智能灌溉系統中無線傳感網絡2.4 GHz無線信道傳播特性

摘要：無線傳感網絡被越來越廣泛地應用到農田智能灌溉系統中，但在實際應用中，無線信號的傳輸質量隨著所處農田環境不同而不同。為了經濟、合理、高效地部署無線傳感節點網絡，選取2.4 GHz工作頻段的無線節點，對其接收信號強度及丟包率進行研究，明確其變化特征，給出合理的傳輸距離及天線架設高度，為無線傳感網絡的節點部署提供參考。

關鍵詞：無線傳感網絡；無線信號傳輸強度；丟包率；節點部署

中圖分類號：TP393；TP212.9 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）09-2242-03

為提高農業灌溉有效率，基于節水灌溉自動控制技術的農田智能灌溉系統越來越多地被應用到農業灌溉中。這樣的系統工作環境一般具有如下特點：農業灌溉涉及面積大，控制區域的地形錯綜復雜；田間控制點和監測點既多又分散，人工定時測量墑情，不但要耗費大量人力物力，而且還做不到實時監控；采用有線測控系統，需要較高的布線成本，不利于擴展。基于上述特點，無線傳感網絡作為一種更高效、可靠以及低功耗、低成本的信息獲取和處理方式，被越來越廣泛地應用到農田智能灌溉系統中。但在實際應用中，農田環境復雜多樣，無線信號的傳輸質量也隨著其所在的工作環境、地形地貌等不同而不同。為了經濟、合理、高效地部署無線傳感節點網絡，有必要明確在典型的地形特征下無線傳感節點的傳輸信號強度及丟包率。

為此，選取2.4 GHz工作頻段的無線節點，以種植甘蔗的荒地、平地與坡地等典型環境作為研究對象，對無線傳感節點的接收信號強度及丟包率進行研究，明確其變化特征，給出合理的傳輸距離及天線架設高度，旨在為無線傳感網絡的節點部署提供參考。

1 試驗設置與方法

1.1 試驗場地的選取

試驗地點設在廣西崇左市江州區某糖料蔗示范基地，共取3種地勢的灌溉區域：荒地、平地、坡地。荒地即為平地上的一塊無作物的空曠土地，作為平地、坡地無線信道路徑損耗的對比。平地為灌溉區域內一塊平整土地。考慮到江州區的實際地形，坡地為灌溉區域內相對高差為50 m的地段。作物因素方面，試驗選擇的作物為生長期和成熟期枝葉較為密集的甘蔗，植株高約2.5 m，這也為架設天線提高了難度。所選擇的不同環境下植株的生長情況基本一致，為試驗中丟包率和路徑損耗的對比提供了更高的可靠性。另外，由于氣候環境如光照、雨量、溫度等對試驗中的無線信號傳播影響不是很大，所以忽略這些因素的影響。

1.2 試驗設備的選取

試驗選擇了CC2530節點發送2.4 GHz信號，連接一個采用不銹鋼外殼封裝的數字溫度傳感器，實時發送溫度信息給接收節點，接收節點與發射節點必須一致以保證系統無額外的損耗，工作電壓為3 V電池供電。其中，CC2530是芯片TI公司新一代ZigBee無線射頻模塊，其靈敏度高達-90 dBm，最大輸出為+0.6 dBm，最大傳送速率為250 kbps。

1.3 試驗基本原理及測試方法

無線電信號傳播過程中滿足PR=Pr /dn，其單位dBm數值大小取決于無線信號傳播的環境。對PR=Pr /dn兩邊取對數可得：10nlgd=10lg（Pr /PR）。

為了避免天線增益的產生，收發節點天線保持同一個方向。通過土壤溫度傳感器實時地發送溫度信息，再通過天線以無線信號的方式發送出去。使用WirelessMon軟件實時監測無線信號的變化，該軟件可以監測接收到的無線信號強度（RSSI），也可顯示接收率（可以方便地計算出丟包率）。在甘蔗地中部署傳感器節點時，d為收發（T-R）距離、h為天線高度，d和h是導致信道能耗大尺度衰減的兩個重要因素。試驗中采用甘蔗地實地試驗與分析相結合的方法，分別對不同天線高度、不同收發距離情況下的能耗衰減情況進行了分析。考慮到實地測量的甘蔗植株均高為2.5 m左右，所以天線架設高度（離地高度）分別選擇0、1、2、3 m四種情況；收發距離選擇10、20 m直至接收到的信號衰減到很微弱，即丟包率為100%的情況[1-4]。

