Умные системы животноводства могут использовать подключённые устройства для мониторинга местоположения, движения, показателей здоровья, поведения на выпасе, геозон и других операционных данных. Мониторинг скота входит в число сельскохозяйственных применений, определённых LoRa Alliance, а решения на базе LoRaWAN применялись для крупного рогатого скота и в других средах животноводства.
Однако с точки зрения антенны мониторинг скота создаёт совсем другую задачу, чем датчики почвы или стационарные контроллеры орошения.
Ошейник для крупного рогатого скота, ушная бирка, устройство на ноге или другой носимый узел постоянно перемещается. Его ориентация меняется, когда животное идёт, пасётся, ложится, пьёт или поворачивает тело. Антенна может находиться всего на небольшом расстоянии от животного, при этом всё устройство должно помещаться в компактный герметичный корпус.
В результате проектирование надёжной LoRaWAN livestock antenna требует гораздо большего, чем простое согласование с номинальной частотой LoRa.
Антенну, корпус изделия, тело животного, способ крепления, расположение шлюза, поляризацию и реальную схему перемещения следует оценивать как единую систему связи.
Чем отслеживание скота отличается от стационарных фермерских датчиков
Стационарный датчик почвы обычно сохраняет одну ориентацию. Когда его положение известно, инженеры могут оптимизировать направление антенны и размещение шлюза с учётом предсказуемой геометрии.
Трекер для скота устроен иначе.
В течение одного дня одно и то же устройство может быть:
- вертикальным, когда животное стоит;
- наклонённым во время ходьбы;
- почти горизонтальным во время выпаса;
- близко к земле, когда животное лежит;
- частично экранируется телом животного;
- в окружении других животных;
- в один момент — в сарае, а позже — на открытом пастбище.
Это означает, что путь распространения постоянно меняется.
Линия связи, которая выглядит превосходно, когда инженер держит трекер вертикально в открытом поле, может не отражать реальные условия эксплуатации.
1. Животное становится частью радиочастотной среды
Носимые антенны работают в непосредственной близости от тела.
Таким образом, животное не просто находится «рядом» с антенной. Оно становится частью электромагнитной среды, которую видит антенна.
Настройка антенны, эффективность, диаграмма направленности и импеданс могут изменяться, когда небольшая антенна размещается вблизи крупного тела, содержащего значительное количество воды и биологических тканей.
Точный эффект зависит от конструкции антенны, расстояния, корпуса, частоты и места установки.
В принципе это похоже на многие другие проблемы встроенных антенн: антенна, испытанная отдельно, может вести себя иначе при установке рядом с аккумулятором, дисплеем, землей печатной платы, металлической деталью или другим близлежащим материалом.
RFLink рассматривает это поведение на системном уровне в своем Руководство по КСВН и Руководство по внутренним и внешним антеннам.
Для устройств для животноводства важен практический вывод:
Проверяйте антенну в составе конечного продукта и в типичных условиях монтажа, а не только в свободном пространстве.
2. В компактных устройствах низкочастотные антенны сложнее
Многие устройства для отслеживания скота специально делают компактными и лёгкими.
Но проектирование антенн Sub-GHz становится всё сложнее по мере уменьшения доступного объёма антенны.
Антенну, рассчитанную на диапазон LoRa, нельзя уменьшать бесконечно без изменения её электромагнитного поведения. Компактные конструкции могут использовать меандровые структуры, согласующие цепи, взаимодействие с землёй печатной платы, пружинные структуры или гибкие антенны для практической интеграции.
Корпус может дополнительно ограничивать конструкцию.
Например, ушная бирка для крупного рогатого скота может требовать:
- защиту от погодных условий;
- ударопрочность;
- аккумулятор;
- печатная плата (PCB);
- датчики;
- GNSS-аппаратура в некоторых конструкциях;
- механизм крепления или фиксации.
Все они конкурируют за физическое пространство.
Поэтому антенну следует учитывать на начальном этапе механического проектирования, а не добавлять её в оставшийся объём в конце.
Имеющееся у RFLink руководство по выбору FPC-антенн и ресурсы по PCB-антеннам — полезные справочные материалы при определении того, как встроенная антенна взаимодействует с конструкцией устройства.
3. Изменения ориентации усложняют поляризацию
Многие стационарные антенны шлюзов LoRa используют линейную поляризацию, при этом антенну часто устанавливают вертикально.
Для стационарного датчика инженеры обычно могут установить антенну узла в совместимой ориентации.
Устройство для животноводства не остается неподвижным.
Ошейник вращается вокруг шеи. Ушная бирка перемещается, когда голова меняет направление. Животное может быть обращено к шлюзу или от него.
Это означает, что согласование поляризации меняется со временем.
RFLink’s Руководство по поляризации антенн объясняет, почему рассогласование поляризации может снизить уровень принимаемого сигнала даже тогда, когда антенны работают на правильной частоте.
Поэтому для движущегося устройства LoRa цель состоит не в том, чтобы добиться одной идеальной ориентации в лаборатории. Она состоит в том, чтобы обеспечить приемлемую работу во всём диапазоне ориентаций, ожидаемых в реальной эксплуатации.
