main()程序執(zhí)行模擬場(chǎng)景的配置并運(yùn)行和停止模擬器。

3 LoRa網(wǎng)絡(luò)模型

3.1 射頻芯片模型

目前，支持2.4GHz LoRa通信的射頻芯片僅有Smetch公司的SX1280系列芯片，因此本文使用該芯片作為每個(gè)節(jié)點(diǎn)的LoRa芯片，芯片模型參數(shù)均參考，如表 1[19]所示。

表1 SX1280芯片參數(shù)

根據(jù)LoRa芯片的運(yùn)行機(jī)制，為每個(gè)終端設(shè)備分別建立物理層及控制層。使用NS3系統(tǒng)中的Channel模塊，將多個(gè)模擬的LoRa設(shè)備注冊(cè)至該模塊，完成對(duì)注冊(cè)設(shè)備的發(fā)送及接收行為的調(diào)度，從而模擬現(xiàn)實(shí)中在無(wú)線信道上LoRa設(shè)備的收發(fā)過(guò)程。芯片模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 芯片模型結(jié)構(gòu)圖

Mac層負(fù)責(zé)定義設(shè)備工作模式，由應(yīng)用層需求設(shè)定LoRa設(shè)備工作參數(shù)（包括擴(kuò)頻因子、帶寬、頻率、編碼率、接收通道數(shù)量等），并根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景模擬芯片收發(fā)模式。物理層完成對(duì)LoRa的物理層建模，模擬芯片運(yùn)行狀態(tài)（包括發(fā)送、接收、空閑、睡眠狀態(tài)）轉(zhuǎn)換，接收靈敏度參數(shù)、信號(hào)傳輸時(shí)間。該層中發(fā)送函數(shù)負(fù)責(zé)將發(fā)送時(shí)間依據(jù)傳輸時(shí)間交由Channel模塊完成事件調(diào)度，其中接收函數(shù)由Channel模塊喚醒執(zhí)行，經(jīng)信號(hào)碰撞模型計(jì)算確認(rèn)數(shù)據(jù)包接收狀態(tài)。

Channel模塊負(fù)責(zé)所有注冊(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)包調(diào)度，模擬實(shí)際信道的時(shí)延及路徑衰減。該模塊根據(jù)無(wú)線信道模型計(jì)算信號(hào)經(jīng)過(guò)路徑衰減后的功率值，并調(diào)用執(zhí)行LoRa的Phy層接收處理函數(shù)。

3.2 路徑衰減模型

從發(fā)射端到接收端的無(wú)線信號(hào)傳輸鏈路[20]可用式 （2）表達(dá)。

根據(jù)討論的應(yīng)用場(chǎng)景，聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)環(huán)境為大面積開(kāi)闊田地[21]，由此可以設(shè)定仿真場(chǎng)景為自由空間，其定義為收發(fā)雙方之間存在視距距離LOS (Line of Sight)（即在第一菲涅爾區(qū)至少達(dá)到60%清晰）。針對(duì)這種情況可使用自由空間路徑損耗模型來(lái)計(jì)算通信中的路徑損耗，該模型僅考慮收發(fā)點(diǎn)之間的損耗，忽略障礙物的干擾，計(jì)算如式（3）所示。

式中為信號(hào)頻率，MHz，為收發(fā)點(diǎn)之間距離，km。

3.3 碰撞模型

由于本研究應(yīng)用于聯(lián)合收獲機(jī)，在田間環(huán)境中幾乎不存在其他無(wú)線設(shè)備，因此本文的碰撞模型中只考慮LoRa無(wú)線信號(hào)之間的干擾，忽略其他信號(hào)引入的干擾。因此，僅考慮具有部分正交特性的擴(kuò)頻因子之間的干擾問(wèn)題，對(duì)此Goursaud等[22]計(jì)算了所有擴(kuò)頻因子（SF7～SF12）之間信道抑制，并由此獲得一個(gè)相對(duì)SINR（信號(hào)與干擾加噪聲比Signal to Interference plus Noise Ratio）閾值矩陣（式（4）），用于判斷數(shù)據(jù)包能否在其他LoRa信號(hào)的干擾下存活。

