Om 'n plaas sonder netkrag en sonder vesel te monitor, moet jy die verbruikersdenke van WiFi- of sellulêrgebaseerde sensors laat vaar. Die oplossing lê eerder daarin om 'n private lae-krag wyearea-netwerk (LPWAN) met LoRaWAN-tegnologie te bou, bedryf vanaf nodusse wat van die kragbegroting af terugwerk ontwerp is.

'n Suksesvolle afstandmoniteringstelsel begin nie met die keuse van sensors nie; dit begin met die berekening van hoeveel milliwatt energie jy kan oes en stoor, en hoe ver daardie energie 'n radiosein kan dra. Deur 'n enkele sonkraggedrewe deurgang met ultralae-krag sensornodusse te paar, kan jy grondvog, sekuriteitshekke, watervlakke en weerpatrone oor duisende hektaar monitor sonder 'n enkele sentimeter koperdraad of 'n nutsdiensverbinding.

Die kragbegroting: hoekom WiFi en sellulêr op die plaas misluk

Om te verstaan hoekom tradisionele draadlose tegnologieë in landbou-omgewings misluk, moet ons kyk na die fisika van radiofrekwensie-uitsending (RF) en die kragverbruik van verskillende mikrobeheerders. 'n Gewone WiFi-verbinding is ontwerp vir hoë deurvoer oor kort afstande. Om hierdie verbinding te handhaaf, moet 'n WiFi-skyfie aktief bly en trek tussen 100mA en 240mA stroom teen 3.3V. Selfs al is dit geprogrammeer om te slaap en net wakker te word om uit te saai, neem die proses om vir 'n toegangspunt te soek, te assosieer, 'n IP-adres via DHCP te beding en data uit te saai tussen twee en vyf sekondes. As dit verskeie kere per dag gedoen word, sal dit 'n gewone 2500mAh 18650 litium-ioonbattery binne weke pap maak.

Sellulêre netwerke (insluitend NB-IoT en LTE-M) bied beter bereik maar ly aan soortgelyke kragboetes. 'n Sellulêre modem moet met 'n basisstasie beding, wat tot tien sekondes se hoëkrag-uitsending kan neem (dikwels met pieke van meer as 200mA). Wat meer is, in Suid-Afrika is sellulêre netwerke hoogs kwesbaar vir beurtkrag. Tydens fase 4 of hoër verloor plaaslike sellulêre torings gereeld krag sodra hulle rugsteunbatterye pap raak, wat jou sensors juis afgesny laat wanneer jy hulle die nodigste het.

Die LoRaWAN-alternatief

LoRa (Long Range) werk op sub-gigahertz-radiofrekwensies (868 MHz in Suid-Afrika). Dit gebruik chirp-spreispektrummodulasie, wat toelaat dat seine gedemoduleer word selfs wanneer hulle onder die geraasvloer is. Dit gee LoRa twee enorme voordele vir boerdery:

• Uiterste bereik: 'n Enkele deurgang wat op 'n hoë punt gemonteer is (soos 'n silo of watertoring) kan maklik seine ontvang van nodusse tot 15 kilometer ver met direkte sigverbinding.
• Minimale kragverbruik: Omdat LoRaWAN-nodusse nie 'n deurlopende verbinding met die deurgang hoef te handhaaf nie, kan hulle in 'n diep slaaptoestand bly wat minder as 5 mikroampère (µA) trek. Wanneer hulle wakker word, saai hulle hul vrag in minder as 100 millisekondes uit en gaan onmiddellik terug slaap toe.

Die rekenkunde van monsternemingsintervalle

Die lewensduur van 'n batterygedrewe sensornodus is direk eweredig aan hoe gereeld dit data uitsaai. In plaasmonitering is reële-tyd data selde nodig. Grondvog verander nie beduidend in tien minute nie; 'n waterreservoir loop nie in vyf leeg nie. Deur die monsternemingsinterval aan te pas, kan jy 'n nodus se batterylewe van maande na jare verleng.

Die tabel hieronder illustreer die verhouding tussen monsternemingsfrekwensie, gemiddelde kragtrek en verwagte batterylewe met 'n gewone, nie-herlaaibare 3.6V Li-SOCl2-battery (8500mAh kapasiteit) onder tipiese bedryfstoestande:

Vir nodusse wat meer gereelde monsterneming of kragvraat-sensors vereis (soos optiese opgeloste-suurstofsensors of ultrasoniese watervlaksensors), is 'n klein 1W-sonpaneel gepaar met 'n enkele 3.2V LiFePO4-battery genoeg om die nodus onbepaald aan die gang te hou, mits die hardeware ontwerp is om die krag na die sensor af te sny wanneer dit nie gebruik word nie.

Die Suid-Afrikaanse werklikheid: netonafhanklikheid en deurgangsveerkrag

Terwyl die sensornodusse op klein batterytjies loop, is die hart van jou netwerk die LoRaWAN-deurgang. Die deurgang ontvang die radioseine van al jou nodusse en stuur dit aan na die internet. Omdat die deurgang deurlopend moet luister, kan dit nie slaap nie. 'n Tipiese buitedeurgang trek tussen 3W en 5W deurlopende krag.

In Suid-Afrika kan jy nie op die netwerk staatmaak om hierdie deurgang van krag te voorsien nie, en ook nie op plaaslike sellulêre torings om die data tydens langdurige beurtkrag aan te stuur nie. Om 'n veerkragtige stelsel te bou, moet die deurgang saam met 'n sonkragtoevoer en 'n robuuste terugvoerskakel geplaas word. 'n 50W-sonpaneel gepaar met 'n 12V 18Ah LiFePO4-battery sal 'n 5W-deurgang 24/7 aan die gang hou, selfs deur drie agtereenvolgende dae van swaar bewolkte weer.

Vir die terugvoerskakel (om die data van die deurgang na jou foon of rekenaar te stuur), as vesel nie beskikbaar is nie, is 'n satellietskakel soos Starlink of 'n hoogs gerigte, hoëwins punt-tot-punt draadlose skakel na 'n nabygeleë dorp met werkende infrastruktuur die betroubaarste opsie. Omdat die deurgang data van honderde sensors in 'n piepklein datastroom saamvoeg, is selfs 'n lae-bandwydte, hoë-vertraging satellietverbinding meer as voldoende.

Om jou stelsel te implementeer

Om hierdie stelsels te ontwerp, verg noukeurige passing van sensorkoppelvlakke (soos SDI-12, RS-485 Modbus of analoog 4-20mA) met lae-krag mikrobeheerders. Vir landboubedrywe wat robuuste telemetrie buite die netwerk wil implementeer sonder die kompleksiteit om hardeware van nuuts af te bou, verskaf ons span by Sheen Farming Solutions voorafopgestelde, sonkraggereed LoRaWAN-deurgange en sensornodusse wat vir Suid-Afrikaanse toestande aangepas is.

Deur jou argitektuur weg te skuif van hoë-bandwydte, hoëkrag verbruikersprotokolle en 'n gedissiplineerde, lae-krag LPWAN-ontwerp aan te neem, kan jy volle sigbaarheid oor jou afgeleë landbougoedere kry sonder om op Eskom of kommersiële telekommunikasie-operateurs staat te maak.