Это может влиять на размещение антенны, целевые характеристики диаграммы направленности, механическую компоновку и методику полевых испытаний.
4. Не позволяйте аккумулятору диктовать положение антенны
В трекерах для скота с батарейным питанием значительная часть внутреннего объёма часто отводится под батарею.
Это создает распространенную проблему при интеграции: единственное оставшееся место для антенны может находиться непосредственно рядом с аккумулятором или позади него.
Это может быть не лучшим положением для РЧ.
В зависимости от конструкции небольшое перемещение антенны, изменение ее ориентации, корректировка зазора на печатной плате или компоновки корпуса могут дать более полезную конструкцию, чем простой выбор другой каталожной антенны.
Также необходимо контролировать фидерный кабель, если используется FPC-антенна.
Кабель, проходящий через зону антенны или многократно меняющий положение в процессе сборки, может повлиять на стабильность производства.
По этой причине в механической конструкции следует определить:
- точное положение антенны;
- запретная зона;
- прокладка кабелей;
- положение аккумулятора;
- способ крепления;
- зазоры корпуса;
- Допуск сборки.
Именно здесь настройка антенны на уровне устройства становится особенно ценной.
5. Внешняя или встроенная антенна?
Для носимых устройств для сельскохозяйственных животных встроенная антенна часто привлекательна с механической точки зрения, так как у нее нет открытых элементов, которые животное может повредить.
Однако внешняя антенна может оставаться подходящим вариантом для некоторых более крупных устройств, стационарных кормушек, систем поения, ворот, техники или инфраструктуры животноводства.
Простая схема выбора:
| Устройство | Вероятный приоритет | Возможный тип антенны |
|---|---|---|
| Ушная бирка | Очень компактный, ударопрочный | Индивидуальная конструкция PCB/FPC/встроенная структура |
| Трекер для ошейника | Встроенный, прочный, с подвижной ориентацией | Встроенная FPC/PCB/нестандартная конструкция |
| Стационарный монитор воды | Прочность для уличных условий | Внешняя водонепроницаемая антенна |
| Контроллер для коровника | Надежное покрытие здания | Резиновая или внешняя антенна |
| Шлюз LoRaWAN для фермы | Покрытие больших территорий | Поднятая стеклопластиковая антенна |
Окончательный выбор по-прежнему зависит от структуры продукта и условий развёртывания.
6. Шлюз должен покрывать зоны фактического перемещения животных
Шлюз, установленный рядом с фермерским домом, может хорошо работать у здания, но плохо — у удалённого водопоя, лесополосы, в долине или на пастбище.
Поэтому сети для животноводства следует проектировать с учётом зон перемещения животных, а не административных границ на плане участка.
Полезные исходные данные для планирования:
- пастбищные зоны;
- амбары и сараи;
- водопои;
- зоны кормления;
- заборы и ворота;
- возвышенности или низины;
- лесополосы;
- сезонные пастбищные участки.
LoRa Alliance отмечает широкомасштабный мониторинг животных как важный сценарий применения в умном сельском хозяйстве, поскольку поголовье может находиться вдали от традиционной инфраструктуры связи.
Для наружного сельскохозяйственного шлюза поднятая на высоту всенаправленная стеклопластиковая антенна может быть практичным вариантом, когда животные распределены по территории.
RFLink’s стеклопластиковых LoRa-антенн на 868 МГц и стеклопластиковых LoRa-антенн на 915 МГц являются примерами ориентированных на шлюзы форматов внешних антенн, доступных на сайте. Их рабочие диапазоны и региональную пригодность всё ещё нужно сопоставлять с фактическими условиями развёртывания.
7. Высота установки шлюза обычно важнее маркетинговых обещаний о дальности связи
Так и хочется оценить систему для животноводства, спросив, сколько километров может покрыть радиосвязь.
У этого вопроса нет универсального ответа.
Дальность связи зависит от полного бюджета радиолинии и условий окружающей среды, включая:
- мощность передатчика;
- чувствительность приёмника;
- коэффициент расширения спектра и параметры сети;
- эффективность антенны;
- усиление антенны и диаграмма направленности;
- потери в кабеле;
- высота шлюза;
- рельеф;
- растительность;
- здания;
- затенение телами животных;
- помехи.
Высота шлюза часто помогает, так как может уменьшить локальные препятствия, но её не следует рассматривать отдельно от диаграммы направленности и потерь в фидере.
Например, поднятие антенны шлюза выше может улучшить условия прямой видимости, тогда как использование неоправданно длинного коаксиального кабеля может внести дополнительные потери.
Систему нужно оптимизировать как единое целое.
8. Высокое усиление не заменяет лучшую геометрию
Антенна с высоким усилением не создаёт радиочастотную энергию.
Она перераспределяет энергию в другую диаграмму направленности.
Для большого, относительно ровного пастбища может быть полезна всенаправленная антенна шлюза с более высоким усилением, если узлы в основном распределены вокруг горизонта.
Для холмистого ранчо, где животные находятся выше и ниже шлюза, более узкий вертикальный луч может оказаться менее предпочтительным.
