中圖分類號(hào) S126 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào) 1007-7731（2025）15-0119-04

DOI號(hào) 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2025.15.028

Research on orchard monitoring system based on 5G-A Passive Internet of Things

LI Li FAN Yonglian JIA Mengzhao ZHANG Ao MA Liang （Tarim University，Alar 843300， China）

AbstractPassive IoT based on enhanced 5G （5G-A） has advantages such asno power restrictions，large connections，widecoverage，andstrong computing power，making itsuitablefor networked montoring ofhighvalue fruit trees andlarge scaleorchards.In this paper，the basic principles and key technologies of 5G-A passive IoT implementationwere demonstrated，anorchard monitoringsystem wasdesigned based on 5G-A passve IoT，and aplied it to fruit tree growth status monitoring，growth simulation，and prediction.In terms of system design，using technologies such as 5G-A，data from orchards is collctedand transmitted via passive sensor tag arrays.This data is then transmited through massive machine-typecommunication （mMTC）network slices.Edge computing nodes are deployedon the 5G-A wirelessaccess network side to perform real-time analysis and computation of thecollected data and provide feedback.Thecorrected WOFOSTfruit tree growth model algorithm is then integrated into the fruit tree digitaltwin system to enabletheconstructionof visualized and dynamic fruit tre growth simulations and predictions.In terms ofapplication，itcancolectreal-timesoilandclimatedataoffruit tree growth，andcountthenumberoffruit trees and monitorthegrowth statusofeach fruittreedynamicallyvisualizing the coupling effectbetween fruit tree growth and environment provides an efective method for precise prediction and scientific planning of its various growth stages.The research results provides theoretical basis and solution basis for thedeployment and application of5G-A passiveIoT orchard monitoring system.

Keywords 5G-A; Passive IoT;orchard; monitoring system; fruit tree growth model

林果業(yè)不僅經(jīng)濟(jì)附加值高，而且地域特色優(yōu)勢(shì)明顯，是大部分地區(qū)的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)，具有良好的發(fā)展前景。果樹(shù)從幼苗栽培到成樹(shù)產(chǎn)出需多年精心培育，日常養(yǎng)護(hù)管理要求較高，且需精確到每棵果樹(shù)，因此林果產(chǎn)業(yè)的人力和農(nóng)資投入較高，亟需通過(guò)數(shù)字化方式實(shí)現(xiàn)降本增效2

物聯(lián)網(wǎng)（InternetofThings，IoT）通過(guò)傳感器和無(wú)線通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和傳輸，能夠提高林果的種植管理效率。陸猛3研究提出了一種結(jié)合遠(yuǎn)距離無(wú)線電（LongRangeRadio，LoRa）模型和窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NarrowBandIoT，NB-IoT）技術(shù)的果園監(jiān)控系統(tǒng)，具有能耗低、響應(yīng)快、通信距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用于林果產(chǎn)業(yè)有助于節(jié)省人力成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。陳生學(xué)等4提出了一種結(jié)合ZigBee和5G技術(shù)的智慧果園監(jiān)控系統(tǒng)，具有使用便捷、操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)。高群等5分析了現(xiàn)代化果園物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，介紹了一種可滿足果園物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求的服務(wù)系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)平臺(tái)。部分果園物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)受電源、功耗和成本限制，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少，組網(wǎng)需結(jié)合無(wú)線局域網(wǎng)和廣域蜂窩網(wǎng)。

由于設(shè)備供電換電困難、果園面積大且部署環(huán)境復(fù)雜多樣，現(xiàn)有的果園物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模小、覆蓋及監(jiān)測(cè)能力有限，且長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本較高。5G陸地蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)已實(shí)現(xiàn)了良好的連片覆蓋，具有無(wú)源傳感、廣覆蓋、高速率、低時(shí)延和大連接等優(yōu)勢(shì)7，可較好地應(yīng)用于大規(guī)模果園的監(jiān)測(cè)管理。目前關(guān)于5G-A無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)在林果業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究有待深入。本研究在分析論證5G-A無(wú)源物聯(lián)關(guān)鍵技術(shù)、5G-A網(wǎng)絡(luò)能力和果樹(shù)生長(zhǎng)孿生模型的基礎(chǔ)上，提出一種基于5G-A無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的果園監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為構(gòu)建數(shù)智果園提供參考。

