麥田環(huán)境下433 MHz無(wú)線信號(hào)傳播特性

雷凱鋒　尹長(zhǎng)川

摘 要：無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)被應(yīng)用在越來(lái)越多的領(lǐng)域，不同應(yīng)用環(huán)境下無(wú)線信號(hào)的傳播模型都有不同程度的差異。為了保證網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率和穩(wěn)定性，在部署無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之前，應(yīng)該先確定信號(hào)在該環(huán)境下的傳播特性。研究由路徑損耗所引起的接收功率隨距離和收發(fā)天線高度變化的規(guī)律，在位于北京小湯山的國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究示范基地實(shí)地測(cè)量了麥田環(huán)境下433 MHz無(wú)線信號(hào)的路徑損耗特性，根據(jù)測(cè)量結(jié)果總結(jié)了433 MHz無(wú)線信號(hào)在小麥典型的三個(gè)生長(zhǎng)期以及不同天線高度下地傳播情況。通過(guò)擬合分析，得出了433 MHz無(wú)線信號(hào)在小麥田中的路徑損耗特性。

關(guān)鍵詞：精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)；無(wú)線傳感網(wǎng)；路徑損耗；433 MHz

中圖分類號(hào)：TP393.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）04-00-03

0 引 言

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)越來(lái)越強(qiáng)調(diào)精準(zhǔn)化，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)可降低資源消耗，增加作物產(chǎn)量。目前我國(guó)的農(nóng)業(yè)科技化進(jìn)程在不斷加深，這一進(jìn)程與信息化有著緊密的聯(lián)系，要實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)化，需要積極利用現(xiàn)代科技的發(fā)展成果，加快農(nóng)業(yè)信息化進(jìn)程，在此過(guò)程中可以將先進(jìn)的信息技術(shù)引入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)踐中。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為農(nóng)田生態(tài)環(huán)境地監(jiān)測(cè)開辟了新的途徑，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠提供農(nóng)田信息實(shí)時(shí)快速采集、傳輸、處理、分析的集成化解決方案[1]。

無(wú)線信道不同于有線信道，它極易受噪聲干擾和其他信道因素的影響，而且由于信道的動(dòng)態(tài)變化，這些因素還會(huì)隨著時(shí)間隨機(jī)變化[2]。因此在部署任何無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之前都要充分考慮環(huán)境對(duì)信號(hào)傳播的影響，這是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)連通性和有效性的保證。同樣，在農(nóng)田環(huán)境下部署無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也要考慮農(nóng)田環(huán)境以及作物的生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)對(duì)無(wú)線電信號(hào)傳播的影響。由于無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供電，能量有限，一旦電池能量耗盡，節(jié)點(diǎn)就無(wú)法工作，甚至還有可能影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連通性。因此設(shè)計(jì)部署網(wǎng)絡(luò)時(shí)應(yīng)充分考慮節(jié)能，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。這就對(duì)節(jié)點(diǎn)的具體部署提出了要求，一方面要控制成本，節(jié)點(diǎn)不能布置太密。另一方面節(jié)點(diǎn)間隔太長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率過(guò)大，使得單個(gè)節(jié)點(diǎn)能耗變大，而且間隔太長(zhǎng)會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通性。所以必須有一個(gè)具體的參考來(lái)決定節(jié)點(diǎn)部署的密度。這個(gè)參考必須從信道的路徑損耗模型出發(fā)，有了確定的路徑損耗模型就能確定節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍。

近年來(lái)，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道傳播特性的相關(guān)研究引起越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注。研究的范圍主要集中在無(wú)線體域網(wǎng)[3-5]，地下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[6-8]，野外傳感器網(wǎng)絡(luò)[9]，研究農(nóng)業(yè)環(huán)境下的傳感器網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳播特性的有果園環(huán)境[10]、玉米地環(huán)境[11]、大棚環(huán)境[12]等；研究麥田環(huán)境下信號(hào)傳播特性的文章都是基于2.4 GHz頻段[13，14]。本文研究433 MHz信號(hào)在麥田環(huán)境下的傳播特性，具有一定的新穎性。

1 測(cè)量環(huán)境及方法概述

1.1 麥田環(huán)境介紹

測(cè)量工作全部在位于北京小湯山的國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范基地完成，選取冬小麥麥田為測(cè)量環(huán)境。農(nóng)業(yè)科學(xué)上通常把小麥的生長(zhǎng)過(guò)程劃分為12個(gè)時(shí)期，分別為：出苗期、三葉期、分孽期、越冬期、返青期、起身期、拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、開花期、灌漿期、成熟期[14]。該冬小麥在10月上旬播種，收割期為第二年5月末或者6月初。小麥處于不同的生長(zhǎng)期對(duì)無(wú)線信號(hào)傳播的影響差異很大。因?yàn)樾←湻N植的密度、莖葉的粗壯程度、植株的高度都會(huì)發(fā)生變化，這些因素都會(huì)帶來(lái)無(wú)線信號(hào)的路徑損耗的變化。為了建立一個(gè)符合具體環(huán)境的路徑損耗模型應(yīng)該對(duì)小麥典型的生長(zhǎng)時(shí)期信號(hào)傳播情況進(jìn)行測(cè)量，比較無(wú)線信號(hào)在不同時(shí)期的傳播情況，得出組網(wǎng)時(shí)節(jié)點(diǎn)的鋪設(shè)密度。

