摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)農(nóng)作物的種植方式越來(lái)越趨向智能化、高效化和自動(dòng)化。枸杞種植作為一種高附加值的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，其網(wǎng)絡(luò)通信優(yōu)化是一個(gè)多維度、多方面的工程。研究的核心宗旨在于提升種植園的管理效率、數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性以及整體生產(chǎn)力，實(shí)現(xiàn)對(duì)種植過(guò)程的精細(xì)化管理，最終提高枸杞的產(chǎn)量和質(zhì)量?；谝陨蠁?wèn)題，提出了一種基于Sigfox和Mesh組網(wǎng)的枸杞種植園網(wǎng)絡(luò)通信優(yōu)化方法。首先，利用Mesh網(wǎng)絡(luò)可以與其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)同通信，以解決有線網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到的絕大部分區(qū)域的監(jiān)測(cè)問(wèn)題。其次，依靠Sigfox技術(shù)獨(dú)特的高度可擴(kuò)展性、可靠性，以及低延遲和低能耗的特點(diǎn)，最終構(gòu)建出適合寧夏南部地區(qū)枸杞種植園的網(wǎng)絡(luò)通信模型。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器；網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)；網(wǎng)絡(luò)覆蓋；Sigfox技術(shù)；Mesh組網(wǎng)；枸杞種植

中圖分類號(hào)：TP393.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）08-00-03

0 引 言

我國(guó)是世界上最大的枸杞生產(chǎn)國(guó)和出口國(guó)，主要產(chǎn)地包括寧夏、甘肅、青海等地。尤其是寧夏枸杞，因其優(yōu)良的品種和豐富的營(yíng)養(yǎng)成分聞名全球，被譽(yù)為“紅寶石”。2023年，中國(guó)枸杞產(chǎn)量達(dá)到了9.2萬(wàn)噸，相較于2022年，同比增長(zhǎng)了17.9%。除此之外，枸杞的種植面積也擴(kuò)大至28.6萬(wàn)公頃，同比增長(zhǎng)10.4%。同時(shí)枸杞種植生產(chǎn)直接帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)收益達(dá)到了360億元，同比增長(zhǎng)了20%。寧夏的枸杞產(chǎn)地主要集中在中寧、同心以及紅石堡地區(qū)，其適宜的氣候和較為平緩的地形為枸杞種植提供了得天獨(dú)厚的條件[1-2]，本文研究主要針對(duì)寧夏地區(qū)枸杞種植園的外部環(huán)境。

對(duì)于寧夏地區(qū)的枸杞種植研究，眾多學(xué)者在不同角度提出了自己的見(jiàn)解。文獻(xiàn)[3]采用GIS技術(shù)，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)、地形地貌數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)等，對(duì)寧夏枸杞花期凍害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了區(qū)劃與分析，為寧夏枸杞產(chǎn)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)體系建設(shè)提供了參考。文獻(xiàn)[4]通過(guò)探索枸杞種植廢棄物發(fā)酵產(chǎn)物品質(zhì)與微生物群落結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，在優(yōu)化正交試驗(yàn)條件后，枸杞種植廢棄物發(fā)酵產(chǎn)物的品質(zhì)和適口性均得到了顯著提高。文獻(xiàn)[5]探究了種植覆蓋作物和施用有機(jī)肥對(duì)寧夏旱區(qū)枸杞園土壤活性有機(jī)碳庫(kù)的影響，通過(guò)田間定位試驗(yàn)并設(shè)置多組實(shí)驗(yàn)得出寧夏旱區(qū)枸杞/覆蓋作物復(fù)合種植模式能有效提升土壤活性有機(jī)碳含量。

