基于433 MHz LoRa信號(hào)的森林傳播特性研究

唐政權(quán)，楊磊，周雯

(南京林業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，南京 210037)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種新型的信息獲取和處理技術(shù)，憑借其精確性高、靈活性強(qiáng)、性價(jià)比高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代林業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。通過布置在樹木環(huán)境中的諸多節(jié)點(diǎn)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可獲取節(jié)點(diǎn)信息，并將信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至用戶，解決智慧林業(yè)中信息準(zhǔn)確獲取的難題[1-2]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在林業(yè)中的應(yīng)用，將進(jìn)一步推動(dòng)國(guó)家的智慧林業(yè)建設(shè)[3-4]。LoRa(long range radio，遠(yuǎn)距離無線電)作為一種局域無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，傳輸距離遠(yuǎn)但功耗低，且LoRa的使用壽命長(zhǎng)，在人工林無線傳感器網(wǎng)中極具潛力。

研究人員對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在林業(yè)中的應(yīng)用做了許多工作。譚星等[5]研究了不同天線高度和環(huán)境下433 MHz LoRa信號(hào)接收強(qiáng)度與距離的關(guān)系，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合并驗(yàn)證，結(jié)果表明LoRa信號(hào)的傳輸遵從路徑損耗模型。劉鏵[6]研究了2.4 GHz無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信號(hào)人工林環(huán)境路徑損耗，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了人工林中實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)和節(jié)點(diǎn)最大有效通信距離的預(yù)測(cè)。陳明等[7]研究了馬尾松林中不同高度下測(cè)試點(diǎn)的接收功率，采用對(duì)數(shù)衰減模型預(yù)測(cè)433 MHz無線信號(hào)在馬尾松林的路徑損耗，給出馬尾松林環(huán)境下對(duì)數(shù)損耗模型的范圍及條件。戴天虹等[8]分別研究了433 MHz和2.4 GHz頻段下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信號(hào)在不同環(huán)境下的信號(hào)接收強(qiáng)度與信號(hào)頻率、環(huán)境及通訊距離的關(guān)系，采用對(duì)數(shù)距離衰減模型擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出兩種頻段無線信號(hào)在不同環(huán)境中的衰減特點(diǎn)。劉海洋等[9]研究了針葉林中433 MHz無線射頻信號(hào)強(qiáng)度與環(huán)境因子及通信距離間的損耗模型，得到了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在不同密度針葉林下最佳天線高度和傳播距離。

針對(duì)無線信號(hào)在森林中的傳播特性研究，現(xiàn)有工作大多采用傳統(tǒng)的路徑損耗模型，而這種模型精度不高；并且現(xiàn)有工作涉及的林業(yè)環(huán)境多數(shù)較為單一，對(duì)于不同林業(yè)環(huán)境[10]和天線高度等多種因素下的傳播特性分析不足。

本研究采用常用的433 MHz頻段LoRa信號(hào)[11-12]作為無線信號(hào)收發(fā)器，選取鵝掌楸林、林間小路、剛竹林、疏林以及空曠地等幾種不同的自然環(huán)境作為研究測(cè)試地點(diǎn)，對(duì)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的接收信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)值進(jìn)行測(cè)試及分析；分別基于傳統(tǒng)路徑損耗模型和新的模型擬合出不同環(huán)境下RSSI值[13]和傳輸距離[14]的曲線，通過對(duì)比，發(fā)現(xiàn)新模型的擬合精度更高；進(jìn)一步分析森林環(huán)境中若干因子對(duì)無線信號(hào)傳播特性的影響，為無線傳感網(wǎng)絡(luò)更好地應(yīng)用在林業(yè)環(huán)境中提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)主要選在南京林業(yè)大學(xué)新莊校區(qū)及下蜀林場(chǎng)。下蜀林場(chǎng)中種植培育了很多不同樹種的測(cè)試林，經(jīng)過實(shí)地考察以及測(cè)量完成度預(yù)估，最終選擇以下4塊試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行試驗(yàn)：①剛竹林，作為特密林試驗(yàn)場(chǎng)地，混有雜草以及少量低矮枯樹干，平均竹高8 m，平均胸徑8.6 cm，林分密度為2 267株/hm2；②鵝掌楸林，作為疏林試驗(yàn)場(chǎng)地，混有非常少量的雜草，鵝掌楸平均樹高為12 m，平均胸徑約27 cm，最大達(dá)到32 cm，林分密度為1 450株/hm2，種植密度較剛竹疏很多；③林間小路環(huán)境是在南京林業(yè)大學(xué)體育館旁的櫻花小道，道路全程直線距離150 m左右，寬約2.5 m，路兩邊的櫻花樹間隔約1.3 m；④空曠試驗(yàn)場(chǎng)地在南京林業(yè)大學(xué)操場(chǎng)。測(cè)量時(shí)室外溫度約15 ℃。4種試驗(yàn)場(chǎng)景如圖1所示。

