麦田环境下433MHz无线信号传播特性

引 言

现代农业越来越强调精准化，精准农业可降低资源消耗， 增加作物产量。目前我国的农业科技化进程在不断加深，这一进程与信息化有着紧密的联系，要实现农业精准化，需要积极利用现代科技的发展成果，加快农业信息化进程，在此过程中可以将先进的信息技术引入到农业生产的实践中。无线传感器网络的出现为农田生态环境地监测开辟了新的途径， 无线传感器网络技术能够提供农田信息实时快速采集、传输、处理、分析的集成化解决方案[1]。

无线信道不同于有线信道，它极易受噪声干扰和其他信道因素的影响，而且由于信道的动态变化，这些因素还会随着时间随机变化[2]。因此在部署任何无线网络之前都要充分考虑环境对信号传播的影响，这是实现系统连通性和有效性的保证。同样，在农田环境下部署无线传感器网络也要考虑农田环境以及作物的生长态势对无线电信号传播的影响。由于无线传感器节点采用电池供电，能量有限，一旦电池能量耗尽，节点就无法工作，甚至还有可能影响到整个网络的连通性。因此设计部署网络时应充分考虑节能，延长网络生命周期。这就对节点的具体部署提出了要求，一方面要控制成本，节点不能布置太密。另一方面节点间隔太长会导致节点发射功率过大， 使得单个节点能耗变大，而且间隔太长会影响整个网络的联通性。所以必须有一个具体的参考来决定节点部署的密度。这个参考必须从信道的路径损耗模型出发，有了确定的路径损耗模型就能确定节点的传输范围。

近年来，基于无线传感器网络信道传播特性的相关研究引起越来越多学者的关注。研究的范围主要集中在无线体域网[3-5]，地下无线传感器网络[6-8]，野外传感器网络[9]，研究农业环境下的传感器网络信号传播特性的有果园环境[10]、玉米地环境[11]、大棚环境[12] 等 ；研究麦田环境下信号传播特性的文章都是基于 2.4 GHz 频段 [13,14]。本文研究 433 MHz 信号在麦田环境下的传播特性，具有一定的新颖性。

1 测量环境及方法概述

1.1 麦田环境介绍

测量工作全部在位于北京小汤山的国家精准农业示范基地完成，选取冬小麦麦田为测量环境。农业科学上通常把小麦的生长过程划分为 12 个时期，分别为 ：出苗期、三叶期、分孽期、越冬期、返青期、起身期、拔节期、孕穗期、抽穗期、开花期、灌浆期、成熟期[14]。该冬小麦在 10 月上旬播种，收割期为第二年 5 月末或者 6 月初。小麦处于不同的生长期对无线信号传播的影响差异很大。因为小麦种植的密度、茎叶的粗壮程度、植株的高度都会发生变化，这些因素都会带来无线信号的路径损耗的变化。为了建立一个符合具体环境的路径损耗模型应该对小麦典型的生长时期信号传播情况进行测量， 比较无线信号在不同时期的传播情况，得出组网时节点的铺设密度。

为此，我们选择了三个比较有代表性的生长时期进行测量，分别为苗期、拔节期和成熟期（如图 1 所示），前 5 个生长时期都属于苗期，小麦的高度大都小于 10 cm，拔节期小麦的平均高度在 35 ～ 45 cm，成熟期的小麦最高可达 80 cm，平均高度在 65 ～75 cm，麦穗已基本饱满。

1.2 测量

无线信号地传播有直射、反射、绕射和散射等传播机制 [2]， 在农田中部署无线传感器节点可改变参量有节点高度和节点间的距离，它们是影响路径损耗的主要因素。小麦的生长过程中， 茎杆的粗细、植株的高度、叶片的大小和密度都在变化，使得不同时期的路径损耗情况差异较大。我们在测量每个生长期的数据时都相应调整收发天线的高度，获取不同时期不同天线高度下无线信号传播的特性。

我们选用TI 公司生产的CC1101 无线射频模块作为发送端发送 433 MHz 信号，使用惠美公司生产的HMS3000 频谱仪作为接收端，为了达到标称的天线增益，我们把收发天线高度设为相同高度，且收发天线的方向保持一致。

