麥田環(huán)境下433MHz無線信號傳播特性

引 言

現(xiàn)代農業(yè)越來越強調精準化，精準農業(yè)可降低資源消耗， 增加作物產量。目前我國的農業(yè)科技化進程在不斷加深，這一進程與信息化有著緊密的聯(lián)系，要實現(xiàn)農業(yè)精準化，需要積極利用現(xiàn)代科技的發(fā)展成果，加快農業(yè)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(yè)生產的實踐中。無線傳感器網(wǎng)絡的出現(xiàn)為農田生態(tài)環(huán)境地監(jiān)測開辟了新的途徑， 無線傳感器網(wǎng)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(tài)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(wǎng)絡之前都要充分考慮環(huán)境對信號傳播的影響，這是實現(xiàn)系統(tǒng)連通性和有效性的保證。同樣，在農田環(huán)境下部署無線傳感器網(wǎng)絡也要考慮農田環(huán)境以及作物的生長態(tài)勢對無線電信號傳播的影響。由于無線傳感器節(jié)點采用電池供電，能量有限，一旦電池能量耗盡，節(jié)點就無法工作，甚至還有可能影響到整個網(wǎng)絡的連通性。因此設計部署網(wǎng)絡時應充分考慮節(jié)能，延長網(wǎng)絡生命周期。這就對節(jié)點的具體部署提出了要求，一方面要控制成本，節(jié)點不能布置太密。另一方面節(jié)點間隔太長會導致節(jié)點發(fā)射功率過大， 使得單個節(jié)點能耗變大，而且間隔太長會影響整個網(wǎng)絡的聯(lián)通性。所以必須有一個具體的參考來決定節(jié)點部署的密度。這個參考必須從信道的路徑損耗模型出發(fā)，有了確定的路徑損耗模型就能確定節(jié)點的傳輸范圍。

近年來，基于無線傳感器網(wǎng)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(wǎng)[3-5]，地下無線傳感器網(wǎng)絡[6-8]，野外傳感器網(wǎng)絡[9]，研究農業(yè)環(huán)境下的傳感器網(wǎng)絡信號傳播特性的有果園環(huán)境[10]、玉米地環(huán)境[11]、大棚環(huán)境[12] 等 ；研究麥田環(huán)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(huán)境下的傳播特性，具有一定的新穎性。

1 測量環(huán)境及方法概述

1.1 麥田環(huán)境介紹

測量工作全部在位于北京小湯山的國家精準農業(yè)示范基地完成，選取冬小麥麥田為測量環(huán)境。農業(yè)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(jié)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(fā)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(huán)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(wǎng)時節(jié)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(jié)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(jié)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(jié)點可改變參量有節(jié)點高度和節(jié)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(shù)據(jù)時都相應調整收發(fā)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(fā)送端發(fā)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(fā)天線高度設為相同高度，且收發(fā)天線的方向保持一致。

2 測量結果與數(shù)據(jù)分析

2.1 測量結果

測量了冬小麥在三個典型生長期的數(shù)據(jù)，每期都測量了多個收發(fā)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 0cm、20cm、40cm和 60cm；拔節(jié)期又加測了100cm高度的數(shù)據(jù) ；成熟期增加了 80cm和 120cm的數(shù)據(jù)。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 2 顯示了苗期各個天線高度下的路徑損耗曲線，從圖中可以看出：

隨著距離的增加，路徑損耗越來越大，最大傳輸距離為100 m 左右；當天線高度大于麥苗高度時，再增大天線高度對增強接收信號效果不大 ；當收發(fā)節(jié)點距離大于 50 m 時，不同天線高度下的路徑損耗差別變小。

圖 3 和圖 4 分別給出了拔節(jié)期和成熟期的測量數(shù)據(jù)，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(jié)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(jié)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(xù)增加高度時是還是會帶來性能的 提升。

2.2 測量數(shù)據(jù)分析 

利用以上測量結果我們在 Matlab 里面對小麥各生長時期 的路徑損耗數(shù)據(jù)做回歸分析，得出路徑損耗遵循對數(shù)路徑損 耗的趨勢。路徑損耗與傳播距離 d 的關系為 ：

其中，n 為路徑損耗指數(shù)，不同環(huán)境下 n 值不同，它表示路徑 損耗隨距離增長的快慢，n 值越大損耗速度越快。

表 1 ～ 3 分別給出了小麥在苗期、拔節(jié)期、成熟期的擬合 分析結果，從表中的數(shù)據(jù)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(shù)除了最低的一個值 為 0.899，其它相關系數(shù)都在 0.95 之上。但隨著天線高度的增 加路徑損耗指數(shù) n 應該是減小的，擬合結果卻正好相反。原 因是環(huán)境參數(shù) 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(shù)卻在降低。表明參數(shù) 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(jié)點在小麥不同生長時期的聯(lián)通性，在 實際節(jié)點部署時，應該以路徑損耗最大的模型作為參考模型。

結 語

本文研究了433 MHz 無線信號在麥田環(huán)境下的傳播特性與路徑損耗模型。根據(jù)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(shù)并不是一直增大，整個路徑損耗模型還與環(huán)境參數(shù)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(xiàn)的數(shù)據(jù)是 n 值較大，而環(huán)境參數(shù)值 k 較小，節(jié)點的傳播距離也最遠。在拔節(jié)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(shù)反而變小了，這點看似與測量數(shù)據(jù)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(jié)期和成熟期，信號的路徑損耗模型中的路徑損耗指數(shù) n 值很小，而環(huán)境參數(shù)值 k 非常大。

從擬合的結果可以看出，相關系數(shù)最低為 0.899，其他數(shù)據(jù)的相關系數(shù)基本都在 0.95 以上，這表明實驗數(shù)據(jù)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(jié)點應該考慮在最惡劣的環(huán)境下也能通信，因此這里選擇損耗最大的成熟期數(shù)據(jù)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