為此，我們選擇了三個(gè)比較有代表性的生長(zhǎng)時(shí)期進(jìn)行測(cè)量，分別為苗期、拔節(jié)期和成熟期（如圖1所示），前5個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期都屬于苗期，小麥的高度大都小于10 cm，拔節(jié)期小麥的平均高度在35～45 cm，成熟期的小麥最高可達(dá)80 cm，平均高度在65～75 cm，麥穗已基本飽滿。

1.2 測(cè)量

無(wú)線信號(hào)地傳播有直射、反射、繞射和散射等傳播機(jī)制[2]，在農(nóng)田中部署無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)可改變參量有節(jié)點(diǎn)高度和節(jié)點(diǎn)間的距離，它們是影響路徑損耗的主要因素。小麥的生長(zhǎng)過(guò)程中，莖桿的粗細(xì)、植株的高度、葉片的大小和密度都在變化，使得不同時(shí)期的路徑損耗情況差異較大。我們?cè)跍y(cè)量每個(gè)生長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)時(shí)都相應(yīng)調(diào)整收發(fā)天線的高度，獲取不同時(shí)期不同天線高度下無(wú)線信號(hào)傳播的特性。

我們選用TI公司生產(chǎn)的CC1101無(wú)線射頻模塊作為發(fā)送端發(fā)送433 MHz信號(hào)，使用惠美公司生產(chǎn)的HMS3000頻譜儀作為接收端，為了達(dá)到標(biāo)稱的天線增益，我們把收發(fā)天線高度設(shè)為相同高度，且收發(fā)天線的方向保持一致。

2 測(cè)量結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1 測(cè)量結(jié)果

測(cè)量了冬小麥在三個(gè)典型生長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)，每期都測(cè)量了多個(gè)收發(fā)天線高度。各時(shí)期小麥的平均高度如表1所示。在苗期，分別測(cè)量了0 cm、20 cm、40 cm和60 cm；拔節(jié)期又加測(cè)了100 cm高度的數(shù)據(jù)；成熟期增加了80 cm和120 cm的數(shù)據(jù)。這么做的目的是更為了精確觀察接收信號(hào)強(qiáng)度隨天線高度變化的情況。

圖3和圖4分別給出了拔節(jié)期和成熟期的測(cè)量數(shù)據(jù)，因?yàn)樾←湹闹仓旮叨缺让缙谝?，且麥稈也越粗，所以小麥所帶?lái)的遮擋效應(yīng)也越來(lái)越嚴(yán)重，結(jié)果使得信號(hào)傳播距離變短。從圖中可得出以下結(jié)論：

路徑損耗明顯比苗期的要大，節(jié)點(diǎn)的傳播距離也更短；天線高度對(duì)傳播地影響很大，從圖中可看出，無(wú)論是拔節(jié)期還是成熟期，隨著天線高度的增加路徑損耗越來(lái)越小，當(dāng)天線高度高于植株高度而繼續(xù)增加高度時(shí)是還是會(huì)帶來(lái)性能的提升。

