不同樹種對林間無線傳感網(wǎng)信號傳播特性的影響

張佳薇, 張曉東, 李明寶, 趙永政

(1.東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 哈爾濱 150040； 2.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院， 哈爾濱 150040)

林業(yè)環(huán)境監(jiān)測[1-2]是森林資源保護(hù)與管理的基礎(chǔ)，是建設(shè)現(xiàn)代林業(yè)[3]、實(shí)現(xiàn)智慧林業(yè)[4]的重要保障。傳統(tǒng)的林業(yè)監(jiān)測難度較大，部署成本高，監(jiān)測數(shù)據(jù)分散且管理困難。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks， WSN)由大量部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的廉價微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成。這些傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信的方式，實(shí)現(xiàn)采集、傳輸和處理監(jiān)測區(qū)域中監(jiān)測對象信息的功能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種信息獲取和處理技術(shù)，具有實(shí)時監(jiān)測、智能化自組織、可靠性強(qiáng)、低功耗和低成本等特點(diǎn)，是一個有效解決林業(yè)監(jiān)測的可行方案。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)射功率、接收靈敏度低的特點(diǎn)，其信號傳播易受環(huán)境的影響。尤其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)等環(huán)境復(fù)雜的領(lǐng)域，探究信號在復(fù)雜環(huán)境中的傳播特性尤為重要。韓文霆等[5]研究了西紅柿溫室環(huán)境中2.4 GHz頻段信號傳播特性和通信距離、天線高度、傳輸路徑等影響因素間的關(guān)系，并建立了衰減模型；李萍萍等[6]研究了種植青椒的溫室中2.4 GHz無線信號在不同方向和高度下的傳播特性；蘇光燦等[7]以433 MHz為載波頻率,研究無線信號在不同濕度及不同高度下的傳播特性，建立了路徑損耗指數(shù)與濕度之間的二次多項(xiàng)式關(guān)系模型；Meng等[8]研究了高頻和特高頻頻段在熱帶種植園中近地?zé)o線電波的傳播特性，并對森林深度的傳播損失進(jìn)行了實(shí)證分析?，F(xiàn)階段，面向林業(yè)監(jiān)測無線傳感網(wǎng)信號傳播損耗模型的研究較少，且大多是集中于某單一環(huán)境針對單一頻段信號損耗模型的研究，缺少在同一環(huán)境中針對不同波段信號傳播特性的研究，以及針對不同樹種對信號衰減的影響研究。

選用常用的433 MHz和2.4 GHz頻段的無線信號收發(fā)器，針對水曲柳(FraxinusmandshuricaRupr.)林、興安落葉松[Larixgmelinii(Rupr.)Kuzen]林、黃檗(PhellodendronamurenseRupr.)林、蒙古櫟(QuercusmongolicaFisch.exLedeb)林以及胡桃楸(Juglansmandshurica)林5種環(huán)境，以信號在林中傳播的衰減作為研究對象，研究不同頻率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信號在不同林區(qū)環(huán)境下的傳播特性。用接收信號強(qiáng)度(received signal strength indication，RSSI)值作為信號衰減程度的指標(biāo)進(jìn)行測量和分析，擬合5種環(huán)境中兩頻率的RSSI值和通信距離之間的模型曲線。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析不同頻率無線信號在不同環(huán)境下的傳播特性，為進(jìn)一步研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在不同林業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中節(jié)點(diǎn)部署和整合組網(wǎng)提供參考。

