溫室高濕環(huán)境下433MHz無線信道傳播特性研究

蘇光燦，毛罕平，邢高勇，眭 旸

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前國際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識高度集成的前沿?zé)狳c研究領(lǐng)域。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)、無線通信及分布式信息處理技術(shù)等，廣泛應(yīng)用于軍事國防、工農(nóng)業(yè)、城市管理、生物醫(yī)療及環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，具有靈活性好、可靠性強、精確度高等特點，非常適合在農(nóng)業(yè)信息采集方面的應(yīng)用，可提高自動化水平、降低勞動力成本[1-3]。

農(nóng)業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變，尤其是溫室環(huán)境，環(huán)境因子眾多，無線信號的傳播會受到植株、立柱、金屬材料等因素影響，存在著因距離變化產(chǎn)生的大尺度衰落，以及因周圍局部散射體產(chǎn)生的小尺度衰落[3-7]。因此，有必要研究溫室環(huán)境下的無線信號傳播特性。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對無線信號在溫室環(huán)境下的傳播特性進(jìn)行了相關(guān)研究，李小敏、韓文霆、李萍萍、Raheemah A等人分別在蘭花大棚、西紅柿溫室、青椒溫室及芒果溫室等環(huán)境下進(jìn)行了無線信道傳播特性試驗，為溫室內(nèi)部無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和部署提供了基礎(chǔ)[8-11]；但以上研究均未考慮溫室內(nèi)部高濕環(huán)境對無線信號的影響。

溫室環(huán)境相對封閉，在陰雨天或寒冷的冬季，內(nèi)部濕度可達(dá)90%，甚至更高，信號遇到空氣中的水蒸氣會發(fā)生散射，也會被植株葉片上凝結(jié)的水珠吸收。因此，研究溫室高濕環(huán)境下無線信號的傳播特性對于為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和部署具有重要意義。

1 設(shè)備與方法

1.1 試驗設(shè)備與場地

試驗地點位于江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)院的一座連棟溫室，該溫室為5跨連棟鋼結(jié)構(gòu)，溫室東西長為40m，南北長為32m，頂高3.8m，跨度8m，開間4m。溫室內(nèi)種植著甜椒，平均株高60cm，平均冠幅50cm，平均株距25cm，平均行距65cm。試驗時，正值甜椒結(jié)椒期，植株生長茂盛，此時的溫室環(huán)境為無線信號所遇的最惡劣環(huán)境。

試驗設(shè)備選取美國德州儀器公司(Texas Instruments，TI)生產(chǎn)的CC1101射頻芯片，其載波頻率為433MHz，通訊碼率選擇250kb/s，接收靈敏度為-99dBm。將SmartRF04EB調(diào)試器與計算機(jī)相連，每次接收100個數(shù)據(jù)包，使用TI的SmartRF Studio 7獲取無線信號的接收信號強度與丟包率。

1.2 試驗方法

文獻(xiàn)[10]表明：溫室內(nèi)同一高度下無線信號的衰減速率是一個比較固定的值，只會因為傳播環(huán)境的變化而變化，不會受到來自傳播方向的影響。

如圖1所示：以溫室整體區(qū)域為研究對象，重點考慮無線信號衰減嚴(yán)重區(qū)域特點。結(jié)合溫室自身特點，以西南角為坐標(biāo)原點，并在此位置放置發(fā)射節(jié)點，不間斷發(fā)射數(shù)據(jù)包，東、北分別為x軸與y軸正方向，南北方向每6m設(shè)置一個接收節(jié)點，東西方向每8m設(shè)置一個接收節(jié)點，對角線方向每10m設(shè)置一個接收節(jié)點，并標(biāo)注相應(yīng)坐標(biāo)點，共布置24個接收節(jié)點，對在相同收發(fā)距離下的不同坐標(biāo)點所獲取的數(shù)據(jù)取其平均值表征該距離下的信號質(zhì)量。使用5臺三路溫度一路濕度記錄儀，分別布置在溫室東南西北角及中心位置，取其平均值代表溫室內(nèi)部濕度，并通過開關(guān)天窗調(diào)整溫室內(nèi)部濕度，確保濕度與標(biāo)準(zhǔn)值差在2%以內(nèi)。發(fā)射和接收功率均固定為0，天線增益為12dBi。

圖1 無線信道傳播特性試驗設(shè)計方案Fig.1 Experiment scheme used for testing radio channel propagation characteristics

