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基于 LoRa 和 LoRaWAN 传感器节点的雾计算应用物联网智能灌溉系统的设计

作者:小编时间:2022-11-01 17:00:09

气候变化正在推动更有效地管理水资源的新解决方案。此类解决方案涉及智能灌溉系统的开发,其中物联网节点部署在大面积区域。此外,在上述区域中,由于存在完全或部分阻挡电磁波传播的障碍物和金属物体,无线通信可能很困难。本文详细介绍了使用基于LoRa和LoRaWAN的低功耗广域网传感器节点开发的智能灌溉系统,该系统能够覆盖大城市。物联网节点收集土壤温度/水分和气温数据,并通过使用雾计算网关或依靠从云端发送的远程命令自主控制供水。由于物联网节点和网关位置的选择对于良好的连接性和降低能耗至关重要,因此本文使用内部3D射线发射无线电规划工具来确定实际场景中的最佳位置。具体来说,本文提供了大学校园建模的详细信息,其中包括建筑物、道路、绿地或车辆等元素。在这种情况下,对两个不同的测试平台进行了模拟和经验测量:一个以868MHz运行的LoRaWAN测试平台和一个基于LoRa的带有433MHz收发器的测试平台。所有测量结果都与模拟结果一致,显示了近地和地下LoRaWAN通信的电磁传播中的阴影效应和材料特征的影响。由于较高的发射功率水平和较低的无线电传播损耗,在433MHz上观察到较高的射频功率水平,即使在最差的网关位置,接收功率水平也高于灵敏度阈值。关于用水量,所提供的估计表明,仅考虑天气预报,拟议的智能灌溉系统就能够减少大约23%的用水量。获得的结果为未来的智能灌溉开发人员提供了有用的指导,并展示了无线电规划工具的准确性,从而可以优化传感器网络拓扑和网络在覆盖范围、成本和能耗方面的整体性能。即使在最差的网关位置,接收到的功率电平也高于灵敏度阈值。关于用水量,所提供的估计表明,仅考虑天气预报,拟议的智能灌溉系统就能够减少大约23%的用水量。获得的结果为未来的智能灌溉开发人员提供了有用的指导,并展示了无线电规划工具的准确性,从而可以优化传感器网络拓扑和网络在覆盖范围、成本和能耗方面的整体性能。即使在最差的网关位置,接收到的功率电平也高于灵敏度阈值。关于用水量,所提供的估计表明,仅考虑天气预报,拟议的智能灌溉系统就能够减少大约23%的用水量。获得的结果为未来的智能灌溉开发人员提供了有用的指导,并展示了无线电规划工具的准确性,从而可以优化传感器网络拓扑和网络在覆盖范围、成本和能耗方面的整体性能。所提供的估计表明,仅考虑天气预报,拟议的智能灌溉系统就能够减少大约23%的用水量。获得的结果为未来的智能灌溉开发人员提供了有用的指导,并展示了无线电规划工具的准确性,从而可以优化传感器网络拓扑和网络在覆盖范围、成本和能耗方面的整体性能。所提供的估计表明,仅考虑天气预报,拟议的智能灌溉系统就能够减少大约23%的用水量。获得的结果为未来的智能灌溉开发人员提供了有用的指导,并展示了无线电规划工具的准确性,从而可以优化传感器网络拓扑和网络在覆盖范围、成本和能耗方面的整体性能。


缺水和缺水地区正在成为世界上许多地方的严重问题。据联合国称,到2025年,水资源短缺将影响18亿人,三分之二的人口将生活在缺水条件下。此外,由于居住在城市地区的人数增加,预计到2050年用水需求将增长50%。因此,预计干旱将对许多人的日常生活产生广泛的短期和长期影响。与此同时,气候变化正在增加洪水风险和极端降水事件。


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针对上述问题,联合国建议在三个方面采取行动:干旱监测系统的开发、潜在风险和脆弱性的评估以及干旱风险缓解战略的设计。本文通过设计、实施和经验验证可部署在城市和郊区场景中的智能灌溉系统来处理后者。


具体来说,本文提出的灌溉系统已部署在大学校园中,并利用能够收集环境数据并可以远程激活的物联网节点,通过手动命令或通过智能自动化操作。此外,所提出的系统通过使用低功耗广域网收发器克服了城市场景中出现的主要通信挑战基于LoRa和LoRaWAN的标准,最近引起了工业界和学术界的广泛关注。


本文还讨论了另一种势头强劲的新兴技术:雾计算。雾计算是一种边缘计算,它允许通过使用单板计算机等低功耗计算设备将某些云计算功能扩展到网络边缘。因此,低成本雾计算设备已被证明能够比云更快地向IoT节点提供响应,此外还为此类响应带来位置感知可以根据其物理位置进行调整和改进)。


雾计算网关和物联网节点部署的优化需要执行无线电规划任务。这些任务对于像本文建模的场景是必不可少的,由于它们的大尺寸和影响电磁波的众多障碍物,在无线电传播方面特别具有挑战性。为此,通常采用经验模型,这些模型可以快速得出结果,但误差很大,因为它们是非常特定于站点的。为了获得准确的估计,在这项工作中,内部开发的3D射线发射确定性算法已用于表征868MHz和433MHz的LoRa/LoRaWAN无线电信道。正如稍后将在第4节中描述的那样,该算法在准确性和计算时间之间提供了良好的折衷。此外,为了完成所分析场景的无线电规划研究,并验证所获得的仿真结果,我们对868MHz和433MHz频段进行了经验射频测量。具体来说,以下是本文的主要贡献:


