麥田無線信道中的wifi性能實驗

樊莉莉（安徽電子信息職業技術學院，安徽　蚌埠　233000）

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麥田無線信道中的wifi性能實驗

樊莉莉
（安徽電子信息職業技術學院，安徽蚌埠233000）

摘要：本文基于麥田試驗地中的實踐成果，實地檢測了麥田每一米半間距間隔處產生的信號強度百分比及其傳頻.對保留的數據進行了歸納總結，并進行了建模回饋.通過對比，將間隔處的信號強度結合到平廣空地所測數據中，并與信號強度損耗的模型數據相綜合，進行了詳盡的研究分析和對比.研究表明無線信號傳輸符合多項衰減模型.其對數傳輸頻率也符合多項模型.結果表明無線信號強度受干擾轉低，超出平廣區域衰減作用，表現為速率快，高穩定.

關鍵詞：wifi；麥田；信號強度百分比；傳輸信號頻率

1　前言

隨著wifi在各個領域被廣泛的認知和使用，也因其有著強大的實用性飛速的深入到農業生產之中，對于農業環境的檢測和丈量，對于農業工具的創造、控制和提升都起到了巨大的作用.因此，wifi的大面積、大范圍應用能夠提升麥田信道傳輸數據的質量，能夠有效的協調麥田中機械化設施相互交流、通信等.同時，近地面的無線信道的傳播機制具有多樣性的特性，其傳播的路徑具有復雜性的特性，從信道入手是當前對其最為有效的研究方法.因此對近地面信道傳播特性的研究更加緊迫，也更具有實際性的意義.

1.1關于wifi的簡單論述

1.1.1追根溯源，回顧無線網絡的發展歷史.

第一代wifi最早出現于1997年.隨后的1999年產生了標準意義上的wifi，即以IEEE802.11位為標準的無線網絡.第三代誕生于2002年，而真正穩定并一直沿用至今的是2007年所推出的第四代wifi技術，其飛速發展也徹底取代了最初的2兆[1].而今，無線網絡的功能及其大量普及，包括智能機，游戲機，數碼產品甚至是汽車都已經和wifi技術相融，并大量應用其功能.相關數據也證明，截止到去年，已經有超過五十億部消費類的電子設備具備了無線網絡的功能.

由于wifi的廣泛應用，社會上其他的諸多領域也開始應用wifi.農田水利等相關的產業，也開始應用無線信道，并在探索中不斷試驗wifi的性能，以期能夠對麥田等相關產業的發展產生良性的作用.

1.1.2放眼當下無線網絡境況，對無線網絡現狀進行分析

隨著無線網絡技術的不斷發展，大眾對于無線通訊的需求也與日俱增.越來越多的無線通訊設備的出現，從網絡到手機，到其他各個領域，推動了一場全球性的無線網絡設備的發展和增長大潮，作為一種短距離內的無線傳輸的互聯網時代的技術，wifi已經獲得了全世界的關注和認知[2].

1.1.3無線網絡發展向農業延伸，新趨勢——無線信道應用

在無限的環境下，信道特性的不理想會造成數據的嚴重丟失，如陰影衰落，多徑衰落等都是常見的問題.平臺的切換和移動也極易產生相關的影響.信道中wifi的最初應用，至今仍經歷著漫長的探索過程.在應用的過程中，丟失數據的起因被界定為擁塞，也采取了諸多不必要的，多余的控制措施，浪費了諸多資源和時間.從而，始終影響著在各種信道中wifi的數據傳輸.當前相關領域在研究方面，都集中在平臺的應用上，實驗的過程和比對相對較為缺乏.

隨著科學技術的進步，多年來的麥田生產和實驗中，無線傳感器網絡體系成為了農業科技的最為核心的物聯網技術之一[3].其應用無線網絡技術，交流信息的方式轉變為了短程近地的無線信道進行信息互換，可以有效的獲取和處理大規模麥田區域中密集的、實時的、動態的信息.但無線信道中的網絡信號極容易受到傳輸路徑周邊的地理環境、氣象條件等因素的制約和影響，因此無線網絡在麥田中的應用尚待更多的實地研究和實驗進行優化，其路徑中的損耗與強度的變化規律成為了其中最重要的研究對象和目標.

