基于Sigfox和Mesh組網(wǎng)的枸杞種植園網(wǎng)絡通信優(yōu)化

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)濟農(nóng)作物的種植方式越來越趨向智能化、高效化和自動化。枸杞種植作為一種高附加值的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，其網(wǎng)絡通信優(yōu)化是一個多維度、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)采集的準確性以及整體生產(chǎn)力，實現(xiàn)對種植過程的精細化管理，最終提高枸杞的產(chǎn)量和質(zhì)量?；谝陨蠁栴}，提出了一種基于Sigfox和Mesh組網(wǎng)的枸杞種植園網(wǎng)絡通信優(yōu)化方法。首先，利用Mesh網(wǎng)絡可以與其他網(wǎng)絡協(xié)同通信，以解決有線網(wǎng)絡覆蓋不到的絕大部分區(qū)域的監(jiān)測問題。其次，依靠Sigfox技術(shù)獨特的高度可擴展性、可靠性，以及低延遲和低能耗的特點，最終構(gòu)建出適合寧夏南部地區(qū)枸杞種植園的網(wǎng)絡通信模型。

關(guān)鍵詞：無線傳感器；網(wǎng)絡監(jiān)測；網(wǎng)絡覆蓋；Sigfox技術(shù)；Mesh組網(wǎng)；枸杞種植

中圖分類號：TP393.0 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）08-00-03

0 引 言

我國是世界上最大的枸杞生產(chǎn)國和出口國，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養(yǎng)成分聞名全球，被譽為“紅寶石”。2023年，中國枸杞產(chǎn)量達到了9.2萬噸，相較于2022年，同比增長了17.9%。除此之外，枸杞的種植面積也擴大至28.6萬公頃，同比增長10.4%。同時枸杞種植生產(chǎn)直接帶來的經(jīng)濟收益達到了360億元，同比增長了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厚的條件[1-2]，本文研究主要針對寧夏地區(qū)枸杞種植園的外部環(huán)境。

對于寧夏地區(qū)的枸杞種植研究，眾多學者在不同角度提出了自己的見解。文獻[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，對寧夏枸杞花期凍害風險進行了區(qū)劃與分析，為寧夏枸杞產(chǎn)業(yè)防災減災體系建設(shè)提供了參考。文獻[4]通過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[5]探究了種植覆蓋作物和施用有機肥對寧夏旱區(qū)枸杞園土壤活性有機碳庫的影響，通過田間定位試驗并設(shè)置多組實驗得出寧夏旱區(qū)枸杞/覆蓋作物復合種植模式能有效提升土壤活性有機碳含量。

受上述研究啟發(fā)，同時考慮到寧夏地處中西部，枸杞種植首先考慮水源問題，其次考慮風速問題。對于水源，寧夏靠近黃河中上游，黃河水質(zhì)獨特純凈，富含多種營養(yǎng)物質(zhì)，為枸杞的生長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)。對于風速，枸杞種植會采用大棚養(yǎng)殖，在避免大風擊倒風險的同時能夠滿足其他條件的要求。

基于此，針對寧夏地區(qū)枸杞種植過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)絡通信優(yōu)化方法。利用Mesh組網(wǎng)的分布式網(wǎng)絡框架，將枸杞種植園中的電控設(shè)備和無線傳感器連接在一起，形成一個相互連接的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。利用Sigfox技術(shù)優(yōu)化分布式網(wǎng)絡中的流量通信，避免流量高峰或信息傳輸堵塞。

1 無線傳感模型

無線傳感器作為一種數(shù)據(jù)收集工具，能夠很好地對目標區(qū)域進行監(jiān)測。它們具有自組織、分布式以及節(jié)點平等的特點，同時體積小、成本低、部署靈活，適用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)制造、安全檢測等場景[6]。單源傳感器可以與其他電子硬件進行數(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、土壤小分子成分數(shù)據(jù)采集器等。對于多源傳感器，設(shè)備上分布著多個數(shù)據(jù)源接口，可以同時與多種硬件連接，從而組成一個大范圍的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)[7]。

在枸杞種植園中模擬布控無限傳感器，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)域長為A、寬為B、高為C。無線傳感器的節(jié)點坐標可以設(shè)為K{k1， k2， ...， kN}，N為無線傳感器個數(shù)，無線傳感器節(jié)點的感知范圍是以節(jié)點為圓心的圓形區(qū)域，R為無線傳感器半徑，網(wǎng)格中節(jié)點集合設(shè)為M{m1， m2， ...， mn}，節(jié)點n的坐標為（xi， yi， zi），則任意一點m在區(qū)域內(nèi)能夠被節(jié)點n監(jiān)測到的概率P（k， m）為：