圖1 4種試驗(yàn)場(chǎng)景Fig. 1 Four test scenarios

1.2 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)選取Arduino Dragino公司生產(chǎn)的LG01通信設(shè)備。LoRa通信模塊采用SX1278模組，使用頻段為433 MHz，通過SPI總線與微控制器連接?？蛻舳撕头?wù)器(LG01)節(jié)點(diǎn)均采用SX1278核心芯片，在同一個(gè)信道內(nèi)，以帶寬125 kHz、波特率9 600 Bd，采用循環(huán)方式進(jìn)行通信。SX1278芯片可以通過6個(gè)輸入輸出引腳將工作狀態(tài)反饋給微控制器MCU。

微控制器MCU負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)管理各個(gè)模塊的運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗傳輸數(shù)據(jù)。MCU通過串口與USB數(shù)據(jù)通信電路進(jìn)行連接，數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，通過電腦端串口助手軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察；MCU也通過串口將所需數(shù)據(jù)傳輸給無線通信模塊；通過雙工同步串行總線接口與傳輸模塊連接，模塊的調(diào)制解調(diào)器可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與發(fā)送。采用CH340G芯片實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口的功能。

1.3 試驗(yàn)方法

為了保障測(cè)量的精確性，在選擇試驗(yàn)場(chǎng)前對(duì)目標(biāo)樣地進(jìn)行人工逐個(gè)勘察，根據(jù)試驗(yàn)需求選取具有以下條件的場(chǎng)地：地面平坦、林中雜木少、種植密度均勻以及占地面積大于2 hm2[9]。

由于場(chǎng)地原因，本試驗(yàn)根據(jù)LoRa裝置最大通信距離來決定測(cè)量0～100 m的信號(hào)衰減特性。為了使節(jié)點(diǎn)的無線信號(hào)在進(jìn)行通信測(cè)量時(shí)能夠完全處于林分環(huán)境中，在選好的試驗(yàn)場(chǎng)地中放置發(fā)射端時(shí)，使其距離林地邊緣盡量大于10 m。為保證測(cè)試的穩(wěn)定性，將發(fā)射端和接收端節(jié)點(diǎn)固定在可調(diào)節(jié)高度的支架上。本次試驗(yàn)需要測(cè)量接收端的RSSI，為了保證數(shù)據(jù)的偶然誤差最小化，每組測(cè)量3次，取均值作為該次測(cè)量的RSSI值。首先測(cè)量LoRa接收節(jié)點(diǎn)在距離發(fā)射節(jié)點(diǎn)1 m處的RSSI值，作為后續(xù)路徑損耗模型擬合使用，之后依次測(cè)量距離發(fā)射節(jié)點(diǎn)2，4，6，…，50 m處的RSSI值，如圖2所示[8]。

圖2 測(cè)量方案Fig. 2 Measurement diagram

2 結(jié)果與分析

2.1 433 MHz LoRa無線信號(hào)林業(yè)環(huán)境測(cè)量結(jié)果與建模分析

測(cè)量了3種林業(yè)環(huán)境(密林、疏林、空曠草地)下LoRa無線信號(hào)的RSSI值，其中天線高度均為1 m。使用MATLAB軟件進(jìn)行建模分析，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，不同的林業(yè)環(huán)境下，信號(hào)的RSSI值總體衰減趨勢(shì)基本符合傳統(tǒng)的對(duì)數(shù)距離損耗模型。在通信距離20 m內(nèi)信號(hào)衰減速率較快，隨著節(jié)點(diǎn)通信距離變遠(yuǎn)，衰減速度趨于平緩。林分密度對(duì)于信號(hào)的衰減有重要的作用：密林的林分密度最大，衰減最快，其次是疏林，再次是空曠草地。在距離60 m處，密林、疏林、空曠草地的RSSI值分別是-96，-85，-73 dBm，數(shù)值依次增大?？傊址置芏仍叫?，則干擾物越少，信號(hào)衰減速率也越小。

圖3 天線高度1 m時(shí)不同場(chǎng)景下實(shí)測(cè)RSSI值Fig. 3 RSSI with 1 m antenna under different scenarios

圖4 不同天線高度下RSSI值與測(cè)試距離(d)的關(guān)系Fig. 4 RSSI v.s. distance d with different antenna heights