1)三高度水平試驗：在6個濕度水平(45%、55%、75%、85%、90%、95%)與3個高度水平(20、50、150cm)下分別進(jìn)行收發(fā)試驗，收發(fā)節(jié)點均固定在可調(diào)節(jié)高度的三腳架上。保持天線高度一致，在每個接收節(jié)點每次接收100個數(shù)據(jù)包，記錄接收信號強度及丟包率，每種高度水平獲取共計144組數(shù)據(jù)。建立無線信號在不同高度、不同濕度及不同收發(fā)距離下的接收信號強度及丟包率變化曲線，比較不同濕度水平下接收信號強度及丟包率，建立濕度與路徑損耗指數(shù)之間的關(guān)系模型，并建立以濕度、距離為自變量接收信號強度為因變量的相關(guān)模型。

2)定點定高試驗：選取(2,2)坐標(biāo)，即A點，天線高度為150cm，每次接收100個數(shù)據(jù)包，記錄實時濕度與相應(yīng)的接收信號強度，濕度范圍為35%～90%，探究空氣濕度這一單一因素對無線信號傳播特性的影響。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

2.1.1 接收信號強度

選取45%、75%、95% 3種濕度下所測取的數(shù)據(jù)，對相同收發(fā)距離的不同接收節(jié)點的接收信號強度進(jìn)行均值處理后，結(jié)果如圖2所示。

(a) 天線高度20cm

(b) 天線高度50cm

(c) 天線高度150cm圖2 不同收發(fā)距離、不同高度和不同濕度下的接收信號強度Fig.2 Received signal strength indicator at different distance between nodes at different humidity and heights

接收信號強度在不同高度及不同濕度下表現(xiàn)出相似的傳播特性，在0～10m時衰減較快，隨后其衰減速率逐漸放緩，直至衰減到其接收靈敏度。

天線高度在20cm時，即無線信號在植株根部及地面?zhèn)鞑r：45%與75%曲線交叉下降，95%曲線整體低于其他兩條曲線；45%曲線與95%曲線接收信號強度最大差值發(fā)生在40m處，約為12dB，說明在這一高度水平下，濕度對無線信號影響較大。

天線高度為50cm時，即無線信號在植株冠層中傳播時：3條變化曲線交替下降，95%曲線在0～15m與30～50m范圍內(nèi)低于其他兩條曲線，最大差值出現(xiàn)在40m處，約為9dB，說明在這一高度水平下，濕度對無線信號影響明顯。

天線高度為150cm時：3條曲線交替變化，95%曲線略低于其他兩條曲線，最大差值出現(xiàn)在30m處，約為7dB，說明在這一高度水平下，濕度對無線信號有一定影響。

2.1.2 丟包率

對相同收發(fā)距離的不同接收節(jié)點的丟包率進(jìn)行均值處理后，結(jié)果如圖3所示。

(a) 天線高度20cm

(b) 天線高度50cm

(c) 天線高度150cm圖3 不同收發(fā)距離、不同高度和不同濕度下的丟包率Fig.3 Packet loss rate at different distance between nodes at different humidity and heights

丟包率在不同濕度條件下變化較為復(fù)雜。當(dāng)天線高度為20cm時，45%曲線與75%曲線變化相似，接收節(jié)點在42m處開始出現(xiàn)大規(guī)模的丟包現(xiàn)象，并在48m接近100%；而對于95%曲線，接收節(jié)點在39m處開始出現(xiàn)大規(guī)模的丟包現(xiàn)象，在42m接近100%，并在28m處發(fā)生小規(guī)模跳變，說明在這一高度水平下，濕度對丟包率有一定影響。

在天線高度為50cm時，45%曲線與75%曲線變化相似，接收節(jié)點在41m處開始出現(xiàn)大規(guī)模的丟包現(xiàn)象，并在46m接近100%；對于95%曲線，接收節(jié)點在35m處已經(jīng)開始出現(xiàn)大規(guī)模的丟包現(xiàn)象，并在40m接近100%；在濕度為95%時，433MHz丟包率的跳變現(xiàn)象嚴(yán)重，說明在這一高度水平下，濕度對丟包率影響明顯，高濕環(huán)境增加了在冠層傳播的無線信號的不確定性。

相比于20cm與50cm的天線高度，150cm天線高度下的無線信號表現(xiàn)較好。濕度為45%時，接收節(jié)點在48m處開始出現(xiàn)大規(guī)模的丟包現(xiàn)象；75%濕度與95%濕度變化相似，接收節(jié)點在40m處就已經(jīng)開始出現(xiàn)大規(guī)模的丟包現(xiàn)象，并在49m接近100%。這說明在這一高度水平下，濕度對丟包率有一定影響。