2 测量结果与数据分析

2.1 测量结果

测量了冬小麦在三个典型生长期的数据，每期都测量了多个收发天线高度。各时期小麦的平均高度如表1所示。在苗期， 分别测量了 0cm、20cm、40cm和 60cm；拔节期又加测了100cm高度的数据 ；成熟期增加了 80cm和 120cm的数据。这么做的目的是更为了精确观察接收信号强度随天线高度变化的情况。

图 2 显示了苗期各个天线高度下的路径损耗曲线，从图中可以看出：

随着距离的增加，路径损耗越来越大，最大传输距离为100 m 左右；当天线高度大于麦苗高度时，再增大天线高度对增强接收信号效果不大 ；当收发节点距离大于 50 m 时，不同天线高度下的路径损耗差别变小。

图 3 和图 4 分别给出了拔节期和成熟期的测量数据，因为小麦的植株高度比苗期要高，且麦秆也越粗，所以小麦所 带来的遮挡效应也越来越严重，结果使得信号传播距离变短。 从图中可得出以下结论 ： 

路径损耗明显比苗期的要大，节点的传播距离也更短 ； 天线高度对传播地影响很大，从图中可看出，无论是拔节期 还是成熟期，随着天线高度的增加路径损耗越来越小，当天 线高度高于植株高度而继续增加高度时是还是会带来性能的 提升。

2.2 测量数据分析 

利用以上测量结果我们在 Matlab 里面对小麦各生长时期 的路径损耗数据做回归分析，得出路径损耗遵循对数路径损 耗的趋势。路径损耗与传播距离 d 的关系为 ：

其中，n 为路径损耗指数，不同环境下 n 值不同，它表示路径 损耗随距离增长的快慢，n 值越大损耗速度越快。

表 1 ～ 3 分别给出了小麦在苗期、拔节期、成熟期的拟合 分析结果，从表中的数据可以看出，用公式（2）与测量的路 径损耗变化趋势拟合情况非常好，相关系数除了最低的一个值 为 0.899，其它相关系数都在 0.95 之上。但随着天线高度的增 加路径损耗指数 n 应该是减小的，拟合结果却正好相反。原 因是环境参数 k 的值在不断变化。从幼苗期到成熟期，k 值一 直在变大。但在同一期内，k 的值随着天线高度的增加却在减小，与此相对应的是路径损耗指数却在降低。表明参数 k 对路径 损耗模型影响很大。从图 2 ～ 4 可以看出，成熟期 0 cm 天线 高度时的路径损耗最大，对应应该是 n 值最大。这里 n 值最小， 但 k 值最大。为了保证节点在小麦不同生长时期的联通性，在 实际节点部署时，应该以路径损耗最大的模型作为参考模型。

结 语

本文研究了433 MHz 无线信号在麦田环境下的传播特性与路径损耗模型。根据三期的结果可以得出：接收点处的路径损耗随天线高度的降低而增加；但其路径损耗指数并不是一直增大，整个路径损耗模型还与环境参数有很大的关系。在幼苗期，因为苗株高度较低所以天线高度变化的同时，路径损耗情况差别并不大，这里体现的数据是 n 值较大，而环境参数值 k 较小，节点的传播距离也最远。在拔节期和成熟期，小麦对 433 MHz 传播的影响非常大，天线高度为 0 的时候仅能传输 35 m 左右，但路径损耗模型中的路径损耗指数反而变小了，这点看似与测量数据相悖，其实问题在于：信号在传播初期损耗了太多的能量，而后期已经没有多少能量可供损耗，因而在小麦的拔节期和成熟期，信号的路径损耗模型中的路径损耗指数 n 值很小，而环境参数值 k 非常大。

从拟合的结果可以看出，相关系数最低为 0.899，其他数据的相关系数基本都在 0.95 以上，这表明实验数据与模型的预测值有高度的相关性，也说明采用式（2）的模型来描述路径损耗是可行的。部署传感器节点应该考虑在最恶劣的环境下也能通信，因此这里选择损耗最大的成熟期数据作为部署参考，选择将天线高度布设在 1.2 m ：

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