表1～3分別給出了小麥在苗期、拔節(jié)期、成熟期的擬合分析結(jié)果，從表中的數(shù)據(jù)可以看出，用公式（2）與測(cè)量的路徑損耗變化趨勢(shì)擬合情況非常好，相關(guān)系數(shù)除了最低的一個(gè)值為0.899，其它相關(guān)系數(shù)都在0.95之上。但隨著天線高度的增加路徑損耗指數(shù)n應(yīng)該是減小的，擬合結(jié)果卻正好相反。原因是環(huán)境參數(shù)k的值在不斷變化。從幼苗期到成熟期，k值一直在變大。但在同一期內(nèi)，k的值隨著天線高度的增加卻在減小，與此相對(duì)應(yīng)的是路徑損耗指數(shù)卻在降低。表明參數(shù)k對(duì)路徑損耗模型影響很大。從圖2～4可以看出，成熟期0 cm天線高度時(shí)的路徑損耗最大，對(duì)應(yīng)應(yīng)該是n值最大。這里n值最小，但k值最大。為了保證節(jié)點(diǎn)在小麥不同生長(zhǎng)時(shí)期的聯(lián)通性，在實(shí)際節(jié)點(diǎn)部署時(shí)，應(yīng)該以路徑損耗最大的模型作為參考模型。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了433 MHz無(wú)線信號(hào)在麥田環(huán)境下的傳播特性與路徑損耗模型。根據(jù)三期的結(jié)果可以得出：接收點(diǎn)處的路徑損耗隨天線高度的降低而增加；但其路徑損耗指數(shù)并不是一直增大，整個(gè)路徑損耗模型還與環(huán)境參數(shù)有很大的關(guān)系。在幼苗期，因?yàn)槊缰旮叨容^低所以天線高度變化的同時(shí)，路徑損耗情況差別并不大，這里體現(xiàn)的數(shù)據(jù)是n值較大，而環(huán)境參數(shù)值k較小，節(jié)點(diǎn)的傳播距離也最遠(yuǎn)。在拔節(jié)期和成熟期，小麥對(duì)433 MHz傳播的影響非常大，天線高度為0的時(shí)候僅能傳輸35 m左右，但路徑損耗模型中的路徑損耗指數(shù)反而變小了，這點(diǎn)看似與測(cè)量數(shù)據(jù)相悖，其實(shí)問(wèn)題在于：信號(hào)在傳播初期損耗了太多的能量，而后期已經(jīng)沒(méi)有多少能量可供損耗，因而在小麥的拔節(jié)期和成熟期，信號(hào)的路徑損耗模型中的路徑損耗指數(shù)n值很小，而環(huán)境參數(shù)值k非常大。

從擬合的結(jié)果可以看出，相關(guān)系數(shù)最低為0.899，其他數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)基本都在0.95以上，這表明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型的預(yù)測(cè)值有高度的相關(guān)性，也說(shuō)明采用式（2）的模型來(lái)描述路徑損耗是可行的。部署傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)該考慮在最惡劣的環(huán)境下也能通信，因此這里選擇損耗最大的成熟期數(shù)據(jù)作為部署參考，選擇將天線高度布設(shè)在1.2 m：

PL（d）=10*n*log 10（d）+k=22.97*log 10（d） +69.32

參考文獻(xiàn)

[1] Wang Ning， Zhang Naiqian. Wireless sensors in agriculture and food industry-resent development and future perspective[J]. Computer and Electronics in Agriculture， 2005（9）， 3-5.

[2] Andrea Goldsmith. 無(wú)線通信[M]. 北京：人民郵電出版社，2007

[3] 盛楠. 無(wú)線體域網(wǎng)信道模型及同步技術(shù)研究[D]. 上海：上海交通大學(xué)，2010.

[4]宮繼兵，王睿，崔莉. 體域網(wǎng)BSN的研究進(jìn)展及面臨的挑戰(zhàn)[J]. 計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2010，47（5）：737-753.

[5]陸希玉，陳鑫磊，孫光，等.超寬帶體域網(wǎng)信道測(cè)量及傳輸特性分析[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào).2011，51（11）：1621-1626.

[6] I.F.Akyildiz and E.P.Stuntebeck.Wireless underground sensor network： Research challenges， Ad Hoc Networks Joural （Elsevier），2006（4）：669-686.

[7] L.Li，M.C.Vuran， and I.F.Akyildiz. Characteristics of Underground Channel for Wireless Underground Sensor Networks[C].in Proc.Med-Hoc-Net07，Corfu，Greece， 2007.

[8] Hu Xiaoya， Gao Chao， Wang Bingwen，et al. Channel modeling for wireless underground sensor networks[C]. IEEE COMPSACW，2011：249-254.

[9]王代華，宋林麗，孔祥善，等. 草原環(huán)境地表無(wú)線信道的路徑損耗建模[J]. 光學(xué)精密工程. 2012，20（6）：1406-1413.

[10]郭秀明，趙春江，楊信廷，等. 蘋果園中2.4GHz無(wú)線信道在不同高度的傳播特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2012，28（12）：195-199.

[11]李太浩，潘賀.基于不同種植密度的玉米大田環(huán)境無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)射頻信號(hào)損耗研究[J]. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2014，35（5）：268-271.

[12]李萍萍，彭玉禮，王紀(jì)章. 溫室青椒中2.4GHz無(wú)線電波傳播特性研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào). 2014，45（2）：251-255.

[13]劉卉，汪懋華，孟志軍，等. 農(nóng)田環(huán)境中短程無(wú)線電傳播性能試驗(yàn)[J]. 江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2010，31（1）：1-5.

[14]李鈺，高紅菊，姜建釗. 小麥田中天線高度對(duì)2.4GHz無(wú)線信道傳播特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào). 2009，25（S2）：184-189.