2.1.3 定點定高接收信號強度

圖4為在天線高度150cm，收發(fā)距離20m處的接收信號強度與濕度變化關(guān)系圖。由圖4可知：當(dāng)濕度在35%～80%之間時，接收信號強度降低緩慢，從-72.4dBm減少到-74.6dBm；但在80%～90%的濕度范圍內(nèi)，接收信號強度下降較為迅速，從-74.6dBm減少到-76.8dBm，說明80%以上的高濕環(huán)境對無線信號影響較大。

圖4 定點定高接收信號強度與濕度關(guān)系圖Fig.4 Received signal strength indicator at the same humidity and height

2.2 試驗結(jié)果分析

2.2.1 路徑損耗模型

路徑損耗模型公式為

Pr=A-10nlgd

(1)

式中Pr—接收信號平均強度(dBm)；

A—回歸分析模型參數(shù)，通常以1 m 處的平均接收信號功率表示(dBm)；

n—路徑損耗指數(shù)，大小取決于無線信號的傳播環(huán)境；

d—傳播距離(m)。

其中，A和n值決定了接收信號強度和傳輸距離的關(guān)系。

2.2.2 定點定高試驗?zāi)Ｐ蛥?shù)分析

利用MatLab軟件對在(2,2)坐標(biāo)點獲取的濕度及接收信號強度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，建立以濕度為自變量的一元二次方程，即

Pr=-0.001309x2+0.1008x-74.46

(2)

Pk=-0.002618x+0.1008

(3)

式中x—濕度(%RH)；

Pk—斜率。

其決定系數(shù)為0.906，此模型(見圖5)可以有效預(yù)測天線高度150cm收發(fā)距離為20m處不同濕度下的接收信號強度。式(3)為其斜率模型，在40%以上濕度時，斜率的絕對值隨濕度增大而增大，印證了高濕環(huán)境下無線信號衰減速率隨著濕度增加而增加這一結(jié)論。

2.2.3 不同濕度下的模型參數(shù)分析

用MatLab軟件對3個高度水平及6個濕度水平下的接收信號強度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到相應(yīng)的A、n和R2。

圖5 定點定高下接收信號強度與濕度關(guān)系模型Fig.5 Model of received signal strength indicator at same humidity and heights

3種天線高度在不同濕度下的路徑損耗模型回歸參數(shù)見表1～表3。由表1～表3可知：在不同濕度及高度情況下，433MHz衰減規(guī)律符合路徑損耗模型，決定系數(shù)最大值為0.965 8，最小值為0.892 0，因此可用此模型預(yù)測其接收信號強度。

表1 20cm天線高度在不同濕度下的路徑損耗模型回歸參數(shù)Table 1 Regression parameters of path loss model in different humidity under 20cm antenna height

表2 50cm天線高度在不同濕度下的路徑損耗模型回歸參數(shù)Table 2 Regression parameters of path loss model in different humidity under 50cm antenna height

續(xù)表2

表3 150cm天線高度在不同濕度下的路徑損耗模型回歸參數(shù)Table 3 Regression parameters of path loss model in different humidity under 150cm antenna height

由其路徑損耗指數(shù)變化圖可知(見圖6)：路徑損耗指數(shù)與濕度成正相關(guān)關(guān)系，隨著濕度的增加而增加；在濕度45%～75%之間時，路徑損耗指數(shù)增加較為緩慢，濕度的增加對無線信號的傳播影響不大。

圖6 不同高度下濕度與路徑損耗指數(shù)關(guān)系圖Fig.6 Relationship between humidity and path loss exponent at different heights

在天線高度為20cm時，路徑損耗指數(shù)增加了0.012，說明在這一高度水平，無線信號傳播主要受到植物根部和地面的影響，而受濕度影響較小；在天線高度為50cm時，路徑損耗指數(shù)增加了0.028，說明在這一高度水平下，無線信號傳播主要受到植物冠層的影響，而受濕度影響不大；在天線高度為150cm時，路徑損耗指數(shù)增加了0.071，說明在這一高度水平，無線信號傳播受到了濕度的一定影響。而在75%～95%之間時，路徑損耗指數(shù)增加較為迅速，濕度的增加對無線信號的傳播影響較大。

在天線高度為20cm時，路徑損耗指數(shù)增加了0.080，說明在這一高度水平，無線信號傳播受濕度影響明顯；在天線高度為50cm時，即無線信號在冠層中傳播時，受濕度影響最為明顯，路徑損耗指數(shù)增加了0.162。由于在溫室濕度為95%左右時，甜椒冠層處的葉片凝結(jié)了大量水珠，部分無線信號被水珠吸收，此外無線信號遇到空氣中的水蒸氣發(fā)生了散射和折射，兩種因素共同導(dǎo)致接收信號強度的降低。在天線高度為150cm時，路徑損耗指數(shù)增加了0.106，說明在這一高度水平，無線信號傳播受到了空氣濕度的一定影響，無線信號遇到空氣中的水蒸氣發(fā)生了折射和散射，從而導(dǎo)致接收信號強度的降低。