式（4）中矩陣元素T,j的意義為使用擴(kuò)頻因子發(fā)送的數(shù)據(jù)包在擴(kuò)頻因子的信號(hào)干擾下能被正確接收的最小SINR值。無(wú)線信號(hào)在傳輸過(guò)程中時(shí)，空中同時(shí)存在多個(gè)LoRa信號(hào)的干擾，因此需滿足所有干擾信號(hào)的邊界條件，并對(duì)每個(gè)擴(kuò)頻因子的接收功率進(jìn)行求和操作。

在實(shí)際過(guò)程中，機(jī)群之間的通信并不是時(shí)間同步的，因此數(shù)據(jù)包在空中相遇的時(shí)間并不是完全重疊的，如圖4所示。

注：Prc,x為擴(kuò)頻因子x的接收功率；Prc,y為擴(kuò)頻因子y的接收功率；t1為數(shù)據(jù)包相遇時(shí)間；Tx為擴(kuò)頻因子x的數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間；Ty為擴(kuò)頻因子y的數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間。

3.4 節(jié)點(diǎn)分布及移動(dòng)

聯(lián)合收獲機(jī)群仿真場(chǎng)景分為2種，分別為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)靜止?fàn)顟B(tài)和移動(dòng)狀態(tài)。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)固定不動(dòng)的情況下，選擇半徑為3 km的圓形面積作為所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的部署范圍，所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均勻部署在該圓形范圍內(nèi)。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)情況對(duì)應(yīng)聯(lián)合收獲機(jī)實(shí)際作業(yè)狀態(tài)，參考大部分農(nóng)田的分布形式，將其簡(jiǎn)化為棋盤(pán)狀分布，即每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)初始位置在固定間隔的點(diǎn)上。由于多臺(tái)收獲機(jī)同時(shí)作業(yè)時(shí)，每臺(tái)機(jī)器之間的相對(duì)位置是復(fù)雜且不固定。因此在仿真時(shí)讓每個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)活動(dòng)，以1.5 m/s的速度在平面方向改變位置。

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 擴(kuò)頻因子分配方案

對(duì)于由多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的LoRa網(wǎng)絡(luò)，擴(kuò)頻因子分配方案對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能參數(shù)有極大的影響，本文嘗試對(duì)3種擴(kuò)頻因子分配方案進(jìn)行仿真分析。

這3種分配方案分別為固定分配、平均分配和比例分配。固定分配將所有節(jié)點(diǎn)設(shè)置為統(tǒng)一的擴(kuò)頻因子值；平均分配將所有可選的擴(kuò)頻因子值范圍平均分配給每個(gè)節(jié)點(diǎn)；比例分配相比平均分配，按相對(duì)距離以及分配比例完成節(jié)點(diǎn)擴(kuò)頻因子的設(shè)置。其中，擴(kuò)頻因子的分配比例參考相關(guān)研究[24-25]計(jì)算得出，具體數(shù)值如表（2）所示。

表2 擴(kuò)頻因子分配比例

為避免因發(fā)送間隔較小造成數(shù)據(jù)包無(wú)法及時(shí)處理而導(dǎo)致丟失，仿真中的發(fā)送間隔設(shè)置為30 s。其中，節(jié)點(diǎn)數(shù)量設(shè)置為50至250個(gè)，步長(zhǎng)為50。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同擴(kuò)頻因子分配方案仿真結(jié)果

由圖5a可知，在節(jié)點(diǎn)數(shù)為50時(shí)均勻分配和特定分配方案的成功率達(dá)到90%以上，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加，均勻分配的丟包率增加較為明顯，數(shù)據(jù)包接收成功率整體下降，在節(jié)點(diǎn)數(shù)為250時(shí)成功率降至約80%。其他兩個(gè)方案波動(dòng)較小，其中特定分配的成功率均高于固定分配，且波動(dòng)相對(duì)較小。

由圖5b可知，固定分配方案在100節(jié)點(diǎn)數(shù)量時(shí)出現(xiàn)波動(dòng)，比值為0.16，低于均勻分配，其余情況均比其他兩類(lèi)方案數(shù)值大。均勻分配在節(jié)點(diǎn)數(shù)為100時(shí)波動(dòng)劇烈。而特定分配方案在多數(shù)情況下該值都優(yōu)于其他兩種方案，碰撞丟失比值保持在0.1以下，整體比較穩(wěn)定。因此，特定分配方法可減少由于數(shù)據(jù)包碰撞引起的丟失。