1 無線信號傳播模型

無線信號在傳輸過程中容易受到環(huán)境的影響而存在多種損耗，最常見的為由于電磁波輻射向外擴(kuò)散導(dǎo)致的能量消耗以及信道傳輸特性造成的路徑損耗(path loss)；由于在發(fā)射端和接收端間存在障礙物，電磁波被障礙物吸收、反射和散射等作用導(dǎo)致信號在到達(dá)接收端時功率減弱的陰影效應(yīng)(shadowing)；電磁波會通過多條路徑如反射、直達(dá)、折射等到達(dá)接收端，各個路徑的路程不同，導(dǎo)致各路徑中電磁波到達(dá)接收端的時間不同，從而產(chǎn)生由波形的相位不同出現(xiàn)多徑效應(yīng)(multipath)等。隨著傳輸距離的增加，無線信號傳輸過程的損耗也會增加，一般認(rèn)為無線信號的損耗與傳播距離的對數(shù)成正比關(guān)系[9-12]，如式(1)所示：

PL∝10ηlgd

(1)

式(1)中：PL為電磁波衰減值，dBm；η為衰減指數(shù)；d為發(fā)射端到接收端的距離，m。

比較常用的傳播模型有Hata模型、LEE模型、Walgish-Ikegami模型、Longley-Rice模型、Durkin模型等。這些模型大多是針對特定的信號，在特定的應(yīng)用場景以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下通過測試建立的。針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等低功率的信號，目前應(yīng)用比較廣泛的是簡化的對數(shù)距離損耗模型[13-15]，如式(2)所示：

PR(d)=A-10ηlgd

(2)

式(2)中：PR為接收信號強(qiáng)度，dBm；A為距發(fā)射源1 m處的接收信號強(qiáng)度，dBm。

A主要由發(fā)射模塊的功率決定，由式(2)可知，接收模塊的信號強(qiáng)度PR和距離d之間關(guān)系主要由衰減指數(shù)η決定。在不同林區(qū)環(huán)境下，測試不同頻率無線信號的接收強(qiáng)度，用式(2)對測得的數(shù)據(jù)做擬合，用η來表征環(huán)境因素對于信號傳播的阻礙，即該環(huán)境下的無線信號傳播特性。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)裝置

針對不同樹種，采用課題組自主設(shè)計(jì)的GreenLab節(jié)點(diǎn)模塊、分別測量433 MHz和2.4 GHz頻段的無線信號衰減。GreenLab節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖及實(shí)物圖如圖1所示，該節(jié)點(diǎn)由主控制器模塊、收發(fā)器模塊和人機(jī)交互模塊三部分構(gòu)成。

圖1 GreenLab節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖及實(shí)物圖Fig.1 GreenLab node structure block diagram and physical diagram

節(jié)點(diǎn)主控制器采用STM32L151C8T6低功耗ARM Cortex-M3內(nèi)核微處理器，433 MHz頻段收發(fā)器模塊使用Semtech公司的SX1278收發(fā)器芯片，2.4 GHz頻段收發(fā)器模塊使用TI公司的CC2530和CC2592芯片[16-17]。本節(jié)點(diǎn)通過設(shè)置SX1278芯片的寄存器，使其工作在433 MHz，發(fā)射功率+10 dBm，并使用LoRaTM調(diào)制解調(diào)方式，設(shè)置擴(kuò)頻因子為12，RSSI數(shù)據(jù)通過讀取RegPktRssiValue寄存器的值并根據(jù)芯片手冊的公式將其轉(zhuǎn)化成dBm單位的值得到。2.4 GHz頻段收發(fā)器模塊使用CC2530芯片的Z-Stack協(xié)議棧控制數(shù)據(jù)收發(fā)，設(shè)置最大發(fā)射功率為+3 dBm，接收強(qiáng)度靈敏度為-91 dBm，為了與433 MHz收發(fā)器發(fā)射功率匹配，本節(jié)點(diǎn)還選用CC2592功率放大芯片作為功率放大器，并在Z-Stack修改其發(fā)射功率為+10 dBm。其RSSI數(shù)據(jù)通過讀取Z-Stack協(xié)議棧afIncomingMSGPacket_t結(jié)構(gòu)體中的“RSSI”變量并根據(jù)手冊將其轉(zhuǎn)化成dBm單位的值得到。為提高節(jié)點(diǎn)的信號收發(fā)能力，為兩種收發(fā)器模塊配備了5 dBi增益的全向天線，兩種收發(fā)器模塊的具體參數(shù)如表1所示。