1基于5G-A無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的果園監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集及發(fā)送、數(shù)據(jù)入網(wǎng)傳輸和數(shù)據(jù)計(jì)算處理3個(gè)部分，其中，數(shù)據(jù)采集及發(fā)送部分，在數(shù)據(jù)源端部署無(wú)源傳感標(biāo)簽陣列采集果樹(shù)生長(zhǎng)環(huán)境和生長(zhǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)反向散射通信將數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)送出去，經(jīng)由無(wú)源傳感標(biāo)簽匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中繼放大后上傳至5G-A基站。數(shù)據(jù)入網(wǎng)傳輸部分，通過(guò)5G-A接入網(wǎng)進(jìn)入光傳輸網(wǎng)再傳至核心網(wǎng)后，上傳至云端計(jì)算中心，或經(jīng)由傳輸網(wǎng)直接到達(dá)本地邊緣計(jì)算數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)分析計(jì)算部分，通過(guò)數(shù)據(jù)中心的果樹(shù)孿生模型和校正的WOFOST（WorldFoodStudies）果樹(shù)生長(zhǎng)模型，該模型是農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的作物生長(zhǎng)模擬工具，主要用于分析作物生產(chǎn)潛力、評(píng)估氣候變化影響及優(yōu)化農(nóng)業(yè)管理策略?；谠撃Ｐ?，對(duì)果樹(shù)生長(zhǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算、分析和預(yù)測(cè)，實(shí)時(shí)形成反饋建議或預(yù)警并通知給果園管理人員，便于其及時(shí)采取相關(guān)措施精準(zhǔn)施策，最終完成系統(tǒng)閉環(huán)。該系統(tǒng)完整結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 果園數(shù)據(jù)采集與發(fā)送

相較于有源物聯(lián)網(wǎng)，5G-A無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的容量大且連接能力強(qiáng)，支持海量連接數(shù)據(jù)入網(wǎng)8。傳感器側(cè)不受固定電源限制，無(wú)源傳感標(biāo)簽小巧輕便，便于大規(guī)模安裝應(yīng)用。因此，基于5G-A的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)對(duì)于無(wú)源傳感終端接入數(shù)量沒(méi)有較大限制9，通過(guò)部署大規(guī)模無(wú)源傳感標(biāo)簽陣列，可控制整個(gè)果園監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的多種參數(shù)，也可精細(xì)化監(jiān)測(cè)每棵果樹(shù)的狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)果園的全方位、多層次覆蓋和監(jiān)測(cè)

1.1.1電能產(chǎn)生 5G-A網(wǎng)絡(luò)規(guī)模巨大，部署的基站數(shù)量眾多，通過(guò)5G基站天線輻射無(wú)線電波進(jìn)行地面無(wú)縫覆蓋，為移動(dòng)終端提供無(wú)線接入服務(wù)。電能產(chǎn)生原理如圖2所示，在傳感器標(biāo)簽內(nèi)部設(shè)計(jì)無(wú)線鏈路層控制協(xié)議（Radiolinkcontrol，RLC）耦合電路[10]，持續(xù)接收5G-A基站的高頻輻射電波以產(chǎn)生感應(yīng)電流，并實(shí)現(xiàn)電能暫存，同時(shí)周期性驅(qū)動(dòng)傳感器電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和發(fā)送。此外，還可根據(jù)實(shí)際需求和條件，為傳感器端附加備用電池，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電能的長(zhǎng)期存取，由此衍生出的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)類型又稱作“半無(wú)源\"物聯(lián)網(wǎng)。