4.2 靜態(tài)節(jié)點(diǎn)場(chǎng)景分析

聯(lián)合收獲機(jī)群間的無(wú)線通信，需要考慮該網(wǎng)絡(luò)可支持的設(shè)備數(shù)量以及可允許的最低發(fā)送間隔。仿真試驗(yàn)采用上文所述的靜態(tài)模型，節(jié)點(diǎn)數(shù)量從1至50個(gè)，步長(zhǎng)為1；發(fā)送間隔從0.05 s至20 s，步長(zhǎng)為0.05 s；分別對(duì)203、406、812和1 625 kHz的帶寬進(jìn)行仿真分析，具體試驗(yàn)參數(shù)如表3所示。

圖6為不同帶寬下節(jié)點(diǎn)數(shù)量和發(fā)送間隔對(duì)數(shù)據(jù)包接收成功率的影響。由圖6可知，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量越多且發(fā)送間隔越短時(shí)，數(shù)據(jù)包丟失越嚴(yán)重。比較不同帶寬條件可發(fā)現(xiàn)，1 625 kHz帶寬下的表現(xiàn)要明顯優(yōu)于較小帶寬的表現(xiàn)，從203 kHz帶寬至1 625 kHz帶寬，低色溫面積逐漸減少，且出現(xiàn)在靠近節(jié)點(diǎn)數(shù)量軸的正方向和發(fā)送間隔的負(fù)方向，即可容納更多節(jié)點(diǎn)和更短的發(fā)送間隔。

表3 LoRa網(wǎng)絡(luò)仿真參數(shù)

為進(jìn)一步分析節(jié)點(diǎn)數(shù)量和發(fā)送間隔對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響，將數(shù)據(jù)包傳輸成功率高于90%作為通信合格指標(biāo)，進(jìn)一步分析在不同發(fā)送間隔情況下，可容納的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，仿真試驗(yàn)中設(shè)置最大節(jié)點(diǎn)數(shù)量為50個(gè)，最大發(fā)送間隔為20 s，203 kHz帶寬未達(dá)到最大節(jié)點(diǎn)數(shù)量，而406、812和1 625 kHz帶寬分別在12.5、6.25和3.15 s時(shí)達(dá)到仿真設(shè)置最大值，隨著所用帶寬增加，在相同發(fā)送間隔情況下，高帶寬可容納更多節(jié)點(diǎn)，同時(shí)其增長(zhǎng)率也更快。

圖6 靜態(tài)場(chǎng)景下數(shù)據(jù)包接收成功率

a. 203 kHzb. 406 kHzc. 812 kHzd. 1 625 kHz

4.3 動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)場(chǎng)景分析

在聯(lián)合收獲機(jī)群通信過(guò)程中，每臺(tái)聯(lián)合收獲機(jī)都處于各自運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，為此采用上文所述的動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)模型，以靜態(tài)仿真結(jié)果作為參考，分析網(wǎng)絡(luò)在發(fā)送間隔1 s的情況下的表現(xiàn)。

如圖8所示，在節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)移動(dòng)時(shí)，以1 s發(fā)送間隔可保證最大的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。與靜態(tài)仿真時(shí)結(jié)果類(lèi)似，較大的帶寬可容納更多的節(jié)點(diǎn)完成通信，同時(shí)與靜態(tài)結(jié)果相比在同樣1 s的發(fā)送間隔下，可支持的節(jié)點(diǎn)數(shù)量有一定程度的減少。

圖8 動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下支持節(jié)點(diǎn)數(shù)量

圖9 為不同帶寬條件下的平均接收信號(hào)強(qiáng)度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）值，即一次仿真結(jié)果中的所有節(jié)點(diǎn)每次通信時(shí)的RSSI值的平均值。RSSI值代表接收端接收到的信號(hào)強(qiáng)度，從圖中可以看出，隨著帶寬的增大，RSSI值逐漸減小，同時(shí)該值均在SX1280射頻芯片性能參數(shù)范圍內(nèi)，因此存在由于接收信號(hào)強(qiáng)度過(guò)低導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失情況，符合仿真結(jié)果。