2.2.4 濕度系數(shù)修正模型

建立20、50、150cm 3種高度下濕度、路徑損耗指數(shù)的關(guān)系模型，其決定系數(shù)分別為0.976 3、0.976 7、0.930 2，如表4所示。

表4 三高度水平下的濕度、路徑損耗指數(shù)模型參數(shù)Table 4 Parameters of model between humidity and path loss exponent in three kinds of heights

n=P1x2+P2x+P3

(5)

根據(jù)以上3種模型，即濕度與路徑損耗指數(shù)關(guān)系模型，將其帶入路徑損耗模型，可得3種高度水平下的濕度系數(shù)修正路徑損耗模型。故3種高度下的路徑損耗模型可依據(jù)濕度轉(zhuǎn)化為

Pr20=A-10(0.0000646x2-0.00726x+3.389)lgd

(6)

Pr50=A-10(0.0001329x2-0.01525x+3.679)lgd

(7)

Pr150=A-10(0.0000577x2-0.00513x+2.987)lgd

(8)

3 模型驗證

分別從距離、濕度兩個角度對433MHz無線信號的濕度系數(shù)修正模型進(jìn)行驗證，分別將相關(guān)參數(shù)帶入該模型，用MatLab進(jìn)行擬合結(jié)果如圖7所示。

(a) 濕度45%，天線高度50cm

(b) 通訊距離20cm,天線高度150cm圖7 距離、濕度變化驗證曲線Fig.7 Validation curve of distance and humidity change

選取17組天線高度為50cm，濕度為45%時的距離與接收信號強度數(shù)據(jù)，并利用MatLab中的corrcoef命令分別計算其相關(guān)系數(shù)，其為0.972 9。

選取25組收發(fā)距離為20m、天線高度為150cm的濕度與接收信號強度數(shù)據(jù)，其相關(guān)系數(shù)為0.968 1。

綜上所述，該模型可在這3種高度水平下，有效預(yù)測溫室中各點處的接收信號強度。相比傳統(tǒng)路徑損耗模型，本濕度系數(shù)修正模型可根據(jù)溫室內(nèi)部濕度對路徑損耗指數(shù)進(jìn)行調(diào)整，提高了傳統(tǒng)模型的適用性及精度。

4 結(jié)論

1) 在不同濕度和高度下，溫室環(huán)境下的433MHz無線信道傳播特性符合對數(shù)路徑衰減模型，擬合決定系數(shù)在0.892 0～0.965 8之間。

2) 在35%～80%范圍內(nèi)的濕度環(huán)境下，濕度的增加對無線信號影響不大；濕度在80%以上的濕度環(huán)境下，濕度的增加對無線信號影響明顯，且高濕環(huán)境下，丟包率增加明顯，易發(fā)生跳變現(xiàn)象。此外，本試驗以溫室整體區(qū)域為研究對象，各個坐標(biāo)點的位置以及其所處環(huán)境的不同也是導(dǎo)致丟包率跳變現(xiàn)象的原因之一。同時，跳變現(xiàn)象也說明了溫室環(huán)境的復(fù)雜性與多變性。

3) 當(dāng)無線信號在植物冠層中傳播時，高濕環(huán)境對無線信號影響最為明顯，那是由于植株冠層處的葉片凝結(jié)了許多水珠，吸收了部分無線信號，也存在無線信號遇到水蒸氣發(fā)生散射、折射等情況。

4) 當(dāng)無線信號在空氣中傳播時，高濕環(huán)境對其傳播影響有一定影響，因為無線信號在空氣中傳播時，遇到空氣水蒸氣時會發(fā)生了散射、折射。

5) 在3種高度水平下，本文根據(jù)路徑損耗指數(shù)變化模型，提取了濕度系數(shù)，并將濕度系數(shù)帶入路徑損耗模型，從而建立了以實時濕度和收發(fā)距離為自變量，以接收信號強度為因變量的新路徑損耗模型。從距離、濕度兩個角度對模型進(jìn)行驗證分析可知：該模型可在這3種高度水平下，可有效地預(yù)測溫室中各點處的接收信號強度。

6) 針對溫室高濕環(huán)境及甜椒的生長特點，在部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時，應(yīng)將傳感器節(jié)點部署在高于植株位置，以減少植株及高濕環(huán)境對無線信號的影響。