RFLink’s руководство по усилению антенны объясняет, почему только значение усиления не должно определять выбор антенны.
То же правило действует и при отслеживании скота:
Выбирайте диаграмму направленности под условия местности, а не максимальное значение dBi в каталоге.
9. Полевые испытания должны включать движение
Статические испытания могут скрывать проблемы, характерные для скота.
Более эффективный план проверки должен включать несколько ориентаций и вариантов поведения.
Для ошейника инженеры могут оценить:
- сторона антенны, обращённая к шлюзу;
- сторона антенны, направленная от шлюза;
- поворот ошейника;
- животное стоит;
- положение при выпасе;
- животное близко к земле;
- устройство внутри помещения для скота;
- устройство рядом с резервуаром с водой или металлическим забором;
- устройства среди группы животных.
Цель — не гарантировать одинаковый RSSI в каждом положении. Это нереалистично.
Цель — определить, вызывает ли обычное движение недопустимые перерывы связи.
10. Проверяйте не только VSWR
VSWR полезен для проверки согласования импеданса, но хорошая кривая VSWR ещё не означает, что носимая антенна эффективно излучает, когда закреплена на животном.
Полная оценка может включать:
- импеданс / потери на отражение / VSWR;
- эффективность антенны;
- диаграмма направленности;
- коэффициент усиления;
- чувствительность к близости тела;
- чувствительность к ориентации;
- тестирование собранного устройства;
- производительность передачи пакетов в реальных условиях фермы.
Это особенно важно, когда итоговое устройство компактно.
Антенна может быть хорошо согласована, но при этом терять полезную эффективность излучения из-за окружающей конструкции изделия.
11. Важна стабильность производства
Прототип может показывать хорошие результаты, а у серийных изделий возможен разброс.
Возможные причины:
- изменение положения FPC-антенны во время сборки;
- различия в прокладке коаксиального кабеля между экземплярами;
- изменение положения клеевого слоя;
- допуск корпуса;
- допуск на положение аккумулятора;
- изменение пластикового материала;
- приближение винтов или металлической фурнитуры к антенне.
Для серийно выпускаемого трекера для скота способ установки антенны должен быть воспроизводимым.
Механически заданная оснастка, элемент позиционирования, зона нанесения клея или маршрут прокладки кабеля могут уменьшить разброс радиочастотных характеристик между экземплярами.
Когда имеет смысл заказать индивидуальную антенну LoRa?
Стандартная антенна может быть вполне подходящей, если в устройстве достаточно места и типичные радиочастотные условия.
Индивидуальное изготовление становится более целесообразным, когда:
- корпус необычно мал;
- антенна должна располагаться близко к животному;
- стандартные антенны расстраиваются после сборки;
- требуется заданная диаграмма направленности;
- аккумулятор занимает большую часть доступного пространства;
- кабель или разъем необходимо изготовить по индивидуальному заказу;
- требуются несколько региональных частотных версий;
- сложно обеспечить стабильность производства.
Текущее позиционирование RFLink в области разработки антенн по индивидуальному заказу строится вокруг такого типа интеграции на уровне устройств, а не только вокруг поставки отдельного антенного компонента.
Часто задаваемые вопросы
Какая антенна подходит для LoRa-ошейника для крупного рогатого скота?
Универсального типа антенны не существует. В компактных ошейниках часто используют встроенную PCB-, FPC-, пружинную или заказную антенну. Правильная конструкция зависит от размера корпуса, аккумулятора, расстояния до тела, частотного диапазона и требуемых характеристик.
Влияет ли тело животного на работу LoRa-антенны?
Может. Носимая антенна работает очень близко к животному, поэтому находящееся рядом тело может изменять настройку антенны, эффективность и характер излучения.
Почему у трекера для скота меняется RSSI при перемещении животного?
Ориентация, поляризация, затенение телом животного, рельеф, растительность и многолучевое распространение могут изменять радиотрассу при перемещении животного.
Стоит ли использовать на шлюзе стеклопластиковую антенну с высоким усилением?
Она может подойти для некоторых ферм, но большее усиление не всегда означает лучше. Диаграмма направленности должна соответствовать высоте шлюза, рельефу и распределению животных.
Нужно ли тестировать антенны для скота в составе конечного устройства?
Да. Одних данных об антенне в свободном пространстве недостаточно, чтобы отразить все условия эксплуатации носимого устройства.
Заключение
LoRaWAN подходит для мониторинга скота, поскольку фермам часто требуется связь с низким энергопотреблением для широко распределённых объектов, но задача проектирования антенн сложнее, чем кажется на первый взгляд.
Носимый узел постоянно перемещается, меняет поляризацию, работает вблизи тела животного и часто располагает очень малым пространством для антенны.
По этой причине надёжная LoRaWAN livestock antenna должна разрабатываться как часть полного устройства, а не выбираться как отдельный компонент.
Раннее внимание к конструкции корпуса, размещению аккумулятора, зазору для антенны, диаграмме направленности, расположению шлюза и репрезентативным полевым испытаниям может снизить количество проблем гораздо эффективнее, чем попытки исправить плохое покрытие после выхода продукта в эксплуатацию.