圖9 動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下平均接收信號(hào)強(qiáng)度指示

圖10為不同帶寬條件下的平均通信時(shí)延，即仿真過(guò)程中每個(gè)節(jié)點(diǎn)每次通信時(shí)延的平均值。由圖10可知，隨著帶寬的增加，通信時(shí)延逐漸降低。其中，203 kHz帶寬的時(shí)延最大，約30 ms，1 625 kHz帶寬的時(shí)延最小，約為10 ms。

圖10 動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下平均時(shí)延

5 田間試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)方法

田間試驗(yàn)地點(diǎn)為江蘇省丹陽(yáng)市肇達(dá)村農(nóng)場(chǎng)，試驗(yàn)時(shí)間為2021年11月1日至3日。試驗(yàn)裝置為自行設(shè)計(jì)的機(jī)載終端設(shè)備，采用STM32H743主控芯片和SX1280射頻芯片，安裝在聯(lián)合收獲機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)上。聯(lián)合收獲機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)為沃得皓龍4LZ-8F輪式縱軸流聯(lián)合收獲機(jī)，機(jī)載終端和試驗(yàn)場(chǎng)景如圖11所示。

機(jī)載終端主要有MCU系統(tǒng)主控單元、STM32H74單片機(jī)（MCU系統(tǒng)主控單元），SX1280模塊（loRa網(wǎng)絡(luò)通信部分）、人機(jī)交互和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分、以及作業(yè)參數(shù)傳感器和性能參數(shù)傳感器部分，結(jié)構(gòu)框圖如圖12所示。

圖12 機(jī)載終端結(jié)構(gòu)框圖

機(jī)載終端人機(jī)交互界面，如圖13所示。

圖13 機(jī)載終端人機(jī)交互界面

5.2 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)設(shè)置2個(gè)機(jī)載終端分別為主機(jī)與從機(jī)模式，并在過(guò)程中保持兩者位置相對(duì)固定，相對(duì)距離保持在240 m左右。分別測(cè)試Report和Request模式下的通信性能。

對(duì)于Report模式，設(shè)置從機(jī)以不同的發(fā)送間隔向主機(jī)發(fā)送固定長(zhǎng)度的作業(yè)數(shù)據(jù)，測(cè)試該模式下數(shù)據(jù)包傳輸成功率。對(duì)于Request模式，從機(jī)按不同的發(fā)送間隔發(fā)送請(qǐng)求，并在250 ms時(shí)間內(nèi)等待主機(jī)響應(yīng)，若從機(jī)成功接收到響應(yīng)消息則表示通信成功，其中請(qǐng)求和回應(yīng)消息長(zhǎng)度相同。試驗(yàn)參數(shù)如表4所示。

表4 試驗(yàn)參數(shù)

5.3 結(jié)果與分析

測(cè)試過(guò)程中每個(gè)發(fā)送間隔每次測(cè)試數(shù)據(jù)包數(shù)量為100個(gè)，重復(fù)3次試驗(yàn)。在Report模式下，記錄主機(jī)接收到數(shù)據(jù)包數(shù)量，結(jié)果如表5所示，主機(jī)接收從機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包的平均成功率在98%以上，且在不同的發(fā)送間隔下成功率變化并不明顯。

在Request模式下，一次成功的通信需要主、從機(jī)各發(fā)送一次數(shù)據(jù)包，通過(guò)從機(jī)端記錄發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)間戳和接收數(shù)據(jù)包時(shí)間戳計(jì)算出該模式下的響應(yīng)時(shí)間。該模式下的測(cè)試結(jié)果分別如表5和表6所示。