受上述研究啟發(fā)，同時(shí)考慮到寧夏地處中西部，枸杞種植首先考慮水源問(wèn)題，其次考慮風(fēng)速問(wèn)題。對(duì)于水源，寧夏靠近黃河中上游，黃河水質(zhì)獨(dú)特純凈，富含多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，為枸杞的生長(zhǎng)提供了充足的水分和養(yǎng)分。此外，寧夏的土壤由山洪沖積形成，富含礦物質(zhì)和腐殖質(zhì)。對(duì)于風(fēng)速，枸杞種植會(huì)采用大棚養(yǎng)殖，在避免大風(fēng)擊倒風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)能夠滿足其他條件的要求。

基于此，針對(duì)寧夏地區(qū)枸杞種植過(guò)程中需要滿足的眾多條件，本文提出了一種基于Sigfox和Mesh組網(wǎng)的枸杞種植園網(wǎng)絡(luò)通信優(yōu)化方法。利用Mesh組網(wǎng)的分布式網(wǎng)絡(luò)框架，將枸杞種植園中的電控設(shè)備和無(wú)線傳感器連接在一起，形成一個(gè)相互連接的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。利用Sigfox技術(shù)優(yōu)化分布式網(wǎng)絡(luò)中的流量通信，避免流量高峰或信息傳輸堵塞。

1 無(wú)線傳感模型

無(wú)線傳感器作為一種數(shù)據(jù)收集工具，能夠很好地對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)。它們具有自組織、分布式以及節(jié)點(diǎn)平等的特點(diǎn)，同時(shí)體積小、成本低、部署靈活，適用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)制造、安全檢測(cè)等場(chǎng)景[6]。單源傳感器可以與其他電子硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和交互，在某地形環(huán)境中，假設(shè)單源傳感器為影像收集器、氣體數(shù)據(jù)收集器、土壤小分子成分?jǐn)?shù)據(jù)采集器等。對(duì)于多源傳感器，設(shè)備上分布著多個(gè)數(shù)據(jù)源接口，可以同時(shí)與多種硬件連接，從而組成一個(gè)大范圍的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[7]。

在枸杞種植園中模擬布控?zé)o限傳感器，主要采集種植園內(nèi)的水含量、氧氣含量、二氧化碳含量以及土壤中的氮磷鉀等微量元素的含量。

本文所設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)皆為同種結(jié)構(gòu)，在三維立體環(huán)境中，設(shè)數(shù)據(jù)布控區(qū)域大小為A×B×C，其中，區(qū)域長(zhǎng)為A、寬為B、高為C。無(wú)線傳感器的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)可以設(shè)為K{k1， k2， ...， kN}，N為無(wú)線傳感器個(gè)數(shù)，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的感知范圍是以節(jié)點(diǎn)為圓心的圓形區(qū)域，R為無(wú)線傳感器半徑，網(wǎng)格中節(jié)點(diǎn)集合設(shè)為M{m1， m2， ...， mn}，節(jié)點(diǎn)n的坐標(biāo)為（xi， yi， zi），則任意一點(diǎn)m在區(qū)域內(nèi)能夠被節(jié)點(diǎn)n監(jiān)測(cè)到的概率P（k， m）為：

2 Sigfox技術(shù)

Sigfox技術(shù)由法國(guó)Sigfox公司研發(fā)，是一種基于超窄頻帶調(diào)制技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備無(wú)線網(wǎng)絡(luò)解決方案。與此同時(shí)，它也是一種低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)（LPWAN）技術(shù)，專為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)[8]，Sigfox技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）低功耗

Sigfox技術(shù)可以使得設(shè)備長(zhǎng)期處于待機(jī)狀態(tài)下，幾乎不消耗電能，具有較為高效的能源消耗管控能力。在Sigfox的數(shù)據(jù)交互過(guò)程中，其往往只需定期發(fā)送特定的數(shù)據(jù)包即可，這種數(shù)據(jù)包消耗電能極小，這也使得可以用小型電池為其供電，在理想狀態(tài)下其使用壽命可維持?jǐn)?shù)年。