表1 兩種收發(fā)器模塊主要參數(shù)

2.2 試驗(yàn)環(huán)境

試驗(yàn)主要在中國黑龍江省哈爾濱市東北林業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)林場(126°63′13″E，45°72′24″N)進(jìn)行，林場中有不同樹種的實(shí)驗(yàn)林。選取了實(shí)驗(yàn)林中常見的東北樹種：水曲柳、興安落葉松、黃檗、蒙古櫟以及胡桃楸5類樹種進(jìn)行試驗(yàn)。其中水曲柳林平均樹高20 m，平均胸徑18 cm，最大胸徑38 cm，林分密度880 株/hm2，混有較多灌木，林分郁閉度在0.8以上；興安落葉松平均樹高20 m，平均胸徑18 cm，最大胸徑24 cm，林分密度864 株/hm2，林下有水曲柳、黃檗、榆樹等幼樹，灌木可見金銀忍冬、烏蘇里鼠李和層外植物山葡萄、刺南蛇藤等藤本植物，林分郁閉度達(dá)0.8；黃檗平均樹高14 m，平均胸徑14 cm，最大胸徑26 cm，林分密度770 株/hm2，林下有樟子松、白樺、蒙古櫟、榆的幼苗，灌木可烏蘇里鼠李、暖木條莢蒾，林分郁閉度大于0.7；蒙古櫟平均樹高14 m，平均胸徑14 cm，最大胸徑18 cm，林分密度2658 株/hm2，無灌木層，林分郁閉度在0.8以上；胡桃楸林平均樹高18 m，平均胸徑20 cm，最大胸徑32 cm，林分密度400 株/hm2，其中伴生有少量的水曲柳、黃檗以及低矮灌木，林分郁閉度在0.7 左右。試驗(yàn)時間選為2019年8月29日，此時林場中樹木較為茂盛，對無線傳感網(wǎng)信號干擾較大。試驗(yàn)林樹種主要參數(shù)如表2所示，試驗(yàn)環(huán)境如圖2所示。

表2 試驗(yàn)林樹種主要參數(shù)

圖2 試驗(yàn)環(huán)境圖Fig.2 Experimental environment diagram

2.3 試驗(yàn)方法

由于試驗(yàn)林場面積的限制，僅測量信號在林場內(nèi)0～100 m范圍內(nèi)的衰減情況，為了保證試驗(yàn)信號始終在有效的測試環(huán)境中，試驗(yàn)用的節(jié)點(diǎn)均安置在距離地面高度為1 m，距離林場邊緣大于10 m的林場內(nèi)進(jìn)行，如圖3所示。試驗(yàn)步驟如下。

(1)將試驗(yàn)用的收發(fā)節(jié)點(diǎn)設(shè)置在433 MHz頻段的工作模式下。

(2)將發(fā)射節(jié)點(diǎn)固定在合適位置，保證發(fā)射的信號沿某一方向傳輸100 m均在有效測試環(huán)境中。

(3)測試距離發(fā)射節(jié)點(diǎn)1 m處的RSSI值，并取均值作為該環(huán)境的A值。

(4)以發(fā)射節(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)，沿某一確定方向，每隔2 m測量一次RSSI值，每次測量記錄20組數(shù)據(jù)，測量到距離原點(diǎn)100 m處停止。

(5)將收發(fā)節(jié)點(diǎn)設(shè)置在2.4 GHz頻段的工作模式下。

(6)重復(fù)步驟(3)和步驟(4)。

圖3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案示意圖Fig.3 Schematic diagram of the experimental scheme

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

在5個不同樹種試驗(yàn)場地中按照2.3節(jié)所述，分別測得雙頻段下每個位置的20組信號RSSI值，為減小試驗(yàn)誤差，用第二套收發(fā)節(jié)點(diǎn)再進(jìn)行測量，然后將每個頻段下每個位置測得的40組RSSI值取平均值繪制曲線，如圖4所示。