表5 Report和Request模式下的數(shù)據(jù)包接收成功率

表6 Request模式下的響應(yīng)時(shí)間

在“Request”模式測(cè)試時(shí)，由于數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間限制，最小發(fā)送間隔設(shè)置為250 ms。由表5可知，相比“Report”模式，其通信成功率明顯降低，其原因除需要進(jìn)行連續(xù)2次通信外，主機(jī)處理能力同樣會(huì)影響通信成功率。SX1280僅有一條接收通道，當(dāng)短時(shí)間內(nèi)有較多數(shù)據(jù)包發(fā)送至主機(jī)時(shí)會(huì)出現(xiàn)接收窗口被占據(jù)的情況，因此一定程度上限制了該模式下的網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)。

由表6可以看到，在該試驗(yàn)條件下，Request模式的總體平均響應(yīng)時(shí)間為123.07 ms，基本滿足聯(lián)合收獲機(jī)群對(duì)于有應(yīng)答通信的應(yīng)用需求。此外，該指標(biāo)受發(fā)送數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度、通信環(huán)境及參數(shù)影響。同時(shí)，根據(jù)該模式下的響應(yīng)時(shí)間與數(shù)據(jù)包有效載荷，可使用式（6）估算有效數(shù)據(jù)傳輸速率。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算得有效數(shù)據(jù)傳輸速率約為33.15 ×103bit/s，同時(shí)根據(jù)semtech公司提供的參考值，其理論傳輸速率為71.09 ×103bit/s。與理論計(jì)算值存在較大差距，其原因一方面由于Request模式并不是設(shè)計(jì)用于準(zhǔn)確地測(cè)試傳輸速率，測(cè)得的響應(yīng)時(shí)間僅代表在該工作模式下完成一次通信流程花費(fèi)的時(shí)間，因此與實(shí)際空中傳輸時(shí)間存在較大出入。此外，由于測(cè)試環(huán)境及硬件設(shè)備的影響，該場(chǎng)景下所設(shè)置的參數(shù)并不是最佳值，與理論情況下有一定差距。

6 結(jié) 論

本文研究了2.4 GHz LoRa技術(shù)在聯(lián)合收獲機(jī)群通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的表現(xiàn)，介紹了聯(lián)合收獲機(jī)群通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和工作模式，建立對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)模型，使用NS-3網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)進(jìn)行分析，最后在田間試驗(yàn)中測(cè)試了所設(shè)計(jì)機(jī)載終端和通信程序的表現(xiàn)，主要結(jié)果如下：

1）仿真分析了不同擴(kuò)頻因子分配方案的通信，結(jié)果表明機(jī)群通信采用按相對(duì)距離以及特定比例動(dòng)態(tài)分配方案表現(xiàn)最佳。在靜態(tài)場(chǎng)景下高帶寬與小帶寬相比，高帶寬可容納更多的節(jié)點(diǎn)以及更短的發(fā)送間隔，在1 625 kHz帶寬1 s發(fā)送間隔下，可同時(shí)容納25個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下通信最大時(shí)延約為30 ms，最小時(shí)延低于10 ms。

2）田間試驗(yàn)使用自行設(shè)計(jì)的機(jī)載終端分別測(cè)試了Report和Request模式的通信。在Report模式下，不同發(fā)送間隔總體通信成功率為99.3%。在Request測(cè)試中，通信總體成功率為92.5%，較小發(fā)送間隔時(shí)成功率有所降低，主要原因?yàn)樗糜布慕邮胀ǖ垒^少，總體平均響應(yīng)時(shí)間123.07 ms，有效數(shù)據(jù)傳輸速率約為33.15×103byte/s。

綜上，LoRa網(wǎng)絡(luò)可基本滿足聯(lián)合收獲機(jī)群通信對(duì)于容納設(shè)備數(shù)量和發(fā)送間隔需求，可根據(jù)通信間隔需求適當(dāng)調(diào)整機(jī)群中節(jié)點(diǎn)數(shù)量。Report模式支持更高的通信頻率，適用于聯(lián)合收獲機(jī)群作業(yè)數(shù)據(jù)上報(bào)，Request模式可適合低頻率的有應(yīng)答的通信。2.4 GHz LoRa通信技術(shù)應(yīng)用于聯(lián)合收獲機(jī)群通信具有一定的可行性及實(shí)際價(jià)值。同時(shí)，通過(guò)仿真和實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果可以看到，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高以及高頻通信的應(yīng)用場(chǎng)景，2.4 GHz LoRa仍存在較大的挑戰(zhàn)，一方面由于該技術(shù)傳輸速率相對(duì)不高，另一方面對(duì)于大量的數(shù)據(jù)包接收情況，單通道的接收方式限制了其接收能力，需要進(jìn)一步借助多通道硬件改善。

