麥田無線信道中的wifi性能實(shí)驗(yàn)

樊莉莉（安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽　蚌埠　233000）

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麥田無線信道中的wifi性能實(shí)驗(yàn)

樊莉莉
（安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽蚌埠233000）

摘要：本文基于麥田試驗(yàn)地中的實(shí)踐成果，實(shí)地檢測了麥田每一米半間距間隔處產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度百分比及其傳頻.對保留的數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸納總結(jié)，并進(jìn)行了建?；仞?通過對比，將間隔處的信號(hào)強(qiáng)度結(jié)合到平廣空地所測數(shù)據(jù)中，并與信號(hào)強(qiáng)度損耗的模型數(shù)據(jù)相綜合，進(jìn)行了詳盡的研究分析和對比.研究表明無線信號(hào)傳輸符合多項(xiàng)衰減模型.其對數(shù)傳輸頻率也符合多項(xiàng)模型.結(jié)果表明無線信號(hào)強(qiáng)度受干擾轉(zhuǎn)低，超出平廣區(qū)域衰減作用，表現(xiàn)為速率快，高穩(wěn)定.

關(guān)鍵詞：wifi；麥田；信號(hào)強(qiáng)度百分比；傳輸信號(hào)頻率

1　前言

隨著wifi在各個(gè)領(lǐng)域被廣泛的認(rèn)知和使用，也因其有著強(qiáng)大的實(shí)用性飛速的深入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之中，對于農(nóng)業(yè)環(huán)境的檢測和丈量，對于農(nóng)業(yè)工具的創(chuàng)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(yīng)用能夠提升麥田信道傳輸數(shù)據(jù)的質(zhì)量，能夠有效的協(xié)調(diào)麥田中機(jī)械化設(shè)施相互交流、通信等.同時(shí)，近地面的無線信道的傳播機(jī)制具有多樣性的特性，其傳播的路徑具有復(fù)雜性的特性，從信道入手是當(dāng)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(shí)際性的意義.

1.1關(guān)于wifi的簡單論述

1.1.1追根溯源，回顧無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史.

第一代wifi最早出現(xiàn)于1997年.隨后的1999年產(chǎn)生了標(biāo)準(zhǔn)意義上的wifi，即以IEEE802.11位為標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò).第三代誕生于2002年，而真正穩(wěn)定并一直沿用至今的是2007年所推出的第四代wifi技術(shù)，其飛速發(fā)展也徹底取代了最初的2兆[1].而今，無線網(wǎng)絡(luò)的功能及其大量普及，包括智能機(jī)，游戲機(jī)，數(shù)碼產(chǎn)品甚至是汽車都已經(jīng)和wifi技術(shù)相融，并大量應(yīng)用其功能.相關(guān)數(shù)據(jù)也證明，截止到去年，已經(jīng)有超過五十億部消費(fèi)類的電子設(shè)備具備了無線網(wǎng)絡(luò)的功能.

由于wifi的廣泛應(yīng)用，社會(huì)上其他的諸多領(lǐng)域也開始應(yīng)用wifi.農(nóng)田水利等相關(guān)的產(chǎn)業(yè)，也開始應(yīng)用無線信道，并在探索中不斷試驗(yàn)wifi的性能，以期能夠?qū)溙锏认嚓P(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生良性的作用.

1.1.2放眼當(dāng)下無線網(wǎng)絡(luò)境況，對無線網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀進(jìn)行分析

隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)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(shè)備的出現(xiàn)，從網(wǎng)絡(luò)到手機(jī)，到其他各個(gè)領(lǐng)域，推動(dòng)了一場全球性的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的發(fā)展和增長大潮，作為一種短距離內(nèi)的無線傳輸?shù)幕ヂ?lián)網(wǎng)時(shí)代的技術(shù)，wifi已經(jīng)獲得了全世界的關(guān)注和認(rèn)知[2].

1.1.3無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展向農(nóng)業(yè)延伸，新趨勢——無線信道應(yīng)用

在無限的環(huán)境下，信道特性的不理想會(huì)造成數(shù)據(jù)的嚴(yán)重丟失，如陰影衰落，多徑衰落等都是常見的問題.平臺(tái)的切換和移動(dòng)也極易產(chǎn)生相關(guān)的影響.信道中wifi的最初應(yīng)用，至今仍經(jīng)歷著漫長的探索過程.在應(yīng)用的過程中，丟失數(shù)據(jù)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(fèi)了諸多資源和時(shí)間.從而，始終影響著在各種信道中wifi的數(shù)據(jù)傳輸.當(dāng)前相關(guān)領(lǐng)域在研究方面，都集中在平臺(tái)的應(yīng)用上，實(shí)驗(yàn)的過程和比對相對較為缺乏.