1.1.2反向散射通信 無(wú)源傳感標(biāo)簽僅能實(shí)現(xiàn)超低功耗運(yùn)行，區(qū)別于普通有源移動(dòng)終端直接驅(qū)動(dòng)復(fù)雜的信號(hào)功放電路與調(diào)制電路，其進(jìn)行較高功率的數(shù)據(jù)調(diào)制和發(fā)射。結(jié)合無(wú)線電波的傳播特點(diǎn)，如圖3所示，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的反向負(fù)載調(diào)制電路11]，使無(wú)源傳感標(biāo)簽對(duì)接收到的高頻電波進(jìn)行調(diào)制后再反射發(fā)出，在低功耗限制條件下也能實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)調(diào)制與信號(hào)發(fā)射，即反向散射通信。

1.1.3上行中繼 5G-A基站和無(wú)源傳感標(biāo)簽之間的下行鏈路通常不需要考慮信號(hào)損耗和衰落帶來(lái)的傳輸距離受限問(wèn)題，因?yàn)榛緜?cè)有專門的電力供應(yīng)及功控方案，可提供足夠的發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)無(wú)源傳感標(biāo)簽的全面覆蓋。由于無(wú)源傳感標(biāo)簽設(shè)備僅能進(jìn)行低功耗的信號(hào)調(diào)制與發(fā)射，因此上行鏈路需進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓β恃a(bǔ)償才能保證無(wú)源傳感標(biāo)簽發(fā)送的信號(hào)到達(dá)基站側(cè)[12]。如圖3所示，設(shè)置無(wú)源傳感標(biāo)簽匯聚節(jié)點(diǎn)作為上行中繼，由于果園光熱資源豐富，匯聚節(jié)點(diǎn)可配置專門的太陽(yáng)能電池板系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定的供電和儲(chǔ)能，對(duì)覆蓋范圍內(nèi)的所有無(wú)源傳感標(biāo)簽信號(hào)進(jìn)行恢復(fù)和放大后，轉(zhuǎn)發(fā)給所屬的5G-A基站，保證上行鏈路的有效傳輸距離。

1.2 mMTC網(wǎng)絡(luò)切片

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)精簡(jiǎn)，網(wǎng)絡(luò)功能豐富多樣，無(wú)線接入側(cè)和核心網(wǎng)側(cè)都可云化為資源池，基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)靈活編排，按需分配不同類型網(wǎng)絡(luò)資源，即配置各類網(wǎng)絡(luò)切片[13]，同時(shí)支持多種類型應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源高效利用。因此，該系統(tǒng)可設(shè)置專門用于支持果園物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的mMTC切片，在對(duì)速率、帶寬和時(shí)延指標(biāo)要求不高的條件下，主要通過(guò)廣泛連接大量無(wú)源傳感器標(biāo)簽傳輸數(shù)據(jù)。

1.3數(shù)據(jù)計(jì)算

邊緣計(jì)算（EC）通過(guò)在數(shù)據(jù)源端部署輕量化算力節(jié)點(diǎn)，快速對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，形成實(shí)時(shí)響應(yīng)，解決了云計(jì)算中心集中處理大規(guī)模數(shù)據(jù)量時(shí)間延遲大、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載重和網(wǎng)絡(luò)帶寬不足等問(wèn)題[14]。在本系統(tǒng)中，將邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)部署在5G-A無(wú)線接入網(wǎng)側(cè)，在本地局域網(wǎng)內(nèi)對(duì)無(wú)源傳感標(biāo)簽陣列采集的果樹(shù)生長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析計(jì)算并作出反饋，為果農(nóng)提供種植管理建議。在網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)段，各邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)將本地果樹(shù)數(shù)據(jù)及處理結(jié)果上傳至云計(jì)算中心進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析。

1.4基于校正WOFOST模型的果樹(shù)生長(zhǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)