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Communication method for combine harvester group using Lora technology

Chen Jin1, Fu Shengjie1, Guan Zhuohuai2, Zhu Fuhao1, Zhu Linjun3, Xia Hui3, Xing Licheng3

(1.,,212013,; 2.,,210014; 3..,.,212300)

Multi-machine harvesting has been the popular form to improve the operation efficiency of the combine harvester, particularly with agricultural intensification, scale, and industrialization. The demand can also be required for the Internet of Things (IoT) and wireless communication of the combine harvester group. However, the current communication technologies of the IoT cannot fully meet the unstructured and large-scale agricultural scenarios, due mainly to the industrial design with the relatively short communication distance, low reliability, and high cost. Fortunately, the LoRa technology has unique advantages in the transmission distance, transmission rate, node capacity, and deployment mode. Moreover, the lower cost is suitable for the large-scale deployment of agricultural vehicles. At the same time, the parameters of LoRa technology can fully meet the needs of wireless communication in the operation scenario of combine harvester group. In addition, the 2.4 GHz band can further improve the performance of LoRa technology and regional universality. Therefore, wireless communication can be expected to apply to the scenario of combine harvester group. In this study, a communication network structure was proposed for the working mode of combine harvester group using the 2.4 GHz LoRa technology. Firstly, the LoRa network structure was constructed for the joint harvester cluster in the form of host and slave. The working mode of each node was then set using the cooperative operation scenario of the harvesters group. A radio frequency chip model (SX1280) was selected to simulate the transceiver mode, according to the application scenario. The optimal path attenuation model was chosen for the maximum communication distance between the master and slave. Secondly, a simulation model was established to optimize the application parameters of LoRa using NS-3 network platform, including the bandwidth, coding rate, spreading factor, transmission power, and frequency. The static and moving state of network nodes were used for the simulation scenarios of combine harvester communication network. Once the network nodes were fixed, a circular area with a radius of 3 km was selected as the deployment range of all network nodes. All network nodes were deployed in the circular range, according to the law of uniform distribution. The allocation scheme of spread spectrum factor was selected to accommodate the number of nodes and the minimum transmission interval in the simulated communication scenario of combine harvester cluster. Finally, the hardware and software were designed for the hardware terminal in the communication protocol of the combine harvester group. Both simulation and field experiments were conducted to comprehensively evaluate the effectiveness of the new LoRa for the combine harvesters group. The simulation results show that the spread spectrum factor with the specific proportion improved the network communication performance in the application scenario. When more than 90% of the reception success rate was guaranteed, the 1 625 kHz bandwidth supported by the 25 nodes to communicate at a 1 s transmission interval in a static scenario. In the dynamic scenario, the communication delay was less than 10 ms under 1 625 kHz bandwidth. The field test results show that the overall success rates of communication were 99.3%, and 92.5% under the “Report” and “Request” modes, respectively. The average response time was 123.07 ms. Consequently, the LoRa technology was applied for wireless communication between the combine harvesters, which can fully meet the requirements of joint harvester cluster communication for the number of accommodated devices and transmission interval. The number of nodes in the cluster can also be adjusted appropriately, according to the requirements for the communication interval. The Report mode supported the higher communication frequencies suitable for the reporting data from the combined harvesters, while the Request mode was suitable for the lower frequency, and responsive communications. The finding can provide a feasible solution to the mutual communication of the combine harvester clusters during cooperative operation.

combine harvester; internet of things; wireless communication; LoRa technology

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.009

S225.3

A

1002-6819(2022)-16-0081-09

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2022-04-14

2022-08-04

江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目（BA2020054）；江蘇省自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（BK20210040）；江蘇省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳現(xiàn)代農(nóng)機(jī)裝備與技術(shù)示范推廣項(xiàng)目（NJ2022-08）

陳進(jìn)，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹悄苻r(nóng)業(yè)裝備檢測(cè)和控制。Email：chenjinjd126@126.com