面向温室分布式环境监测的LoRaWAN无线传感器节点研制与通信性能评估

《Agriculture》：Fabrication and Performance Evaluation of a LoRaWAN-Based Wireless Sensor Node for Greenhouse Environmental Monitoring

　　

温室微气候在空间上存在差异，因此需要分布式环境感知；然而，有线和短距离无线网络难以扩展和维护。在本研究中，研究人员设计、制作并评估了一种基于长距离广域网（LoRaWAN）的无线传感器节点。空气温度、相对湿度、二氧化碳（CO₂）浓度和照度被编码至单一载荷，并经网关传输至本地托管网络服务器。在温室模拟器中进行环境监测，并通过天线增益与节点密度测试以及室外近视距距离测试（20–100 m）评估通信性能。分析了分组投递率（PDR）、接收信号强度指示（RSSI）、信噪比（SNR）以及服务器侧下行入队至派发间隔。该节点捕获了全部四个变量的清晰日变化。5 dBi天线给出最高观测PDR（1个和2个节点时为100.00%；4个节点时为94.44%）。RSSI和SNR在20至60 m相对稳定，在80和100 m恶化。在四节点Class C运行下，服务器侧下行入队至派发间隔为7至18 ms（均值9.50 ms）。该间隔不包括LoRa无线电空中时间和终端节点接收。原型在小温室模拟器中展示了功能性环境监测，并展示了最多四节点的初步通信性能。室外近视距测量提供了特定场地的传播参考；商业温室中的覆盖与性能仍有待验证。

温室微气候具有空间异质性，通风、太阳辐射、冠层结构、灌溉及加热或冷却设备会造成局部梯度，单一测点难以代表不同区域作物所处环境，因此需要分布式环境感知为闭环气候管理提供可靠输入。有线系统在小型安装中可提供稳定链路，但随传感点增加，布线、连接器、防水保护与固定安装点会提高安装和维护要求，且线缆暴露于湿度、灌溉水、肥料、农用化学品、人员活动和机械。短距离无线技术可减少布线，但其覆盖和链路稳定性可能受金属框架、塑料薄膜、密集作物冠层和电气设备影响。大型或密集布设温室需要低功耗节点、更宽覆盖、简单扩展和在特定结构条件下可靠的分组投递。LoRaWAN作为低功耗广域网（LPWAN）技术，可由私有本地网络支持长距离、低功耗、多节点通信，不依赖公共蜂窝服务；但其性能并非由协议本身保证，天线增益、节点密度、传输间隔、距离、分组碰撞、安装高度和温室结构均可改变分组投递率（PDR）、接收信号强度指示（RSSI）和信噪比（SNR）。已有温室物联网研究多展示传感器集成、仪表板和可视化，其他LoRaWAN研究多关注通信距离、网关布置或网络可扩展性，较少在同一部署导向评估中结合节点制作、多参数温室监测、天线增益选择、节点密度效应、距离相关链路行为、本地管理网络服务器和初步下行通信。因此，研究人员设计并制作模块化LoRaWAN无线传感器节点，构建本地管理网关与网络服务器架构，并评估不同天线增益、活动节点数和网关至节点距离下的环境感知与通信性能。研究结论表明，节点可捕获温室模拟器中四类环境变量的日变化；5 dBi配置获得最高观测PDR，但统计上仅活动节点数总体效应显著；RSSI和SNR在20–60 m相对稳定，80和100 m恶化；四节点Class C下服务器侧下行入队至派发间隔为7–18 ms。其意义在于为节点硬件、天线、网关位置和通信设置选择提供实施参考，并展示无需大量通信布线的分布式温室监测潜力；但商业温室覆盖和大规模网络性能尚未确立。

关键技术方法概括（不超过250字）：节点以MKR WAN 1310为微控制器单元（MCU），集成AM2302温湿度传感器、P5144–9光照传感器和CM1106非色散红外（NDIR）CO₂传感器；每5 s采样，经12样本滑动平均后编码为9字节载荷，采用过空口激活（OTAA）入网，在KR920频段923 MHz单信道上行，Class C下行。网关为SenseCAP M2，本地服务器为ChirpStack v4.18并部署于Raspberry Pi 5。2025年11月14—19日在2.53×2.00×2.00 m温室模拟器监测；11月21日进行2、3、5 dBi天线与1—4节点密度测试（10 s间隔、10 min、三次重复），以及室外20—100 m近视距RSSI/SNR测试和四节点Class C下行入队至派发测量。