（2）低成本

Sigfox的網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備具有構(gòu)造簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，且不需要內(nèi)嵌復(fù)雜的子硬件和軟件，這使得其制造成本較低。此外，Sigfox的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，間接減少了基站的建設(shè)數(shù)量，從而降低了維護(hù)成本。對(duì)于需要長(zhǎng)期運(yùn)行的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備而言，Sigfox具備更高的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

（3）廣覆蓋、高度可靠

Sigfox網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的信號(hào)穿透能力，配合其廣泛的覆蓋范圍，能夠在城市、鄉(xiāng)村、高原甚至山脈等復(fù)雜環(huán)境中保持穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接。此外，Sigfox采用了冗余無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率（ADR）技術(shù)，增強(qiáng)了其在各種環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)傳輸能力，確保了設(shè)備與基站之間的通信穩(wěn)定性。

（4）并發(fā)性、全球覆蓋、超窄帶UNB調(diào)制技術(shù)

Sigfox支持大量設(shè)備同時(shí)連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)并發(fā)傳輸，能夠滿足大型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中對(duì)設(shè)備數(shù)量的龐大需求。

目前，Sigfox網(wǎng)絡(luò)已覆蓋全球90%的人口，設(shè)備可以在任何地方接入網(wǎng)絡(luò)。

此外，Sigfox采用了超窄帶UNB調(diào)制技術(shù)，能夠以低速率傳輸短消息，特別適用于僅需發(fā)送少量數(shù)據(jù)且不頻繁傳輸?shù)膽?yīng)用場(chǎng)景。Sigfox的上傳信號(hào)占用100 Hz帶寬，調(diào)制方式采用DBPSK，數(shù)據(jù)速率為100 b/s，最低接收靈敏度為-142 dBm。上行數(shù)據(jù)采用三遍重復(fù)發(fā)送的機(jī)制，進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)接收的可靠性。

3 Mesh組網(wǎng)

Mesh組網(wǎng)是一種分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，屬于多節(jié)點(diǎn)、無(wú)中心、自組織的無(wú)線多跳通信網(wǎng)絡(luò)。它通過(guò)將多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接在一起，形成一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)交互的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通常都具有路由功能，能夠?qū)邮盏降臄?shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和暫時(shí)存儲(chǔ)。無(wú)線Mesh組網(wǎng)還能夠以動(dòng)態(tài)的方式與其他單個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)保持連接和通信，從而解決有線網(wǎng)絡(luò)無(wú)法覆蓋大部分區(qū)域的通信問(wèn)題[9-10]。

3.1 Mesh組網(wǎng)技術(shù)特點(diǎn)

（1）去中心化

去中心化主要表現(xiàn)在Mesh組網(wǎng)無(wú)需通信節(jié)點(diǎn)之外的設(shè)備、基站來(lái)固定傳輸模式。其由兩個(gè)或兩個(gè)以上節(jié)點(diǎn)組成，無(wú)中心節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可作為數(shù)據(jù)傳輸部分，并且可自由增加或者刪除節(jié)點(diǎn)，大大增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（2）自組織性、自愈性

在Mesh組網(wǎng)中，若出現(xiàn)某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障或者因?yàn)槟承┰驅(qū)е戮W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，Mesh組網(wǎng)能夠在最短時(shí)間內(nèi)自動(dòng)檢測(cè)并重新配置網(wǎng)絡(luò)，以確保網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的連續(xù)性和安全性。在進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)時(shí)，還會(huì)通過(guò)內(nèi)部計(jì)算系統(tǒng)選擇最優(yōu)路徑。

（3）多跳通信、靈活性

Mesh組網(wǎng)中的通信數(shù)據(jù)可以通過(guò)多個(gè)節(jié)點(diǎn)跳躍傳輸，使得遠(yuǎn)離主要網(wǎng)絡(luò)源的節(jié)點(diǎn)也能夠接入網(wǎng)絡(luò)。這也使得系統(tǒng)在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都能迅速建立通信網(wǎng)絡(luò)，覆蓋無(wú)盲區(qū)，以適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境和應(yīng)用。