從圖4可以看出，在5個不同樹種試驗(yàn)場地中，433 MHz和2.4 GHz信號的RSSI值都呈現(xiàn)出隨著距離的增加而逐漸衰減的趨勢，并且在10 m處衰減最快，隨著距離的增加，在40 m處往后衰減趨勢逐漸趨于穩(wěn)定，符合對數(shù)距離損耗模型的信號衰減趨勢。不同樹種的林場植被覆蓋密度不同、林分郁閉度不同，信號的衰減程度也存在差異，林分郁閉度越大，林場伴生有灌木等障礙物多的，信號衰減程度大，反之衰減程度小。在圖4(a)水曲柳林的2.4 GHz均值曲線中，受到林場中障礙物干擾以及節(jié)點(diǎn)自身靈敏度問題，80 m以后2.4 GHz頻段接收節(jié)點(diǎn)采集的信號值波動較大，存在較大的誤差，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在繪制曲線時舍棄了該類數(shù)據(jù)，同理，還有圖4(b)興安落葉松林82 m往后的數(shù)據(jù)、圖4(c)黃檗林72 m往后的數(shù)據(jù)。從均值曲線可以看出，水曲柳林、興安落葉松林和黃檗林RSSI均值曲線衰減較為明顯，因?yàn)榇?種樹木林場較為茂密，林分郁閉度均在0.8左右，且都伴生有低矮灌木，林場中障礙物多，蒙古櫟林跟胡桃楸林信號衰減程度相對較小，因?yàn)閮蓸浞N林場內(nèi)障礙物少。在圖4(d)中，雖然蒙古櫟林林分郁閉度大于0.8，但蒙古櫟胸徑較小，且林中無伴生灌木，障礙物遮擋面積少，蒙古櫟林的信號衰減程度相對較小。在同一林場環(huán)境中，比較不同頻段的信號的衰減曲線，得出在灌木等障礙物較多，林分郁閉度較高的密林中，2.4 GHz信號比433 MHz信號整體衰減的幅度大；在信號衰減較小的蒙古櫟林以及胡桃楸林中，2.4 GHz信號整體衰減幅度較433 MHz信號小。

圖4 5種環(huán)境下實(shí)測的RSSI均值曲線Fig.4 The measured mean RSSI curves in five kinds of environment

3.2 試驗(yàn)分析

探究雙頻段信號在不同樹種試驗(yàn)場地中的傳輸特性，在Origin數(shù)據(jù)分析軟件環(huán)境下，用對數(shù)距離損耗模型[式(2)]對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，分別擬合出不同樹種試驗(yàn)場地中兩種頻段信號的η值，用來反映該頻段信號在該環(huán)境下傳播的特性。首先測定出不同頻段信號在五種試驗(yàn)場地中的A值，即接收節(jié)點(diǎn)距發(fā)射節(jié)點(diǎn)1 m處的RSSI均值，如表3所示。

采用Origin數(shù)據(jù)分析軟件，按照對數(shù)距離損耗模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性曲線擬合，各環(huán)境下的擬合曲線圖如圖5所示,擬合曲線的η值如表4所示。

圖5 5種環(huán)境下實(shí)測的RSSI均值擬合曲線Fig.5 The measured mean fitting curve of RSSI under five kinds of environment