近年來，無線信道中網絡信號的路徑損耗性征愈發成為國內外研究人員關注的熱點.諸多學者都針對溫室、農田和果園等多方面、多層次、多種類的農業生產環境中對信道的路徑損耗進行了大量的研究測試和建模的分析，其研究方法大多采用了單折線對數距離的建模進行路徑的損耗分析.因此，無線網絡在麥田中的應用還需要更深層的被發掘和開發，其實驗模型的適用性應該波及更廣的范圍、更多種的農業地域類型，在各農業環境中無線信道的無線網絡傳輸的路徑耗損的建模尚需更加精確的建立，以在不斷的實驗中尋求其更好的應用于農業生產和發展.

2　用技于農，wifi在麥田信道中的性能發揮

2.1實驗背景及意義

農業的機械化耕作等一系列農業生產活動都在科學技術的推動下不斷的發展，在麥田信道中對于無線網絡性能的研究能夠更好的推進對小麥生長狀況的監測、發育過程的監控、麥田整體狀況的了解和研究[4].

無線網絡技術的性能決定了其可以也必然會被運用于農田的機械化耕作活動中，結合近距離的網絡設備，通過信道，使其進行對異常狀況的溝通和交流，及時解決問題，對工作成果的收集和數據的整編，及時傳送到數據庫中，以便于分析人員進行處理、分析、研究和相關的研發.

2.2實驗過程及分析

實驗實驗的基礎設施是小麥試驗田，麥田中的小麥均已完全成熟，長勢高矮、大小相對均勻，無任何的倒伏的現象.麥田周圍無常年居住的住戶造成破壞，也沒有會對信號造成干擾影響的大功率電器和相關設備，高壓電路設施和通信發射塔的距離也非常遠，因此干擾極小，麥田周圍地勢平坦，這也營造出了一種非常好的實驗環境.

基于此麥田環境，加之以無線網卡進行實驗，充當信號的發送裝置和接收設備.無線網卡的選用必須具備輕便易攜的特性，抗干擾能力極強，擁有自動檢測的功能，較大的發射功率最大值限度，支持多種的工作模式.從而按照實驗所需要的模式進行建模和測試.這其中考慮到無線網絡信號的不穩定性，因此要對即將發生的困難和給實驗建模帶來的阻礙進行預判，對數據進行預判和處理.在實驗結束后，要迅速歸納總結所得到的實驗數據[5].并依靠實驗之初所建立的模型，收集麥田中信號強度的百分比和信號的傳輸頻率等相關數據，并結合已有實驗成果，對數據進行檢驗，以驗證其準確性.下圖為麥田無線信道測試的示意圖片，其中小麥的平均高度為70厘米，無線網卡設置上對地面的高度設定在190厘米：

圖1　麥田無線信道測試示意圖

另外，建立多種多項信號強度的百分比的模型，模型要全部針對室外的信道信號強度進行構建，在實驗完成后將所有的模型進行對比，綜合所有信號強度的檢測結果進行比較和驗證，盡量減少信號耗損的頻率，并結合經典模式的建模進行測算，以期得到最好的效果.但是，無線信號的穩定性并不穩固，每個接收點都必須實時的進行變化處理分析，對建模方面進行預處理[6].下圖是在穩定的信號強度下單個試點所產生的信號跳變規律，測試時間的單位為每秒鐘，其具有反復性：

圖2　WI-FI信號強度隨時間變化規律

上圖中信號強度的獲得為穩定狀態一分鐘之內的測試信號，百分比強度平均值作為最強信號點的衡量標準，其計算公式為：

P=60/1p(t)dt

同時，要充分考慮麥田作物對于無線網絡信號強度的重大影響.由于無線網絡信號具有極弱的穿透性，因此哪怕一顆小麥都可能會導致信號的不穩定.基于此考慮，以便于更加容易的去探查麥田中信號的強度與傳輸，可以通過各收發點上的信號強度的增減以及間隔的距離點的信號強度相中和，以尋求其中探索的規律性和關聯系.通過強度差的計算，結合良好的實驗環境，麥田作物對無線網絡信號的影響作用也就會凸現出來[7].因此，必須對各類傳輸的無線網絡信號強度數據進行整合和回歸，進行線性建模，對數建模，二次多項式的模型構建，三次多項式的模型構建[8].以此四種不同強度的信號數據進行模型間距離關系的測試，綜合所有決定系數值：0.8782、0.9452、0.9256、0.9486，得出的最高系數決定值為㎡=0.9486.下圖將對多項式模型的三次構件進行曲線解讀：