在林間小路和鵝掌楸林兩種林業(yè)環(huán)境分別測(cè)試了不同天線高度下LoRa無線信號(hào)的RSSI值，使用MATLAB軟件進(jìn)行建模分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4a可以看出，信號(hào)的RSSI值衰減基本符合對(duì)數(shù)距離損耗模型。給定測(cè)試距離d，天線高度0 m下的RSSI值低于天線高度0.5和1.0 m的RSSI值；天線高度0.5與1.0 m下的RSSI值基本重合。這是由于林間小路路面沒有雜草，干擾物較少，以至于天線高度0.5和1.0 m的傳播環(huán)境類似。圖4b為L(zhǎng)oRa信號(hào)在鵝掌楸林的傳播特性?？梢园l(fā)現(xiàn)，信號(hào)的RSSI值衰減特性也基本符合對(duì)數(shù)距離損耗模型。給定測(cè)試距離d，天線高度1.0 m 時(shí)的RSSI值最大，其次是0.5 m，最后是0 m。0.5和1.0 m的情況有區(qū)分，這是因?yàn)轾Z掌楸林有較多的雜草以及灌木，地面干擾物較多，導(dǎo)致兩者的傳播環(huán)境不同。此外，對(duì)比這兩幅子圖會(huì)發(fā)現(xiàn)，在相同的天線高度下，信號(hào)在鵝掌楸林環(huán)境下的RSSI值整體上低于林間小路的RSSI值，與圖3的結(jié)論吻合。

2.2 新的路徑損耗模型

傳統(tǒng)路徑損耗模型[15]可以表示為：

PR(d)=A-10nlgd

(1)

式中：A為無線收發(fā)裝置間隔1.0 m處的接收信號(hào)強(qiáng)度值；d為收發(fā)節(jié)點(diǎn)的水平距離；PR(d)代表信號(hào)接收強(qiáng)度值；n為衰減指數(shù)，反映不同衰落環(huán)境對(duì)信號(hào)傳播的影響程度。該損耗模型參數(shù)較少，對(duì)于RSSI值的擬合度不高。

為了提高擬合精度，對(duì)傳統(tǒng)路徑損耗模型進(jìn)行改進(jìn)，提出了新的路徑損耗模型，表示如下：

(2)

2.3 新舊模型精度對(duì)比

度量擬合優(yōu)度的統(tǒng)計(jì)量是決定系數(shù)R2，因此，采用R2來衡量模型的擬合性能。R2在[0,1]區(qū)間，R2的值接近1，說明回歸直線對(duì)觀測(cè)值的擬合程度較好；R2的值趨于0，則說明擬合程度較差。根據(jù)新的擬合模型，將鵝掌楸林和林間小路試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入得到新的擬合曲線，與之前的曲線對(duì)比如圖5、6所示。根據(jù)Origin軟件擬合出來的結(jié)果，記錄下不同測(cè)量環(huán)境不同天線高度下的R2，結(jié)果如表1所示。由表1可見，傳統(tǒng)的路徑損耗模型擬合度R2值最低是0.879 0，最高是0.946 3，而新的路徑損耗模型擬合度R2值最低是0.928 1，最高達(dá)到0.963 2。可見，在同一種林業(yè)環(huán)境和天線高度下，新路徑損耗模型擬合精度優(yōu)于傳統(tǒng)路徑損耗模型。因此，本研究提出的新路徑損耗擬合模型用來預(yù)測(cè)林區(qū)無線信號(hào)的衰減趨勢(shì)更為精確。

圖5 鵝掌楸林新舊模型擬合對(duì)比Fig. 5 Comparison of old and new models in Liriodendron forest

圖6 林間小路無線傳輸新舊模型擬合對(duì)比Fig. 6 Comparison between the old and novel fitting models for forest trails

表1 新舊模型R2對(duì)比 Table 1 R2 Comparison between the old and novel fitting models

3 結(jié) 論

1)林分密度對(duì)LoRa信號(hào)的傳播特性有很大的影響：在空曠操場(chǎng)幾乎沒有障礙物影響的環(huán)境下，信號(hào)的衰減趨勢(shì)是平緩且穩(wěn)定的；但在密林障礙物較多的環(huán)境中，信號(hào)傳播時(shí)接收強(qiáng)度值會(huì)上下浮動(dòng)，信號(hào)的穩(wěn)定性較差。這說明林分密度越大，衰減指數(shù)n值越大，信號(hào)衰減越快。

2)天線高度對(duì)LoRa信號(hào)的傳播特性也有很大的影響。當(dāng)天線高度增加時(shí)，由于枝干分布密度、樹葉、低矮灌木密度逐漸減小，信號(hào)受障礙物遮擋的影響逐漸降低，衰減指數(shù)n值也隨之減小，這說明天線高度越高，越有利于信號(hào)有效傳輸。

3)根據(jù)新的路徑損耗模型進(jìn)行擬合，得到的擬合度最低為0.928 1，最高達(dá)到0.963 2；與傳統(tǒng)的路徑損耗模型相比，擬合精度有了較大提升。這表明采用新模型擬合RSSI測(cè)量數(shù)據(jù)具有更小的誤差和更好的擬合特性，更適合作為林業(yè)環(huán)境中信號(hào)RSSI值數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)公式。