2 Sigfox技術(shù)

Sigfox技術(shù)由法國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)備無線網(wǎng)絡解決方案。與此同時，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[8]，Sigfox技術(shù)特點如下：

（1）低功耗

Sigfox技術(shù)可以使得設(shè)備長期處于待機狀態(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數(shù)年。

（2）低成本

Sigfox的網(wǎng)絡硬件設(shè)備具有構(gòu)造簡單的特點，且不需要內(nèi)嵌復雜的子硬件和軟件，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，從而降低了維護成本。對于需要長期運行的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備而言，Sigfox具備更高的核心競爭力。

（3）廣覆蓋、高度可靠

Sigfox網(wǎng)絡具有強大的信號穿透能力，配合其廣泛的覆蓋范圍，能夠在城市、鄉(xiāng)村、高原甚至山脈等復雜環(huán)境中保持穩(wěn)定的網(wǎng)絡連接。此外，Sigfox采用了冗余無線網(wǎng)絡和自適應數(shù)據(jù)速率（ADR）技術(shù)，增強了其在各種環(huán)境中的網(wǎng)絡傳輸能力，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)備同時連接并進行數(shù)據(jù)并發(fā)傳輸，能夠滿足大型物聯(lián)網(wǎng)應用中對設(shè)備數(shù)量的龐大需求。

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

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脠鼍?。Sigfox的上傳信號占用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)采用三遍重復發(fā)送的機制，進一步提高了數(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)絡結(jié)構(gòu)，屬于多節(jié)點、無中心、自組織的無線多跳通信網(wǎng)絡。它通過將多個網(wǎng)絡節(jié)點連接在一起，形成一個能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)交互的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。在這種網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，每個節(jié)點通常都具有路由功能，能夠?qū)邮盏降臄?shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)和暫時存儲。無線Mesh組網(wǎng)還能夠以動態(tài)的方式與其他單個或多個節(jié)點保持連接和通信，從而解決有線網(wǎng)絡無法覆蓋大部分區(qū)域的通信問題[9-10]。

3.1 Mesh組網(wǎng)技術(shù)特點

（1）去中心化

去中心化主要表現(xiàn)在Mesh組網(wǎng)無需通信節(jié)點之外的設(shè)備、基站來固定傳輸模式。其由兩個或兩個以上節(jié)點組成，無中心節(jié)點，每個節(jié)點都可作為數(shù)據(jù)傳輸部分，并且可自由增加或者刪除節(jié)點，大大增強了結(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)某個節(jié)點發(fā)生故障或者因為某些原因?qū)е戮W(wǎng)絡結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，Mesh組網(wǎng)能夠在最短時間內(nèi)自動檢測并重新配置網(wǎng)絡，以確保網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)的連續(xù)性和安全性。在進行自動檢測時，還會通過內(nèi)部計算系統(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)可以通過多個節(jié)點跳躍傳輸，使得遠離主要網(wǎng)絡源的節(jié)點也能夠接入網(wǎng)絡。這也使得系統(tǒng)在任何時間、任何地點都能迅速建立通信網(wǎng)絡，覆蓋無盲區(qū)，以適應各種復雜環(huán)境和應用。

（4）高可靠性、擴展性

當Mesh組網(wǎng)中的某個節(jié)點出現(xiàn)故障或受到干擾時，數(shù)據(jù)包會自動無縫切換到更優(yōu)路徑繼續(xù)傳輸，且不會因跨路由而導致掉線。此外，當網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)傳輸負載增加時，網(wǎng)絡能夠根據(jù)每個節(jié)點的實際情況動態(tài)分配通信路由，從而有效避免網(wǎng)絡擁堵。

3.2 Mesh網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

Mesh組網(wǎng)主要有三種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。

3.2.1 鏈式拓撲

在鏈式拓撲結(jié)構(gòu)中，各節(jié)點以鏈式方式分布，只有相鄰的兩個節(jié)點之間可以直接進行數(shù)據(jù)傳輸和通信。

3.2.2 星型拓撲

在星型拓撲結(jié)構(gòu)中，各節(jié)點以星型方式連接，網(wǎng)絡中存在一個中央節(jié)點，其他節(jié)點均與中央節(jié)點直接交互。