圖3　百分比的強度測試及其數據回歸示意圖

通過對實驗麥田的一系列測試、建模和數據的計算以及處理，對無線網絡信號的強度的測試精確度也得到了進一步的提升,最終結合相關數據進行對數傳輸和數據的回歸，更加精確了實驗的結果[9].在麥田中的無線網絡數據的對數傳輸率呈現三次多項遞減，其傳輸數據的速率遞減規律為三次冪負指數.針對于農作物的反射作用、散射作用和無線網絡信號本身的不穩定性，使得數據在傳輸中其速率波動性極其明顯[10].下圖是對數數據傳輸速率和數據回歸的示意圖：

圖4　對數的數據傳輸率測試結果以及數據回歸曲線

通過構建多次多項式的模型證明了測試距離對無線網絡信號、傳輸頻率的重要影響，同時也通過對實驗麥田作業的控制與監測，驗證了麥田具有的反射作用和散射作用對于無線網絡信號強度的衰減作用極其明顯，并且遠高其在平坦、廣闊的地面上的衰減[11].

綜上所述，麥田的無線信道研究中，以無線傳感器網絡為主要的研究對象，信號的強度和丟包率是最主要的研究內容，構建模型則是最主要的研究方式.但這些并不能對麥田對無線信號影響的特殊的規律的性征進行充分的揭示，也不能夠很好的適用于群體農業機器人.因此，利用對wifi性能的研究開發并將之應用到麥田的信號強度、傳播頻度的研究之中，相輔助、相結合，能夠有效的優化麥田的信道中的機械化作業.

3　結束語

本文所結合的研究實踐雖然是基于大田作業的方向，但最主要還是根據麥田的信道特性進行研究的，其應用無線網絡信號所做的測試結果也對各類短距離的wifi通訊方式具有一定的指導性意義.但在本文的研究中，仍存在著很多問題亟待解決.如，無線傳輸的速率變化頻繁，缺乏平均值的應用，誤差是不可避免的.信號模型并不全面，沒有在高度、作物、信號頻度以及發射的功率方面進行建模的對比.所以的數據都是基于靜態的測試跳進所進行的，因此還有待繼續研究和改進.

參考文獻：

〔1〕周渝,楊福增,朱海,王冰博,秦華偉,王崢.基于WI-FI的麥田無線信道傳播性能試驗[J].農機化研究,2015(02):155-160.

〔2〕張海輝,張家明.麥田環境2.4GHz無線信道路徑損耗建模方法分析[J].農業機械學報，2014 (09):291-296.

〔3〕李偲鈺,高紅菊,姜建釗.小麥田中天線高度對2.4GHz無線信道傳播特性的影響[J].農業工程學報,2009（S2）:184-189.

〔4〕王浩波,黃偉,劉存才.無線信道干擾概率對網絡性能影響分析[J].無線電通信技術,2012（01）: 10-11:45.

〔5〕劉耀中,余旭濤.基于遺傳算法的多信道無線網絡信道分配方案[J].計算機工程,2013（06）:115-118-123.

〔6〕夏娜,陳秀珍,徐朝農,鄭榕.多信道無線網絡中優化QoM吉布斯采樣信道選擇算法[J].計算機學報,2011（07）:1214-1223.

〔7〕房曙光,董育寧,張暉,王再見.多速率調制無線信道服務過程及信道建模[J].電子與信息學報, 2013（03）:696-702.

〔8〕陳強,楊霄鵬,楊棟,倪娟.低空無線信道建模及其均衡技術研究進展[J].電訊技術,2012（01）:117-124.

〔9〕JoseM.Alonso,ManuelOca?a,NoeliaHernandez, FernandoHerranz,AngelLlamazares,MiguelA.Sotelo,LuisM.Bergasa,LuisMagdalena.EnhancedWiFilocalizationsystembasedonSoftComputingtechniques todealwithsmall-scalevariationsinwirelesssensors[J]. AppliedSoftComputingJournal,2011,118.

〔10〕E.PrinceEdward,V.Sumathy.Performanceanalysisofacontextawarecrosslayerschemeforfasthando ffinIMSbasedintegratedWiFi–WiMaxnetworks [J].PervasiveandMobileComputing,2014.

〔11〕AaronStriegel,ShuLiu,XuehengHu,LeiMeng.LTE andWiFi:ExperienceswithQualityandConsumption [J]. ProcediaComputerScience,2014,34.

收稿日期：2015-11-30

中圖分類號：TP242；TN92

文獻標識碼：A

文章編號：1673-260X（2016）01-0049-03