结果部分：
3.1 本地LoRaWAN网络验证：通过OTAA认证、网关在线、KR920区域配置和上行包被本地服务器接收，并确认设备配置为LoRaWAN 1.0.3和Class C下行接收，表明节点、网关和服务器在实验数据采集前可运行。
3.2 天线增益下的通信性能：天线增益与节点密度测试显示，PDR随活动节点数增加而下降。单节点时2、3、5 dBi的PDR分别为99.44%、99.44%、100.00%；两节点为96.30%、98.70%、100.00%；三节点为94.73%、96.94%、98.89%；四节点为91.80%、92.92%、94.44%。5 dBi在所有测试节点数下产生最高观测PDR且变异系数（CV）最低（0.62%），其节点数效应显著（p < 0.001），PDR从1和2节点100.00%降至4节点94.44%。补充双因素计算显示活动节点数F(3, 24)=4.633，p=0.0108；天线增益F(2, 24)=1.460，p=0.2521；交互F(6, 24)=0.132，p=0.9910；在合并误差模型下仅活动节点数效应显著。研究结论是5 dBi观察PDR最高且波动最小，但增益未消除节点密度影响。
3.3 距离下的通信性能：室外近视距距离测试显示，平均RSSI从20 m的?77.28 ± 1.26 dBm降至100 m的?97.20 ± 1.00 dBm，总降低19.92 dB；20、40、60 m分别为?77.28、?81.66、?82.35 dBm，80和100 m分别降至?90.72 ± 1.36 dBm和?97.20 ± 1.00 dBm，60 m后衰减更强。平均SNR从20 m的5.29 ± 0.43 dB降至100 m的?1.35 ± 0.38 dB；100 m均值低于估计噪声功率，但仍高于SF7约?7.5 dB解调限，链路裕量降低。结论是RSSI和SNR在20–60 m相对稳定、80和100 m恶化，60 m仅作为该样线的场地特定参考，而非温室覆盖限值。
3.4 温室模拟器中的环境监测性能：温室模拟器监测显示，空气温度8.28—38.87 °C，均值17.00 °C；相对湿度20.45%—77.50%，均值60.10%；CO₂浓度387.42—574.40 ppm，均值482.08 ppm；估算光合光子通量密度（PPFD）0—425.76 μmol m^?2 s^?1，均值67.14 μmol m^?2 s^?1。温度白天升高夜间降低，相对湿度呈相反模式；CO₂在高光期较低、低光期较高；PPFD夜间近零、白天随光照周期出现峰值。结论是节点成功捕获四类变量的日变化。
3.5 Class C运行下下行入队至派发间隔：四节点Class C以60 s间隔下发命令，每节点入队35条、共140条，139条派发至网关（99.3%）；Node 1—3各35条全部派发，Node 4派发34条，漏发原因未能从服务器日志识别。间隔7—18 ms，均值9.50 ms，中位数9.00 ms，标准差2.02 ms；Node 1—4均值分别为9.83、9.46、9.40、9.32 ms。结论是服务器侧队列处理和下行传输请求提交及时，但该测量不含LoRa无线电空中时间、终端节点接收和執行器响应。

讨论部分总结：研究回应了无需大量布线、可在空间异质区域增加节点的分布式温室监测需求；环境记录证明数据采集与传输功能并捕获时间变化，但不能独立建立传感器精度，跨节点平均也不量化节点位置间空间差异。双因素计算提示总体节点数效应，但未提供天线增益主效应或交互证据；5 dBi虽观察均值最高，统计优越性未确立，且各天线残差方差差异较大，合并误差检验需谨慎。四节点实验属初步多节点竞争评估，不证明更大温室网络可扩展性；大规模部署需考虑碰撞、信道拥塞、上行延迟和下行调度冲突，并受区域信道接入规则、ALOHA信道接入、扩频因子正交性和并发传输限制；先听后说（LBT）未独立验证且未记录退避事件。2.53×2.00×2.00 m模拟器不能重现商业温室金属框架、加热管道、遮阳网和密集植被的传播复杂性，室外近视距数据提供参考链路特性而非温室内覆盖直接证据。7—18 ms表明服务器侧队列处理和请求提交及时，但不证明单向无线时延或终端成功接收；Node 4漏发命令说明命令送达不能假设，执行器控制未来应使用确认下行并报告各节点确认数，完整评估还需网关调度、LoRa空中时间、终端接收处理及继电器、机械响应和反馈测量。Class C接收增加能耗并需足够电源，当前配置未优化电池效率，需直流测量验证组件级预算。架构优点包括减少通信布线、节点位置可调整、本地开源服务器支持设备注册、路由、本地数据保留和下行调度且不依赖公共蜂窝服务，OTAA提供动态会话密钥，校验和与移动平均改善载荷完整性和信号稳定性。数据处理较基础，不重建缺失测量；PPFD由照度按固定日光因子估算，覆盖材料和补光可能改变光谱关系，需源特定校准或量子传感器比较；校验、无效值剔除和移动平均不能识别漂移、校准误差、间歇故障或长期退化，需自适应滤波、传感器融合验证、离群和异常检测，并测量长期电流与电池寿命；协调传输、时分多址（TDMA）和唤醒接收器可减少碰撞、时延和能耗。总体而言，主要贡献是集成评估传感、本地网络、天线增益、节点密度、距离相关信号行为和服务器侧下行请求派发，但需更大节点群、密集冠层、结构复杂温室、更长运行期和完整执行器响应测试进一步验证。

研究结论翻译：开发并评估了一种基于LoRaWAN的无线传感器节点，以满足无需大量通信布线的可扩展分布式温室监测需求。该节点集成了多参数传感、载荷验证、无线上行传输和本地管理网络服务器。在温室模拟器中成功捕获空气温度、相对湿度、CO₂浓度和估算PPFD变化。5 dBi配置产生最高观测平均PDR，在1和2个活动节点时达100.00%，4个节点时达94.44%。在合并误差模型下，补充双因素计算表明总体节点数效应，而天线增益效应和交互不显著；这些统计发现应结合天线配置间残差方差差异解释。室外近视距测试中，RSSI和SNR至60 m相对稳定，在80和100 m恶化；60 m距离被视为场地特定室外参考，而非温室内覆盖限值。这些发现确认天线选择、节点密度和网关布置必须共同评估用于温室部署。四节点Class C运行下，服务器侧下行入队至派发间隔为7至18 ms，均值9.50 ms；该间隔不包括LoRa无线电空中时间和终端节点接收，因此未确定网关至节点投递时延或执行器响应性能。这些发现限于小模拟器、测试室外样线和最多四节点部署；商业温室覆盖和大网络性能未确立。未来工作应包括大规模节点部署、作物填充温室内场地特定测试、长期电池评估、优化传输调度、完整端到端执行器时延测量和基于反馈的气候控制；这些步骤是将开发架构从经验证的分布式监测扩展到可靠闭环温室管理所需。