2 結果與分析

2.1 荒地、平地和坡地條件下不同天線高度的RSSI

試驗采用的節點發射功率為0.6 dBm，2.4 GHz的接收靈敏度為-90 dBm。在10 m的距離上測量不同距離的RSSI。

由表1可知：1）隨著T-R距離的增加，RSSI逐漸減小；在荒地環境下，天線高度大于1 m時，RSSI逐漸趨于穩定。2）收發距離在0～20 m范圍以內RSSI變化很大，從0.6 dBm快速減小到-70 dBm左右。而收發距離大于20 m以后，RSSI呈現出比較緩慢的變化趨勢，此時RSSI從-70 dBm左右降到-90 dBm左右，有的甚至降到極其微弱，可以視為沒有無線信號強度。3）隨著收發距離的增大，在20 m以內，各組數據的平均值標準差在5～15之間，說明測得的RSSI數據波動較小，最大值和最小值間差別小，數據處于穩定狀態；當距離超過20 m后，各組數據的平均值標準差迅速增加到15以上，最大達到40，說明測得的RSSI數據波動較大，最大值和最小值間差別增大，數據趨于不穩定；而當距離繼續增大，信號衰弱到節點的接收靈敏度時，接收到的數據開始出現丟包的現象，此時采集到的數據將不完整[5]。

2.2 荒地、平地和坡地的丟包率

從表2、表3可以看出，天線高度不小于1 m的荒地環境下，無線信道的丟包率幾乎一樣。在同一地勢及無線信號頻率下，不同的天線高度下，傳輸范圍隨天線高度的變化并不是單調遞增的。因為試驗中甘蔗植株在2 m的高度是最為茂密的部分，無線信號在此環境下受外界環境干擾最嚴重，主要受到地面反射的影響，還會有植株所引起的散射、反射與繞射所帶來的影響。天線在位于地面時傳播損耗最大，傳輸距離最近，為10～30 m；天線高度在2 m時傳播損耗較大，傳輸距離較近，為40～70 m；天線高度在1 m時傳播損耗較小，傳輸距離較遠，為60～90 m；而天線高度在3 m時傳播損耗最小，傳輸距離最遠，可達130～160 m。因此，綜合考慮通信質量、試驗實施及經濟等因素，天線的較優位置應高于農作物植株。

同時，在試驗中考慮到收發距離測量中10 m的測量間距，把第一次測到丟包率為1%的距離d認定為其傳輸范圍和傳輸距離，也即節點的覆蓋范圍。由表2、表3中的丟包率數據可得，當收發距離d小于60 m時，丟包率增長較快，當d大于60 m時，丟包率隨d的增長相對平緩。

3 小結

試驗針對2.4 GHz頻率在荒地、平地、山地3種不同地勢環境下開展，分別對這3種地勢環境的RSSI以及丟包率進行了試驗，得出了相應的試驗數據。

考慮到節點要適應各式各樣的傳感器的布置，以及保證釆集到的農田信息數據有一定的可靠性，定位范圍太遠將達不到這一要求。因此，綜合試驗數據，架設天線高度的選擇，在地勢方面的衰減大小順序依次為山地、平地、荒地，并可以得出智能灌溉系統中無線傳感網絡2.4 GHz無線信道特性的相關結論[4]，即無線節點的定位范圍為130 m，最適合的節點收發距離為40 m，較優的天線高度為2.5～3.0 m，即需要略高于植株高度。

試驗雖采用了特定的無線傳感網絡節點芯片進行測試，但其試驗方法、過程、結果和結論仍具有普遍意義，可為無線傳感網絡節點部署的確定提供一定的參考。

參考文獻：

[1] 徐興元，章 玥，季民河，等.農業生態環境監測中無線傳感節點信號有效傳輸距離的確定[J].農業工程學報，2013，29（14）：164-167.

[2] 郭秀明，趙春江，楊信廷，等.蘋果園中2.4 GHz無線信道在不同高度的傳播特性[J].農業工程學報，2012，28（12）：195-200.

[3] 文 韜，洪添勝，李 震，等.橘園無線傳感器網絡不同節點部署方式下的射頻信號傳播試驗[J].農業工程學報，2010，26（6）：211-215.

[4] 李小敏，臧 英，羅錫文，等.蘭花大棚內無線傳感器網絡433MHz信道傳播特性試驗[J].農業工程學報，2013，29（13）：182-189.

[5] 張水保，徐守志，徐 波.植株對2.4 GHz無線信號傳播的衰減研究[J].計算機科學，2012，39（6A）：171-173.