（4）高可靠性、擴(kuò)展性

當(dāng)Mesh組網(wǎng)中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或受到干擾時(shí)，數(shù)據(jù)包會(huì)自動(dòng)無(wú)縫切換到更優(yōu)路徑繼續(xù)傳輸，且不會(huì)因跨路由而導(dǎo)致掉線。此外，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸負(fù)載增加時(shí)，網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際情況動(dòng)態(tài)分配通信路由，從而有效避免網(wǎng)絡(luò)擁堵。

3.2 Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Mesh組網(wǎng)主要有三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3.2.1 鏈?zhǔn)酵負(fù)?/p>

在鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)中，各節(jié)點(diǎn)以鏈?zhǔn)椒绞椒植?，只有相鄰的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通信。

3.2.2 星型拓?fù)?/p>

在星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，各節(jié)點(diǎn)以星型方式連接，網(wǎng)絡(luò)中存在一個(gè)中央節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)均與中央節(jié)點(diǎn)直接交互。

3.2.3 網(wǎng)狀拓?fù)?/p>

在網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，多個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)多種類型的組網(wǎng)方式連接，并利用Mesh組網(wǎng)的自組織特性動(dòng)態(tài)計(jì)算最優(yōu)傳輸路徑。

4 嵌合Sigfox和Mesh組網(wǎng)的枸杞種植園網(wǎng)絡(luò)模型

4.1 數(shù)據(jù)上行與下行量計(jì)算

本文將網(wǎng)絡(luò)分為Sigfox內(nèi)部傳輸網(wǎng)絡(luò)以及Mesh外部組網(wǎng)，由于Mesh組網(wǎng)更靈活，可以根據(jù)Sigfox內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)量隨時(shí)調(diào)整數(shù)據(jù)包的接收和上傳速率。因此，在Sigfox內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)接口處設(shè)置流量傳輸膨脹值。計(jì)算公式如下：

當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸膨脹值大于內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)載量時(shí)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將迅速調(diào)整，將多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)傳輸向其他與Mesh組網(wǎng)的接口。

4.2 枸杞種植園網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型

由圖1可以看出，種植園內(nèi)部Sigfox網(wǎng)絡(luò)可以理解為一個(gè)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，周圍分布著多個(gè)路由器（無(wú)線傳感器相連接），當(dāng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)過(guò)載時(shí)，通過(guò)式（5）計(jì)算后將數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)負(fù)載均衡器傳輸給交換器，并通過(guò)交換器傳輸給Mesh外部組網(wǎng)，最終將數(shù)據(jù)傳輸至終端服務(wù)器。到達(dá)終端服務(wù)器的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，可以在完成數(shù)據(jù)分析之后找到種植園目前需要進(jìn)行的操作，通過(guò)前端服務(wù)器和硬件實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文將Sigfox技術(shù)和Mesh組網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，利用兩種技術(shù)各自的優(yōu)點(diǎn)對(duì)所設(shè)定的枸杞種植園網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行優(yōu)化，從而建立起一個(gè)智能網(wǎng)絡(luò)通信優(yōu)化模型。Sigfox技術(shù)是一種低功耗、低成本且具有強(qiáng)信號(hào)穿透能力的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，而Mesh組網(wǎng)結(jié)構(gòu)具有較廣的覆蓋范圍，并且具備自動(dòng)無(wú)縫漫游功能。在成功將兩種技術(shù)融合之后，可以得到一個(gè)具有更高寬帶、更低延時(shí)和更強(qiáng)自我修復(fù)能力的強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸頻率的自由選擇并避免不必要的能源消耗。

此外，在本次實(shí)驗(yàn)中，本文還引入了數(shù)據(jù)膨脹值，以更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)優(yōu)化數(shù)據(jù)過(guò)載現(xiàn)象，使得所提網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化模型更加成熟、穩(wěn)定。

注：本文通訊作者為孫莉。

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