麥田環境下433 MHz無線信號傳播特性

雷凱鋒　尹長川

摘 要：無線傳感網絡被應用在越來越多的領域，不同應用環境下無線信號的傳播模型都有不同程度的差異。為了保證網絡的覆蓋率和穩定性，在部署無線網絡系統之前，應該先確定信號在該環境下的傳播特性。研究由路徑損耗所引起的接收功率隨距離和收發天線高度變化的規律，在位于北京小湯山的國家精準農業研究示范基地實地測量了麥田環境下433 MHz無線信號的路徑損耗特性，根據測量結果總結了433 MHz無線信號在小麥典型的三個生長期以及不同天線高度下地傳播情況。通過擬合分析，得出了433 MHz無線信號在小麥田中的路徑損耗特性。

關鍵詞：精準農業；無線傳感網；路徑損耗；433 MHz

中圖分類號：TP393.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）04-00-03

0 引 言

現代農業越來越強調精準化，精準農業可降低資源消耗，增加作物產量。目前我國的農業科技化進程在不斷加深，這一進程與信息化有著緊密的聯系，要實現農業精準化，需要積極利用現代科技的發展成果，加快農業信息化進程，在此過程中可以將先進的信息技術引入到農業生產的實踐中。無線傳感器網絡的出現為農田生態環境地監測開辟了新的途徑，無線傳感器網絡技術能夠提供農田信息實時快速采集、傳輸、處理、分析的集成化解決方案[1]。

無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，而且由于信道的動態變化，這些因素還會隨著時間隨機變化[2]。因此在部署任何無線網絡之前都要充分考慮環境對信號傳播的影響，這是實現系統連通性和有效性的保證。同樣，在農田環境下部署無線傳感器網絡也要考慮農田環境以及作物的生長態勢對無線電信號傳播的影響。由于無線傳感器節點采用電池供電，能量有限，一旦電池能量耗盡，節點就無法工作，甚至還有可能影響到整個網絡的連通性。因此設計部署網絡時應充分考慮節能，延長網絡生命周期。這就對節點的具體部署提出了要求，一方面要控制成本，節點不能布置太密。另一方面節點間隔太長會導致節點發射功率過大，使得單個節點能耗變大，而且間隔太長會影響整個網絡的聯通性。所以必須有一個具體的參考來決定節點部署的密度。這個參考必須從信道的路徑損耗模型出發，有了確定的路徑損耗模型就能確定節點的傳輸范圍。

近年來，基于無線傳感器網絡信道傳播特性的相關研究引起越來越多學者的關注。研究的范圍主要集中在無線體域網[3-5]，地下無線傳感器網絡[6-8]，野外傳感器網絡[9]，研究農業環境下的傳感器網絡信號傳播特性的有果園環境[10]、玉米地環境[11]、大棚環境[12]等；研究麥田環境下信號傳播特性的文章都是基于2.4 GHz頻段[13，14]。本文研究433 MHz信號在麥田環境下的傳播特性，具有一定的新穎性。

1 測量環境及方法概述

1.1 麥田環境介紹

測量工作全部在位于北京小湯山的國家精準農業示范基地完成，選取冬小麥麥田為測量環境。農業科學上通常把小麥的生長過程劃分為12個時期，分別為：出苗期、三葉期、分孽期、越冬期、返青期、起身期、拔節期、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期對無線信號傳播的影響差異很大。因為小麥種植的密度、莖葉的粗壯程度、植株的高度都會發生變化，這些因素都會帶來無線信號的路徑損耗的變化。為了建立一個符合具體環境的路徑損耗模型應該對小麥典型的生長時期信號傳播情況進行測量，比較無線信號在不同時期的傳播情況，得出組網時節點的鋪設密度。

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

1.2 測量

無線信號地傳播有直射、反射、繞射和散射等傳播機制[2]，在農田中部署無線傳感器節點可改變參量有節點高度和節點間的距離，它們是影響路徑損耗的主要因素。小麥的生長過程中，莖桿的粗細、植株的高度、葉片的大小和密度都在變化，使得不同時期的路徑損耗情況差異較大。我們在測量每個生長期的數據時都相應調整收發天線的高度，獲取不同時期不同天線高度下無線信號傳播的特性。

我們選用TI公司生產的CC1101無線射頻模塊作為發送端發送433 MHz信號，使用惠美公司生產的HMS3000頻譜儀作為接收端，為了達到標稱的天線增益，我們把收發天線高度設為相同高度，且收發天線的方向保持一致。

2 測量結果與數據分析

2.1 測量結果

測量了冬小麥在三個典型生長期的數據，每期都測量了多個收發天線高度。各時期小麥的平均高度如表1所示。在苗期，分別測量了0 cm、20 cm、40 cm和60 cm；拔節期又加測了100 cm高度的數據；成熟期增加了80 cm和120 cm的數據。這么做的目的是更為了精確觀察接收信號強度隨天線高度變化的情況。

圖3和圖4分別給出了拔節期和成熟期的測量數據，因為小麥的植株高度比苗期要高，且麥稈也越粗，所以小麥所帶來的遮擋效應也越來越嚴重，結果使得信號傳播距離變短。從圖中可得出以下結論：

路徑損耗明顯比苗期的要大，節點的傳播距離也更短；天線高度對傳播地影響很大，從圖中可看出，無論是拔節期還是成熟期，隨著天線高度的增加路徑損耗越來越小，當天線高度高于植株高度而繼續增加高度時是還是會帶來性能的提升。

表1～3分別給出了小麥在苗期、拔節期、成熟期的擬合分析結果，從表中的數據可以看出，用公式（2）與測量的路徑損耗變化趨勢擬合情況非常好，相關系數除了最低的一個值為0.899，其它相關系數都在0.95之上。但隨著天線高度的增加路徑損耗指數n應該是減小的，擬合結果卻正好相反。原因是環境參數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，k的值隨著天線高度的增加卻在減小，與此相對應的是路徑損耗指數卻在降低。表明參數k對路徑損耗模型影響很大。從圖2～4可以看出，成熟期0 cm天線高度時的路徑損耗最大，對應應該是n值最大。這里n值最小，但k值最大。為了保證節點在小麥不同生長時期的聯通性，在實際節點部署時，應該以路徑損耗最大的模型作為參考模型。

3 結 語

本文研究了433 MHz無線信號在麥田環境下的傳播特性與路徑損耗模型。根據三期的結果可以得出：接收點處的路徑損耗隨天線高度的降低而增加；但其路徑損耗指數并不是一直增大，整個路徑損耗模型還與環境參數有很大的關系。在幼苗期，因為苗株高度較低所以天線高度變化的同時，路徑損耗情況差別并不大，這里體現的數據是n值較大，而環境參數值k較小，節點的傳播距離也最遠。在拔節期和成熟期，小麥對433 MHz傳播的影響非常大，天線高度為0的時候僅能傳輸35 m左右，但路徑損耗模型中的路徑損耗指數反而變小了，這點看似與測量數據相悖，其實問題在于：信號在傳播初期損耗了太多的能量，而后期已經沒有多少能量可供損耗，因而在小麥的拔節期和成熟期，信號的路徑損耗模型中的路徑損耗指數n值很小，而環境參數值k非常大。

從擬合的結果可以看出，相關系數最低為0.899，其他數據的相關系數基本都在0.95以上，這表明實驗數據與模型的預測值有高度的相關性，也說明采用式（2）的模型來描述路徑損耗是可行的。部署傳感器節點應該考慮在最惡劣的環境下也能通信，因此這里選擇損耗最大的成熟期數據作為部署參考，選擇將天線高度布設在1.2 m：

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

參考文獻

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