3.2.3 網(wǎng)狀拓撲

在網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)中，多個節(jié)點通過多種類型的組網(wǎng)方式連接，并利用Mesh組網(wǎng)的自組織特性動態(tài)計算最優(yōu)傳輸路徑。

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

4.1 數(shù)據(jù)上行與下行量計算

本文將網(wǎng)絡分為Sigfox內(nèi)部傳輸網(wǎng)絡以及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)絡的數(shù)據(jù)量隨時調(diào)整數(shù)據(jù)包的接收和上傳速率。因此，在Sigfox內(nèi)部網(wǎng)絡接口處設(shè)置流量傳輸膨脹值。計算公式如下：

當數(shù)據(jù)傳輸膨脹值大于內(nèi)部網(wǎng)絡載量時，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)將迅速調(diào)整，將多個傳感器數(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)絡優(yōu)化模型

由圖1可以看出，種植園內(nèi)部Sigfox網(wǎng)絡可以理解為一個環(huán)形網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，周圍分布著多個路由器（無線傳感器相連接），當內(nèi)部網(wǎng)絡數(shù)據(jù)過載時，通過式（5）計算后將數(shù)據(jù)經(jīng)過負載均衡器傳輸給交換器，并通過交換器傳輸給Mesh外部組網(wǎng)，最終將數(shù)據(jù)傳輸至終端服務器。到達終端服務器的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)庫進行數(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行的操作，通過前端服務器和硬件實現(xiàn)。

5 結(jié) 語

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)點對所設(shè)定的枸杞種植園網(wǎng)絡通信進行優(yōu)化，從而建立起一個智能網(wǎng)絡通信優(yōu)化模型。Sigfox技術(shù)是一種低功耗、低成本且具有強信號穿透能力的通信網(wǎng)絡技術(shù)，而Mesh組網(wǎng)結(jié)構(gòu)具有較廣的覆蓋范圍，并且具備自動無縫漫游功能。在成功將兩種技術(shù)融合之后，可以得到一個具有更高寬帶、更低延時和更強自我修復能力的強大網(wǎng)絡，實現(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，在本次實驗中，本文還引入了數(shù)據(jù)膨脹值，以更精準的數(shù)據(jù)優(yōu)化數(shù)據(jù)過載現(xiàn)象，使得所提網(wǎng)絡的優(yōu)化模型更加成熟、穩(wěn)定。

注：本文通訊作者為孫莉。

參考文獻

[1]楊金龍，楊娟娟.特色種植“小枸杞”帶民走上致富路—記寧夏回族自治區(qū)吳忠市紅寺堡區(qū)祥祥家庭農(nóng)場[J].中國農(nóng)民合作社，2024（5）：71-72.

[2]年新，高藝瑋，連敏，等.寧夏枸杞產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及建議[J].農(nóng)業(yè)科技通訊，2024（2）：4-6.

[3]陳春葉，陳仲軍.基于GIS的寧夏枸杞花期凍害風險分析與區(qū)劃[J].黑龍江科學，2024，15（10）：35-37.

[4]劉楊，馮曌卓，王茄靈，等.枸杞種植廢棄物固態(tài)發(fā)酵生物飼料條件優(yōu)化及其微生物群落[J].應用與環(huán)境生物學報，2023，29（6）：1434-1443.

[5]李文慧，陳浩楠，南雄雄，等.寧夏旱區(qū)枸杞/覆蓋作物種植體系對土壤活性有機碳庫的影響[J].生態(tài)學雜志，2024，43（5）：1324-1332.

[6]陳育中.一種基于ZigBee樹狀無線傳感器溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].中國科技信息，2024（13）：63-67.

[7]文劍，涂旭青，周劍濤，等.基于數(shù)據(jù)中臺的無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)[J].長江信息通信，2024，37（6）：173-175.

[8]郜迪.基于NB-IoT無線傳輸技術(shù)的研究與設(shè)計[D].北京：中國電子科技集團公司電子科學研究院，2019.

[9]唐路瑤，劉慶杰.地震監(jiān)測自組網(wǎng)系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].科技創(chuàng)新與應用，2024，14（11）：7-10.

[10]于海洋.簡析無線Mesh自組網(wǎng)在應急通信中的應用[J].網(wǎng)絡安全技術(shù)與應用，2024（2）：64-66.