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LoRa遠距離無線電比傳統的無線射頻通信距離遠3~5倍

黃杰是中科院水生生物研究所的博士研究生。今年夏天,這樣一幅圖景在他的腦海中定格:他穿著防水褲,站在鄱陽湖的泥沼中,舉著幾米高的“特制魚竿”,眼睛緊盯著水面,耐心“捕鯨”。

他所要“捕捉”的鯨,是長江中目前惟一還存活的鯨類——長江江豚。當然,黃杰并不是真的要抓到一頭長江江豚。而是要用手中的“特制魚竿”——信號接收天線,來捕捉從江豚身上的LoRa信標發射出的信號。

LoRa就是遠距離無線電(Long Range Radio),它最大特點就是在同樣的功耗條件下,信號比其他無線方式傳播的距離更遠——比傳統的無線射頻通信距離遠3~5倍。至于為何在江豚身上使用這項技術,其中還有一段曲折。

江豚追蹤研究遇困

長江江豚,這種僅在我國長江中下游干流及洞庭湖、鄱陽湖中有所分布的小型齒鯨類動物,已經處于極度瀕危的狀況。但由于其生活在水下,出水時間極短,很難對它們進行定位和追蹤。

“如何定位長江江豚以了解其生活習性、活動范圍是保護的重要一步,這對于陸地上的生物很好實現,但對于主要在水下的江豚卻難倒了全球的保護組織?!痹诮沼砂⒗镌平M織的“科技能量保護江豚”活動上,黃杰介紹說,江豚平均浮出水面只有0.81秒,傳統裝置難以定位、追蹤。

記者了解到,在野保領域的追蹤技術上,主流的定位信標是采用GPS或者北斗衛星系統定位,然后通過衛星系統或手機通信網絡進行數據傳輸。不過,項目組成員、從事物聯網技術產品研發的北京領先億民電子產品有限公司CTO劉曉康告訴《中國科學報》記者,衛星信標定位設備的通信時間需要2~3秒,且每隔一段時間都需要進行衛星校準——這需要在水面長時間進行,才能保證定位的精度??紤]到長江江豚的平均出水間隔,理論上當前的衛星定位設備無法完成江豚的準確出水定位。

“在過去5年,項目組嘗試租用或者購買商用的各種衛星定位設備,在網箱養殖的江豚身上進行測試,都無法完成定位?!秉S杰說,此外,由于衛星覆蓋度有限,每天只有固定的時間才能夠有效傳輸數據。而如果遭遇云層,衛星的通信還會受到較大影響,數據傳輸效果變差。

LoRa技術解難題

此路不通,項目組開始不斷尋找新的解決方案。功夫不負有心人,一個偶然的機會,項目組了解到了阿里云IoT事業部的LoRa物聯網技術。

據阿里云loT事業部高級產品專家李國財介紹說,LoRa技術具有低功耗、長距離、開放組網等特性,通信芯片和網絡所需功耗非常低,相對于無線網絡,單基站的覆蓋范圍提升數十倍。更重要的是,借助LoRa物聯網技術,信標和基站可以瞬間完成鏈接,在提高定位和跟蹤精度的同時,還一舉解決了數據傳輸的限制問題。

LoRa的這些特點,恰好符合長江江豚追蹤研究項目的需求。隨著LoRa技術納入方案,項目得以順利實施。2017年4月底,由中科院水生生物研究所副研究員梅志剛負責、北京領先億民電子產品有限公司與廈門四信通信科技有限公司共同配合的項目組,向農業農村部長江流域漁政監督管理辦公室提交了在鄱陽湖開展長江江豚定位跟蹤研究的請示。今年5月中旬,項目獲得通過,并獲批“立即實施”。

在阿里云的技術支持下,項目組很快搭建了LoRa野保系統——整個系統由無侵入式江豚穿戴式LoRa信標、LoRa定位基站,以及江豚蹤跡分析服務器組成。項目中,LoRa信標以每2秒鐘向外周期性發射江豚編號,安裝于江豚活動湖域旁邊的LoRa定位基站接收到信標的周期性信號后,通過4G網絡上報到服務器。服務器通過解析獲得的江豚編號,便可以得出江豚的位置等信息。

隨后,項目組研制出自動接收基站,并將20個基站布設在預定的航標柱或航標船上,同時完成在阿里云端服務器上的信號實時接收和顯示軟件的開發。一切就緒后,6月6日,項目組在江西省余干縣瑞洪鎮康山河段捕撈和挑選了2頭合適的雄性江豚,開始了對這一神秘水下動物的追蹤。

2頭江豚穿上信標之后隨即釋放,實驗人員監測到它們在一起活動,并觀察到它們融入了周邊的江豚群。其間,項目組發現動物背負信標出水形態正常,游泳速度與周邊動物無差異。直至16天后,動物信號消失(穿戴式信標安全脫落),跟蹤實驗結束。

22940分鐘,100980次出水,這是第一次在野外環境下對長江江豚實行最長時間的安全跟蹤。通過追蹤,研究人員發現了江豚大量生活習性?!敖嘤袥]有江、湖遷移行為?遷移的時間和路線是怎樣的?遷移的規模有多大?這些謎團有望被逐個解開?!秉S杰說,這將為如何劃定長江流域的保護區、禁漁區,在江豚遷徙季節的線路上如何保護江豚等問題的解決提供重要參考。

“讓LoRa像WiFi一樣廣泛應用”

在今年9月的杭州云棲大會上,使用LoRa技術保護江豚的項目獲得了阿里云IoT極客創新挑戰賽亞軍。

“長江江豚的定位跟蹤是我們在物聯網行業中的第一步。以后我們會把物聯網技術拓展到生活中的各個角落?!?李國財對《中國科學報》記者說,例如在菜鳥的物流園區,20萬平方米的面積內,通過LoRa技術搭建的物聯網絡,可對園區內所有水電表、井蓋、產品堆高、車輛通行,進行實時監控?!拔磥聿锁B所有的倉儲物流網絡,都會被阿里云IoT覆蓋?!?/p>

劉曉康也告訴記者,基于長江江豚定位的技術還可以應用在針對被困人員的單兵救援黑匣子系統當中。該系統可在人員發送被困信息后,脫離北斗或GPS系統,單機運行。特別是在水下、地下室、隧道等衛星信號無法覆蓋的區域提供定位服務,為挽救生命提供第一手的位置保障。

目前,阿里云也在探索相關IoT技術在非洲大象以及四川保護區等更多野生動物保護項目上的應用。在今年的阿里云棲大會上,阿里云IoT發布了可以上天入地的“LoRa天空物聯網”,實現從40000米高空到地下20米的聯網覆蓋,可在海洋、森林等人類難以到達的場景下應用,支持更多的野生動物保護、森林保護等業務。

“LoRa技術可以完美解決物聯網連接中長距離、低功耗問題,最高接收靈敏度可達-148dBm,可以主攻遠距離低功耗的物聯網無線通信市場?!卑⒗镌艻oT的Link WAN產品負責人貝喬向《中國科學報》記者說,阿里云IoT的Link WAN平臺支持LoRa的自由部署,“我們希望讓LoRa像WiFi一樣廣泛應用,滿足各種物聯網需求”。

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