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，多年來的麥田生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系成為了農(nóng)業(yè)科技的最為核心的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之一[3].其應(yīng)用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，交流信息的方式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硕坛探氐臒o線信道進(jìn)行信息互換，可以有效的獲取和處理大規(guī)模麥田區(qū)域中密集的、實(shí)時(shí)的、動(dòng)態(tài)的信息.但無線信道中的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)極容易受到傳輸路徑周邊的地理環(huán)境、氣象條件等因素的制約和影響，因此無線網(wǎng)絡(luò)在麥田中的應(yīng)用尚待更多的實(shí)地研究和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，其路徑中的損耗與強(qiáng)度的變化規(guī)律成為了其中最重要的研究對象和目標(biāo).

近年來，無線信道中網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的路徑損耗性征愈發(fā)成為國內(nèi)外研究人員關(guān)注的熱點(diǎn).諸多學(xué)者都針對溫室、農(nóng)田和果園等多方面、多層次、多種類的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中對信道的路徑損耗進(jìn)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(shù)距離的建模進(jìn)行路徑的損耗分析.因此，無線網(wǎng)絡(luò)在麥田中的應(yīng)用還需要更深層的被發(fā)掘和開發(fā)，其實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪m用性應(yīng)該波及更廣的范圍、更多種的農(nóng)業(yè)地域類型，在各農(nóng)業(yè)環(huán)境中無線信道的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)穆窂胶膿p的建模尚需更加精確的建立，以在不斷的實(shí)驗(yàn)中尋求其更好的應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展.

2　用技于農(nóng)，wifi在麥田信道中的性能發(fā)揮

2.1實(shí)驗(yàn)背景及意義

農(nóng)業(yè)的機(jī)械化耕作等一系列農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)都在科學(xué)技術(shù)的推動(dòng)下不斷的發(fā)展，在麥田信道中對于無線網(wǎng)絡(luò)性能的研究能夠更好的推進(jìn)對小麥生長狀況的監(jiān)測、發(fā)育過程的監(jiān)控、麥田整體狀況的了解和研究[4].

無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的性能決定了其可以也必然會(huì)被運(yùn)用于農(nóng)田的機(jī)械化耕作活動(dòng)中，結(jié)合近距離的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，通過信道，使其進(jìn)行對異常狀況的溝通和交流，及時(shí)解決問題，對工作成果的收集和數(shù)據(jù)的整編，及時(shí)傳送到數(shù)據(jù)庫中，以便于分析人員進(jìn)行處理、分析、研究和相關(guān)的研發(fā).

2.2實(shí)驗(yàn)過程及分析

實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)設(shè)施是小麥試驗(yàn)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(xiàn)象.麥田周圍無常年居住的住戶造成破壞，也沒有會(huì)對信號(hào)造成干擾影響的大功率電器和相關(guān)設(shè)備，高壓電路設(shè)施和通信發(fā)射塔的距離也非常遠(yuǎn)，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(shí)驗(yàn)環(huán)境.

基于此麥田環(huán)境，加之以無線網(wǎng)卡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，充當(dāng)信號(hào)的發(fā)送裝置和接收設(shè)備.無線網(wǎng)卡的選用必須具備輕便易攜的特性，抗干擾能力極強(qiáng)，擁有自動(dòng)檢測的功能，較大的發(fā)射功率最大值限度，支持多種的工作模式.從而按照實(shí)驗(yàn)所需要的模式進(jìn)行建模和測試.這其中考慮到無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的不穩(wěn)定性，因此要對即將發(fā)生的困難和給實(shí)驗(yàn)建模帶來的阻礙進(jìn)行預(yù)判，對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)判和處理.在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，要迅速歸納總結(jié)所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[5].并依靠實(shí)驗(yàn)之初所建立的模型，收集麥田中信號(hào)強(qiáng)度的百分比和信號(hào)的傳輸頻率等相關(guān)數(shù)據(jù)，并結(jié)合已有實(shí)驗(yàn)成果，對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，以驗(yàn)證其準(zhǔn)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(wǎng)卡設(shè)置上對地面的高度設(shè)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(xiàng)信號(hào)強(qiáng)度的百分比的模型，模型要全部針對室外的信道信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行構(gòu)建，在實(shí)驗(yàn)完成后將所有的模型進(jìn)行對比，綜合所有信號(hào)強(qiáng)度的檢測結(jié)果進(jìn)行比較和驗(yàn)證，盡量減少信號(hào)耗損的頻率，并結(jié)合經(jīng)典模式的建模進(jìn)行測算，以期得到最好的效果.但是，無線信號(hào)的穩(wěn)定性并不穩(wěn)固，每個(gè)接收點(diǎn)都必須實(shí)時(shí)的進(jìn)行變化處理分析，對建模方面進(jìn)行預(yù)處理[6].下圖是在穩(wěn)定的信號(hào)強(qiáng)度下單個(gè)試點(diǎn)所產(chǎn)生的信號(hào)跳變規(guī)律，測試時(shí)間的單位為每秒鐘，其具有反復(fù)性：

