LoRa远距离无线电比传统的无线射频通信距离远3~5倍

黄杰是中科院水生生物研究所的博士研究生。今年夏天,这样一幅图景在他的脑海中定格:他穿着防水裤,站在鄱阳湖的泥沼中,举着几米高的“特制鱼竿”,眼睛紧盯着水面,耐心“捕鲸”。

他所要“捕捉”的鲸,是长江中目前惟一还存活的鲸类——长江江豚。当然,黄杰并不是真的要抓到一头长江江豚。而是要用手中的“特制鱼竿”——信号接收天线,来捕捉从江豚身上的LoRa信标发射出的信号。

LoRa就是远距离无线电(Long Range Radio),它最大特点就是在同样的功耗条件下,信号比其他无线方式传播的距离更远——比传统的无线射频通信距离远3~5倍。至于为何在江豚身上使用这项技术,其中还有一段曲折。

江豚追踪研究遇困

长江江豚,这种仅在我国长江中下游干流及洞庭湖、鄱阳湖中有所分布的小型齿鲸类动物,已经处于极度濒危的状况。但由于其生活在水下,出水时间极短,很难对它们进行定位和追踪。

“如何定位长江江豚以了解其生活习性、活动范围是保护的重要一步,这对于陆地上的生物很好实现,但对于主要在水下的江豚却难倒了全球的保护组织。”在近日由阿里云组织的“科技能量保护江豚”活动上,黄杰介绍说,江豚平均浮出水面只有0.81秒,传统装置难以定位、追踪。

记者了解到,在野保领域的追踪技术上,主流的定位信标是采用GPS或者北斗卫星系统定位,然后通过卫星系统或手机通信网络进行数据传输。不过,项目组成员、从事物联网技术产品研发的北京领先亿民电子产品有限公司CTO刘晓康告诉《中国科学报》记者,卫星信标定位设备的通信时间需要2~3秒,且每隔一段时间都需要进行卫星校准——这需要在水面长时间进行,才能保证定位的精度。考虑到长江江豚的平均出水间隔,理论上当前的卫星定位设备无法完成江豚的准确出水定位。

“在过去5年,项目组尝试租用或者购买商用的各种卫星定位设备,在网箱养殖的江豚身上进行测试,都无法完成定位。”黄杰说,此外,由于卫星覆盖度有限,每天只有固定的时间才能够有效传输数据。而如果遭遇云层,卫星的通信还会受到较大影响,数据传输效果变差。

LoRa技术解难题

此路不通,项目组开始不断寻找新的解决方案。功夫不负有心人,一个偶然的机会,项目组了解到了阿里云IoT事业部的LoRa物联网技术。

据阿里云loT事业部高级产品专家李国财介绍说,LoRa技术具有低功耗、长距离、开放组网等特性,通信芯片和网络所需功耗非常低,相对于无线网络,单基站的覆盖范围提升数十倍。更重要的是,借助LoRa物联网技术,信标和基站可以瞬间完成链接,在提高定位和跟踪精度的同时,还一举解决了数据传输的限制问题。

LoRa的这些特点,恰好符合长江江豚追踪研究项目的需求。随着LoRa技术纳入方案,项目得以顺利实施。2017年4月底,由中科院水生生物研究所副研究员梅志刚负责、北京领先亿民电子产品有限公司与厦门四信通信科技有限公司共同配合的项目组,向农业农村部长江流域渔政监督管理办公室提交了在鄱阳湖开展长江江豚定位跟踪研究的请示。今年5月中旬,项目获得通过,并获批“立即实施”。

在阿里云的技术支持下,项目组很快搭建了LoRa野保系统——整个系统由无侵入式江豚穿戴式LoRa信标、LoRa定位基站,以及江豚踪迹分析服务器组成。项目中,LoRa信标以每2秒钟向外周期性发射江豚编号,安装于江豚活动湖域旁边的LoRa定位基站接收到信标的周期性信号后,通过4G网络上报到服务器。服务器通过解析获得的江豚编号,便可以得出江豚的位置等信息。

随后,项目组研制出自动接收基站,并将20个基站布设在预定的航标柱或航标船上,同时完成在阿里云端服务器上的信号实时接收和显示软件的开发。一切就绪后,6月6日,项目组在江西省余干县瑞洪镇康山河段捕捞和挑选了2头合适的雄性江豚,开始了对这一神秘水下动物的追踪。

2头江豚穿上信标之后随即释放,实验人员监测到它们在一起活动,并观察到它们融入了周边的江豚群。其间,项目组发现动物背负信标出水形态正常,游泳速度与周边动物无差异。直至16天后,动物信号消失(穿戴式信标安全脱落),跟踪实验结束。

22940分钟,100980次出水,这是第一次在野外环境下对长江江豚实行最长时间的安全跟踪。通过追踪,研究人员发现了江豚大量生活习性。“江豚有没有江、湖迁移行为?迁移的时间和路线是怎样的?迁移的规模有多大?这些谜团有望被逐个解开。”黄杰说,这将为如何划定长江流域的保护区、禁渔区,在江豚迁徙季节的线路上如何保护江豚等问题的解决提供重要参考。

“让LoRa像WiFi一样广泛应用”

在今年9月的杭州云栖大会上,使用LoRa技术保护江豚的项目获得了阿里云IoT极客创新挑战赛亚军。

“长江江豚的定位跟踪是我们在物联网行业中的第一步。以后我们会把物联网技术拓展到生活中的各个角落。” 李国财对《中国科学报》记者说,例如在菜鸟的物流园区,20万平方米的面积内,通过LoRa技术搭建的物联网络,可对园区内所有水电表、井盖、产品堆高、车辆通行,进行实时监控。“未来菜鸟所有的仓储物流网络,都会被阿里云IoT覆盖。”

刘晓康也告诉记者,基于长江江豚定位的技术还可以应用在针对被困人员的单兵救援黑匣子系统当中。该系统可在人员发送被困信息后,脱离北斗或GPS系统,单机运行。特别是在水下、地下室、隧道等卫星信号无法覆盖的区域提供定位服务,为挽救生命提供第一手的位置保障。

目前,阿里云也在探索相关IoT技术在非洲大象以及四川保护区等更多野生动物保护项目上的应用。在今年的阿里云栖大会上,阿里云IoT发布了可以上天入地的“LoRa天空物联网”,实现从40000米高空到地下20米的联网覆盖,可在海洋、森林等人类难以到达的场景下应用,支持更多的野生动物保护、森林保护等业务。

“LoRa技术可以完美解决物联网连接中长距离、低功耗问题,最高接收灵敏度可达-148dBm,可以主攻远距离低功耗的物联网无线通信市场。”阿里云IoT的Link WAN产品负责人贝乔向《中国科学报》记者说,阿里云IoT的Link WAN平台支持LoRa的自由部署,“我们希望让LoRa像WiFi一样广泛应用,满足各种物联网需求”。

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