表3 5種環(huán)境下的A值

表4 5種環(huán)境下的衰減指數(shù)η值

由圖5和表4可知，5種環(huán)境下不同頻率的衰減指數(shù)η值介于2.297～2.853，胡桃楸林環(huán)境的η值最小，水曲柳林環(huán)境的η值最大，η值隨著信號傳播環(huán)境中障礙物的增加呈現(xiàn)增大趨勢，說明環(huán)境復(fù)雜度和η值之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，環(huán)境越復(fù)雜，信號傳播過程中受到的阻礙影響越明顯，衰減指數(shù)也越大。在相同環(huán)境下不同頻率信號的衰減指數(shù)也略有不同，一般情況下，相同環(huán)境的433 MHz信號的衰減指數(shù)稍大于2.4 GHz信號的衰減指數(shù)，因?yàn)?.4 GHz信號頻率高，透射能力強(qiáng)，障礙物對信號的傳輸影響小，所以η值??；但在障礙物較多較密的環(huán)境中，例如在水曲柳林中，2.4 GHz頻率信號的衰減指數(shù)大于433 MHz信號的衰減指，雖然高頻信號透射能力強(qiáng)，但在在復(fù)雜環(huán)境中頻繁穿透障礙物所造成的能量損失也大，低頻信號因其優(yōu)秀的繞射能力，在復(fù)雜環(huán)境中能量損失反而更小。

為了能更好地反映數(shù)據(jù)和模型之間的擬合關(guān)系，計(jì)算了5種環(huán)境下的均方根誤差(root mean square error，RMSE)值和擬合優(yōu)度，結(jié)果如表5所示。度量擬合優(yōu)度的統(tǒng)計(jì)量是決定系數(shù)R2。R2最大值為1，R2的值越接近1，說明實(shí)測值和擬合曲線之間的擬合程度越好；R2的值越小，說明實(shí)測值和擬合曲線之間的擬合程度越差。由表5可知，5種環(huán)境下RSSI擬合曲線的決定系數(shù)R2介于0.907～0.967，RMSE值均小于4.500，說明測量數(shù)據(jù)與對數(shù)距離衰減模型擬合程度較好，而且環(huán)境越簡單，擬合程度越好。

4 結(jié)論

研究了433 MHz和2.4 GHz頻段的無線信號在水曲柳林、興安落葉松林、黃檗林、蒙古櫟林以及胡桃楸林5種林場環(huán)境中的傳播特性，測量了在5種林場中433 MHz和2.4 GHz頻段下的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的RSSI值，并與對數(shù)距離衰減模型做擬合，分析不同樹種對不同頻率無線信號衰減傳播的影響以及產(chǎn)生這些影響的原因，得到如下結(jié)論。

(1) 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與對數(shù)距離衰減模型擬合曲線的決定系數(shù)R2值均在0.9以上，RMSE值均小于4.5，擬合度較好，說明433 MHz和2.4 GHz頻段的無線信號，在5種試驗(yàn)林場環(huán)境中，傳輸過程中的損耗符合對數(shù)衰減模型。

(2)無線傳感器信號的傳播受到環(huán)境的影響明顯，傳輸路徑中障礙物越多，環(huán)境越復(fù)雜，同距離信號的衰減程度越明顯，即衰減指數(shù)η值越大。不同樹種的林場對無線傳感器信號的傳輸有一定的影響，其主要的影響因素為林分郁閉度以及低矮灌木等林場中障礙物的多少。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在林分郁閉度、障礙物接近的不同林區(qū)中，信號的衰減程度接近，因此，樹種不是影響信號衰減程度的決定性因素，傳輸路徑上障礙物的密度是影響信號衰減的決定因素，因此在林場節(jié)點(diǎn)部署的過程中，應(yīng)該盡量選在節(jié)點(diǎn)間障礙物少的位置上。

(3)不同頻率的信號在相同的傳輸環(huán)境中，隨著距離的增加，信號衰減趨勢相似，但衰減程度略有區(qū)別。2.4 GHz信號在簡單環(huán)境中衰減程度略小于433 MHz信號，分析是由于高頻信號所攜帶的能量高，透射能力強(qiáng)；2.4 GHz信號在復(fù)雜環(huán)境中衰減程度略大于433 MHz信號，分析是由于高頻信號在頻繁穿透障礙物的過程中能量損失大，信號衰減也大，低頻信號由于其繞射能力強(qiáng)等特點(diǎn)，信號衰減程度小。

表5 五種環(huán)境下的均方根誤差RMSE值和R2值