Использование сетей LORA в автоматическом цифровом дендрометре

Цитирование: Безбородов, Ю. Н. Использование сетей LoRa в автоматическом цифровом дендрометре / Ю. Н. Безбородов, И. Н. Рубцов // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2021, 14(5). С. 600–605. DOI: 10.17516/1999-494X-0337

Стандарт LoRa использует нелицензируемый диапазон частот, который может изменяться в зависимости от местных законов страны применения. В России для него выделен диапазон частот 864–865 и 868.7–869.2 МГц. LoRa имеет собственную модуляцию, основанную на технологии расширения спектра и вариации линейной частотной модуляции с интегрированной прямой коррекцией ошибок. Чувствительность приемника составляет от –108 до –136 дБм. Дальность связи – до 10 км.

Стандарт WiFi HaLow (802.11ah) также использует нелицензируемый в России диапазон частот. Оценочная чувствительность приемника составляет от –120 до –130 дБм. Дальность связи – до 1 км.

В итоге к особенностям первой технологии можно отнести высокую скорость связи, высокое качество передачи данных, но большую стоимость оборудования, необходимость лицензирования частот и наличие SIM-карты.

Особенности второй технологии – низкая стоимость оборудования, большой радиус действия, низкое энергопотребление, закрытый стандарт связи.

Особенности WiFi HaLow – меньший (чем у предыдущих двух) радиус действия, возможность интеграции с имеющимися сетями WiFi.

Таким образом, проанализировав преимущества и недостатки всех трех стандартов, учитывая необходимость использования в труднодоступных регионах, приняли решение применять стандарт LoRa в автоматическом дендрометре.

В качестве аппаратной реализации стандарта LoRa для использования в данном проекте был задействован трансивер SX1278 компании Semtech . Данный трансивер работает на частоте 433МГц, обладает скоростью передачи данных до 300 Кбит/с и низким энергопотреблением, около 9,9 mA в режиме передачи.

Для упрощения разработки экспериментального образца был использован готовый модуль на основе данного трансивера, в котором все радиочастотные цепи и компоненты, необходимые для корректной работы, были уже размещены на предприятии-изготовителе. Внешний вид модуля представлен на рис. 1.

С использованием данного модуля была разработана электрическая схема, проект печатной платы и модифицированная прошивка микроконтроллера устройства. Модуль не занимает значительного пространства, поэтому печатная плата разместилась в габаритах прежнего кор-

Рис. 1. Внешний вид LoRa-модуля пуса дендрометра. Была проведена защита платы от попадания влаги путем покрытия собранной печатной платы защитным составом. Также блок с электронными компонентами в корпусе дендрометра защищен от попадания воды.

В качестве аккумулятора использовался Li-ion аккумулятор емкостью 2500 mAh, обеспечивающий устройство питанием. Внешний вид собранного дендрометра представлен на рис. 2.

Для тестирования стабильности работы два дендрометра были размещены на участке на удалении около 1 км друг от друга и центрального дата логгера. Тестирование автономной работы производилось на протяжении 1 месяца с периодическим промежуточным контролем работы. Интервал отправки данных с дендрометра на центральный дата логгер составлял 30 мин, измерения изменения диаметра ствола дерева, температуры окружающей среды и влажности производились один раз в 5 мин. Данные, полученные с прибора, приведены на графике рис. 3.

Для экспериментальной оценки качества связи была проведена серия измерений на разном расстоянии от центрального дата логгера.

Рис. 2. Внешний вид дендрометра с LoRa-трансивером

Fig. 2. Dendrometer with LoRa transceiver

Рис. 3. Данные с дендрометра во время испытаний

Таблица 1. Зависимость качества связи от расстояния

Table 1. Dependence of quality due to the distance

№ изм.	Расстояние, м	RSSI, dBm	PER, %
1	1105	-112	0
2	1310	-115	0
3	1620	-110	1
4	2252	-121	1,1
5	2523	-119	0,3
6	2850	-129	0,5
7	2975	-115	0,6
8	3351	-127	2,15
9	3520	-130	3,5

Уровень качества соединения оценивался по уровню сигнала RSSI (Received Signal Strength Indicator). Также использовался показатель процентного соотношения числа недоставленных пакетов к успешно доставленным PER (Packet Error Rate). В каждой точке удаленности производилась передача около 100 пакетов данных. Передатчик и приемник находились в 1,5 м от земли. Перепад высот при изменении удаления передатчика от приемника составлял не более 3 м. Данные изменений уровня сигнала, PER, представлены в табл. 1. Значения с PER более 4 (при расстоянии более 4000 м) отбрасывали и в таблицу не вносили.

Из анализа полученных данных можно сделать вывод, что с использованием данных антенн при таком расположении дендрометра и дата логгера уверенный радиообмен сохраняется на расстоянии около 3,5 км.

Выводы. После получения всех результатов был проведен анализ по временным меткам на предмет стабильности передачи данных, в результате которого было определено, что все измерения успешно передавались через радиоканал на дата логгер. Это позволяет говорить об успешном использовании сети передачи данных LoRa в условиях автономной работы в тайге.

Низкое энергопотребление в комбинации с большим радиусом действия делает низкую себестоимость сети LoRa удачным решением для тех задач, где требуется передавать небольшой объем данных, не критичный к скорости передачи на удаленные расстояния.