提供了有关最相关的学术智能灌溉系统以及LoRa/LoRaWAN在地下场景中的使用的综合最新部分。

基于部署LoRa/LoRaWAN收发器和雾计算节点,提出了一种构建新型智能灌溉系统的架构。

详细描述了所提出系统及其硬件的实现,以便未来的开发人员可以轻松地复制它。

场景的无线电规划分析与实证测量活动一起呈现,以证实分析结果。


本文的其余部分结构如下。首先,第2节分析了与智能灌溉系统以及在地下场景中使用LoRa和LoRaWAN最相关的先前工作。第3节全面描述了建议的通信架构、部署方案以及智能灌溉系统不同组件的实施。第4节提供了所执行无线电分析的详细信息:其特性、使用的3D-RL工具的配置以及获得的仿真结果。最后,第5节专门描述和分析在经验测量活动中获得的结果,而第6节专门讨论结论。


智能灌溉系统的通信技术

在最流行的LPWAN通信技术、窄带物联网或LTE-M)中,LoRa和LoRaWAN因其预期的通信范围而被选中以及在发生显着信号衰减的情况下的性能,例如地下通信的情况。事实上,一些作者已经对LPWAN技术进行了彻底的比较,并表明RPMA和LTE-M与Sigfox或LoRAWAN技术相比会产生额外的路径损耗。在LoRa或LoRaWAN的情况下,它们在PHY层使用专有的啁啾扩频调制,但它们的MAC层是一个开放规范。相反,Sigfox使用的是开放式芯片组,但它的网络是封闭的。尽管如此,必须注意的是,没有完全开放的LPWAN协议栈。


为了提供大面积覆盖,已建议使用LoRa/LoRaWAN解决方案来开发智能灌溉系统。例如,格洛丽亚等人。描述了由单个网关控制的无线传感器网络,该网关与使用LoRa对等连接的在线服务器保持持续通信。通过WiFi连接的消息队列遥测传输用于在服务器和节点之间交换消息。Usmonov等人提出了另一种解决方案。,他详细介绍了一种基于LoRaWAN的具有成本效益的滴灌无线控制系统。这种解决方案使用主站在控制应用程序和部署的终端设备节点之间中继数据包。还值得一提的是,详细介绍了LoRaWAN智能灌溉系统在典型城市环境中的设计和实施。在这样一项工作中,作者指出灌溉节点与网关之间的通信距离可达8km,并提供了考虑末端不同运行模式的能耗结果节点。请注意,LoRa可以轻松覆盖更大的区域。最后,值得一提的是Citoni等人的其他作者的工作。,他研究了大规模LoRaWAN物联网应用的部署限制。具体来说,这样的工作分析了数据包冲突对LoRaWAN部署可扩展性的影响。


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实现的物联网节点层

实现的LoRaWANIoT节点使用LoRaWAN协议发送和接收信息。具体来说,部署的节点能够定期发送从土壤温度/湿度和气温传感器收集的数据。此外,节点可以接收远程命令来执行不同的任务。


必须注意的是,LoRaWAN终端设备可以分为三类,具体取决于它们对下行链路通信的需求。为了降低节点待机功耗,智能灌溉节点被选择为A类。这样的类允许节点大部分时间保持休眠以节省电力并且仅在短时间内接收命令发送数据后。


每个物联网节点的设计都可以使用不同的传感器。出于说明目的,图5显示拆解的智能灌溉物联网节点之一。可以看出,每个节点都包括一个DS18820温度传感器和一个SHT15温度和湿度传感器的接口。此外,每个节点都提供一个接口来连接一个12V-DC电磁阀来控制水灌溉。


正规的足球外围网站提出了一种基于LoRa/LoRaWAN物联网节点和网关的智能灌溉系统,该系统具有新颖的通信架构,能够与本地雾计算节点和校园场景中的远程云交换数据。所提出的物联网系统的原型被开发和详细描述,以便未来的开发人员可以轻松地复制它。为了验证提议的系统并评估要部署的节点的潜在位置,我们使用了内部3D射线发射无线电规划工具以及模拟场景的精确3D模型。在这种情况下,对基于433MHzLoRa和基于868MHzLoRaWAN的测试平台进行了模拟和经验测量。获得的结果验证了所使用的无线电规划工具的准确性,这允许用于估计整个场景体积中涉及的节点和网关的射频功率电平分布。因此,可以在部署之前确定不同区域的潜在覆盖范围。获得的无线电传播结果一方面也说明了建筑物的某些建筑元素可能对无线电传播产生的负面影响,另一方面,如果埋藏深度较浅,地下通信对信号衰减的影响可能并不重要。所获得的结论表明,所提出的工具为未来的开发人员在类似的大型场景中设计智能灌溉系统提供了有用的指导。进一步的工作将为物联网节点层添加额外的智能,并将深入研究LoRaWAN地下无线通道中埋藏深度的影响。


光电训练系统

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