麥田環境下433 MHz無線信號傳播特性
學術研究
作者：雷凱鋒 尹長川
摘 要：無線傳感網絡被應用在越來越多的領域，不同應用環境下無線信號的傳播模型都有不同程度的差異。為了保證網絡的覆蓋率和穩定性，在部署無線網絡係統之前，應該先確定信號在該環境下的傳播特性。研究由路徑損耗所引起的接收功率隨距離和收發天線高度變化的規律，在位於北京小湯山的國家精準農業研究示範基地實地測量了麥田環境下433MHz無線信號的路徑損耗特性，根據測量結果總結了433MHz無線信號在小麥典型的三個生長期以及不同天線高度下地傳播情況。通過擬合分析，得出了433MHz無線信號在小麥田中的路徑損耗特性。
關鍵詞：精準農業；無線傳感網；路徑損耗；433MHz
中圖分類號：TP393.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）04-00-03
0引言
現代農業越來越強調精準化，精準農業可降低資源消耗，增加作物產量。目前我國的農業科技化進程在不斷加深，這一進程與信息化有著緊密的聯係，要實現農業精準化，需要積極利用現代科技的發展成果，加快農業信息化進程，在此過程中可以將先進的信息技術引入到農業生產的實踐中。無線傳感器網絡的出現為農田生態環境地監測開辟了新的途徑，無線傳感器網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]。
無線信道不同於有線信道，它極易受噪聲幹擾和其他信道因素的影響，而且由於信道的動態變化，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絡之前都要充分考慮環境對信號傳播的影響，這是實現係統連通性和有效性的保證。同樣，在農田環境下部署無線傳感器網絡也要考慮農田環境以及作物的生長態勢對無線電信號傳播的影響。由於無線傳感器節點采用電池供電，能量有限，一旦電池能量耗盡，節點就無法工作，甚至還有可能影響到整個網絡的連通性。因此設計部署網絡時應充分考慮節能，延長網絡生命周期。這就對節點的具體部署提出了要求，一方麵要控製成本，節點不能布置太密。另一方麵節點間隔太長會導致節點發射功率過大，使得單個節點能耗變大，而且間隔太長會影響整個網絡的聯通性。所以必須有一個具體的參考來決定節點部署的密度。這個參考必須從信道的路徑損耗模型出發，有了確定的路徑損耗模型就能確定節點的傳輸範圍。
近年來，基於無線傳感器網絡信道傳播特性的相關研究引起越來越多學者的關注。研究的範圍主要集中在無線體域網[3-5]，地下無線傳感器網絡[6-8]，野外傳感器網絡[9]，研究農業環境下的傳感器網絡信號傳播特性的有果園環境[10]、玉米地環境[11]、大棚環境[12]等；研究麥田環境下信號傳播特性的文章都是基於2.4GHz頻段[13，14]。本文研究433MHz信號在麥田環境下的傳播特性，具有一定的新穎性。
1測量環境及方法概述
1.1麥田環境介紹
測量工作全部在位於北京小湯山的國家精準農業示範基地完成，選取冬小麥麥田為測量環境。農業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。小麥處於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，得出組網時節點的鋪設密度。