基于5G-A無源物聯(lián)網(wǎng)的果園監(jiān)測系統(tǒng)研究

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

DOI號 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。果樹從幼苗栽培到成樹產(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，因此林果產(chǎn)業(yè)的人力和農(nóng)資投入較高，亟需通過數(shù)字化方式實(shí)現(xiàn)降本增效2

物聯(lián)網(wǎng)（InternetofThings，IoT）通過傳感器和無線通信，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，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。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)測能力有限，且長期運(yùn)營維護(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，具有無源傳感、廣覆蓋、高速率、低時(shí)延和大連接等優(yōu)勢7，可較好地應(yīng)用于大規(guī)模果園的監(jiān)測管理。目前關(guān)于5G-A無源物聯(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無源物聯(lián)關(guān)鍵技術(shù)、5G-A網(wǎng)絡(luò)能力和果樹生長孿生模型的基礎(chǔ)上，提出一種基于5G-A無源物聯(lián)網(wǎng)的果園監(jiān)測系統(tǒng)，為構(gòu)建數(shù)智果園提供參考。

1基于5G-A無源物聯(lián)網(wǎng)的果園監(jiān)測系統(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)源端部署無源傳感標(biāo)簽陣列采集果樹生長環(huán)境和生長狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過反向散射通信將數(shù)據(jù)信號發(fā)送出去，經(jīng)由無源傳感標(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，通過數(shù)據(jù)中心的果樹孿生模型和校正的WOFOST（WorldFoodStudies）果樹生長模型，該模型是農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的作物生長模擬工具，主要用于分析作物生產(chǎn)潛力、評估氣候變化影響及優(yōu)化農(nóng)業(yè)管理策略?；谠撃Ｐ停瑢麡渖L狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算、分析和預(yù)測，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的無源物聯(lián)網(wǎng)對于無源傳感終端接入數(shù)量沒有較大限制9，通過部署大規(guī)模無源傳感標(biāo)簽陣列，可控制整個(gè)果園監(jiān)測系統(tǒng)的多種參數(shù)，也可精細(xì)化監(jiān)測每棵果樹的狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對果園的全方位、多層次覆蓋和監(jiān)測

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5G基站天線輻射無線電波進(jìn)行地面無縫覆蓋，為移動(dòng)終端提供無線接入服務(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)定電能的長期存取，由此衍生出的無源物聯(lián)網(wǎng)類型又稱作“半無源\"物聯(lián)網(wǎng)。

1.1.2反向散射通信 無源傳感標(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)合無線電波的傳播特點(diǎn)，如圖3所示，設(shè)計(jì)簡單的反向負(fù)載調(diào)制電路11]，使無源傳感標(biāo)簽對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)制與信號發(fā)射，即反向散射通信。

1.1.3上行中繼 5G-A基站和無源傳感標(biāo)簽之間的下行鏈路通常不需要考慮信號損耗和衰落帶來的傳輸距離受限問題，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)無源傳感標(biāo)簽的全面覆蓋。由于無源傳感標(biāo)簽設(shè)備僅能進(jìn)行低功耗的信號調(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)償才能保證無源傳感標(biāo)簽發(fā)送的信號到達(dá)基站側(cè)[12]。如圖3所示，設(shè)置無源傳感標(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)可配置專門的太陽能電池板系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定的供電和儲能，對覆蓋范圍內(nèi)的所有無源傳感標(biāo)簽信號進(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，網(wǎng)絡(luò)功能豐富多樣，無線接入側(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)場景的mMTC切片，在對速率、帶寬和時(shí)延指標(biāo)要求不高的條件下，主要通過廣泛連接大量無源傳感器標(biāo)簽傳輸數(shù)據(jù)。

1.3數(shù)據(jù)計(jì)算

邊緣計(jì)算（EC）通過在數(shù)據(jù)源端部署輕量化算力節(jié)點(diǎn)，快速對現(xiàn)場采集的數(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)帶寬不足等問題[14]。在本系統(tǒng)中，將邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)部署在5G-A無線接入網(wǎng)側(cè)，在本地局域網(wǎng)內(nèi)對無源傳感標(biāo)簽陣列采集的果樹生長數(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模型的果樹生長數(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，在作物生長和環(huán)境深度耦合效應(yīng)下，使用數(shù)學(xué)量化方法對作物生長過程進(jìn)行模擬和研究。目前校正的WOFOST果樹生長模型主要側(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)，對實(shí)體果園和果樹進(jìn)行仿真建模，使得孿生果樹模型和實(shí)體果樹在進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí)保持同步，并實(shí)時(shí)更新生長狀態(tài)。同時(shí)，將校正的WOFOST果樹生長模型算法導(dǎo)人果樹數(shù)字孿生系統(tǒng)，用于構(gòu)建可視化和動(dòng)態(tài)化的果樹生長模擬及預(yù)測系統(tǒng)。

2應(yīng)用分析

2.1 果樹生長狀態(tài)監(jiān)測

在果園內(nèi)部署5G-A無源傳感標(biāo)簽陣列，可實(shí)時(shí)采集果樹生長的土壤數(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無源物聯(lián)的大連接能力可支持和每棵果樹建立連接，本系統(tǒng)還可進(jìn)行果樹數(shù)量統(tǒng)計(jì)以及監(jiān)測每棵果樹的生長狀態(tài)。

2.2 果樹生長模擬與預(yù)測

本系統(tǒng)通過搭建基于校正WOFOST模型的果樹生長數(shù)字孿生系統(tǒng)，使果樹生長和環(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)行果樹的生長發(fā)育模擬、生長脅迫因素分析以及果實(shí)產(chǎn)量估算，在掌握當(dāng)前果樹生長狀態(tài)的同時(shí)準(zhǔn)確研判果樹未來的長勢詳情及相關(guān)問題，為果樹各生長階段的精準(zhǔn)預(yù)測和科學(xué)規(guī)劃提供了有效方法。

3結(jié)語

相較于現(xiàn)有的果園物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，本研究設(shè)計(jì)的5G-A無源物聯(lián)方案具備不受電源限制，使用專用頻段，組網(wǎng)簡單，支持的連接數(shù)量大，數(shù)據(jù)傳輸和計(jì)算能力強(qiáng)，以及融合果樹生長模型實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施策等優(yōu)勢。然而，在無源傳感標(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)功耗和成本問題可以得到解決。5G-A無源物聯(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)，對物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行全面升級，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無源物聯(lián)網(wǎng)的果樹監(jiān)測系統(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）