WOFOST模型是被廣泛應(yīng)用的作物模型之_[15]，基于作物生理和生態(tài)學(xué)原理，在作物生長(zhǎng)和環(huán)境深度耦合效應(yīng)下，使用數(shù)學(xué)量化方法對(duì)作物生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行模擬和研究。目前校正的WOFOST果樹(shù)生長(zhǎng)模型主要側(cè)重具體參量的數(shù)值計(jì)算及曲線擬合[，其分析結(jié)果的呈現(xiàn)形式不夠直觀。在本系統(tǒng)中，基于云計(jì)算中心的強(qiáng)大算力和海量數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)體果園和果樹(shù)進(jìn)行仿真建模，使得孿生果樹(shù)模型和實(shí)體果樹(shù)在進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí)保持同步，并實(shí)時(shí)更新生長(zhǎng)狀態(tài)。同時(shí)，將校正的WOFOST果樹(shù)生長(zhǎng)模型算法導(dǎo)人果樹(shù)數(shù)字孿生系統(tǒng)，用于構(gòu)建可視化和動(dòng)態(tài)化的果樹(shù)生長(zhǎng)模擬及預(yù)測(cè)系統(tǒng)。

2應(yīng)用分析

2.1 果樹(shù)生長(zhǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)

在果園內(nèi)部署5G-A無(wú)源傳感標(biāo)簽陣列，可實(shí)時(shí)采集果樹(shù)生長(zhǎng)的土壤數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)以及氣候數(shù)據(jù)；邊緣計(jì)算中心接收數(shù)據(jù)后在本地進(jìn)行快速處理和分析，并及時(shí)將相關(guān)種植管理建議或預(yù)警推送至用戶終端；云計(jì)算中心收到各邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，可進(jìn)行跨區(qū)域和大尺度的果園生長(zhǎng)數(shù)據(jù)分析，為地區(qū)用戶提供進(jìn)一步的種植管理決策支持。此外，5G-A無(wú)源物聯(lián)的大連接能力可支持和每棵果樹(shù)建立連接，本系統(tǒng)還可進(jìn)行果樹(shù)數(shù)量統(tǒng)計(jì)以及監(jiān)測(cè)每棵果樹(shù)的生長(zhǎng)狀態(tài)。

2.2 果樹(shù)生長(zhǎng)模擬與預(yù)測(cè)

本系統(tǒng)通過(guò)搭建基于校正WOFOST模型的果樹(shù)生長(zhǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)，使果樹(shù)生長(zhǎng)和環(huán)境的耦合效應(yīng)動(dòng)態(tài)可視化，終端用戶能夠自主進(jìn)行果樹(shù)的生長(zhǎng)發(fā)育模擬、生長(zhǎng)脅迫因素分析以及果實(shí)產(chǎn)量估算，在掌握當(dāng)前果樹(shù)生長(zhǎng)狀態(tài)的同時(shí)準(zhǔn)確研判果樹(shù)未來(lái)的長(zhǎng)勢(shì)詳情及相關(guān)問(wèn)題，為果樹(shù)各生長(zhǎng)階段的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和科學(xué)規(guī)劃提供了有效方法。

3結(jié)語(yǔ)

相較于現(xiàn)有的果園物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，本研究設(shè)計(jì)的5G-A無(wú)源物聯(lián)方案具備不受電源限制，使用專用頻段，組網(wǎng)簡(jiǎn)單，支持的連接數(shù)量大，數(shù)據(jù)傳輸和計(jì)算能力強(qiáng)，以及融合果樹(shù)生長(zhǎng)模型實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施策等優(yōu)勢(shì)。然而，在無(wú)源傳感標(biāo)簽超低功耗計(jì)算和通信技術(shù)方面還需持續(xù)研究和改進(jìn)，且系統(tǒng)部署應(yīng)用成本有待市場(chǎng)驗(yàn)證，隨著各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的逐漸成熟，系統(tǒng)功耗和成本問(wèn)題可以得到解決。5G-A無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在持續(xù)更新迭代中，其演進(jìn)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)超低功耗通信和千億物聯(lián)，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行全面升級(jí)，有望得到大規(guī)模應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，本研究提出的基于5G-A無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的果樹(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，為后續(xù)研究和實(shí)際應(yīng)用提供參考。

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（責(zé)任編輯：楊歡）