圖2　WI-FI信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間變化規(guī)律

上圖中信號(hào)強(qiáng)度的獲得為穩(wěn)定狀態(tài)一分鐘之內(nèi)的測試信號(hào)，百分比強(qiáng)度平均值作為最強(qiáng)信號(hào)點(diǎn)的衡量標(biāo)準(zhǔn)，其計(jì)算公式為：

P=60/1p(t)dt

同時(shí)，要充分考慮麥田作物對于無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度的重大影響.由于無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)具有極弱的穿透性，因此哪怕一顆小麥都可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的不穩(wěn)定.基于此考慮，以便于更加容易的去探查麥田中信號(hào)的強(qiáng)度與傳輸，可以通過各收發(fā)點(diǎn)上的信號(hào)強(qiáng)度的增減以及間隔的距離點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度相中和，以尋求其中探索的規(guī)律性和關(guān)聯(lián)系.通過強(qiáng)度差的計(jì)算，結(jié)合良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，麥田作物對無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的影響作用也就會(huì)凸現(xiàn)出來[7].因此，必須對各類傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和回歸，進(jìn)行線性建模，對數(shù)建模，二次多項(xiàng)式的模型構(gòu)建，三次多項(xiàng)式的模型構(gòu)建[8].以此四種不同強(qiáng)度的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型間距離關(guān)系的測試，綜合所有決定系數(shù)值：0.8782、0.9452、0.9256、0.9486，得出的最高系數(shù)決定值為㎡=0.9486.下圖將對多項(xiàng)式模型的三次構(gòu)件進(jìn)行曲線解讀：

圖3　百分比的強(qiáng)度測試及其數(shù)據(jù)回歸示意圖

通過對實(shí)驗(yàn)麥田的一系列測試、建模和數(shù)據(jù)的計(jì)算以及處理，對無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的強(qiáng)度的測試精確度也得到了進(jìn)一步的提升,最終結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對數(shù)傳輸和數(shù)據(jù)的回歸，更加精確了實(shí)驗(yàn)的結(jié)果[9].在麥田中的無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的對數(shù)傳輸率呈現(xiàn)三次多項(xiàng)遞減，其傳輸數(shù)據(jù)的速率遞減規(guī)律為三次冪負(fù)指數(shù).針對于農(nóng)作物的反射作用、散射作用和無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)本身的不穩(wěn)定性，使得數(shù)據(jù)在傳輸中其速率波動(dòng)性極其明顯[10].下圖是對數(shù)數(shù)據(jù)傳輸速率和數(shù)據(jù)回歸的示意圖：

圖4　對數(shù)的數(shù)據(jù)傳輸率測試結(jié)果以及數(shù)據(jù)回歸曲線

通過構(gòu)建多次多項(xiàng)式的模型證明了測試距離對無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)、傳輸頻率的重要影響，同時(shí)也通過對實(shí)驗(yàn)麥田作業(yè)的控制與監(jiān)測，驗(yàn)證了麥田具有的反射作用和散射作用對于無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度的衰減作用極其明顯，并且遠(yuǎn)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(wǎng)絡(luò)為主要的研究對象，信號(hào)的強(qiáng)度和丟包率是最主要的研究內(nèi)容，構(gòu)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(hào)影響的特殊的規(guī)律的性征進(jìn)行充分的揭示，也不能夠很好的適用于群體農(nóng)業(yè)機(jī)器人.因此，利用對wifi性能的研究開發(fā)并將之應(yīng)用到麥田的信號(hào)強(qiáng)度、傳播頻度的研究之中，相輔助、相結(jié)合，能夠有效的優(yōu)化麥田的信道中的機(jī)械化作業(yè).

3　結(jié)束語

本文所結(jié)合的研究實(shí)踐雖然是基于大田作業(yè)的方向，但最主要還是根據(jù)麥田的信道特性進(jìn)行研究的，其應(yīng)用無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)所做的測試結(jié)果也對各類短距離的wifi通訊方式具有一定的指導(dǎo)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?shù)乃俾首兓l繁，缺乏平均值的應(yīng)用，誤差是不可避免的.信號(hào)模型并不全面，沒有在高度、作物、信號(hào)頻度以及發(fā)射的功率方面進(jìn)行建模的對比.所以的數(shù)據(jù)都是基于靜態(tài)的測試跳進(jìn)所進(jìn)行的，因此還有待繼續(xù)研究和改進(jìn).

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收稿日期：2015-11-30

中圖分類號(hào)：TP242；TN92

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-260X（2016）01-0049-03