林業(yè)環(huán)境監(jiān)測中無線傳感網(wǎng)信號傳播特性

戴天虹,趙永政,張佳薇,張曉東,袁銘潤

(東北林業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗的特點，其發(fā)射功率不強，并且接收靈敏度較低，其信號傳播易受環(huán)境因素的影響.郭秀明等[4]研究了2.4 GHz頻段信號在蘋果園環(huán)境中不同天線高度下的信號傳播特性，并建立了衰減模型.文韜等[5]研究了433 MHz頻段信號在橘園環(huán)境中不同的天線高度和植被深度下的傳播特性.劉海洋等[6]研究了433 MHz頻段信號在針葉林環(huán)境中不同林分密度和天線高度下的衰減情況.Meng et al[7]研究了VHF和UHF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行了實證分析.目前對林業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信號衰減特性的研究較少，并且大多是在單一頻段下，缺少不同頻段在相同環(huán)境中的對比研究，以及不同環(huán)境因素對于信號衰減影響的研究.

本研究選取常用的433 MHz和2.4 GHz頻段的無線信號收發(fā)器，選取密林、疏林、林間小路和草坪4種環(huán)境中無線信號衰減情況作為研究對象，研究不同頻率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信號在林區(qū)中不同環(huán)境下的傳播特性；以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的接收信號強度(received signal strength indication,RSSI)作為信號衰減程度的指標(biāo)進行測量和分析，擬合4種環(huán)境中兩頻率的RSSI值與通信距離之間的模型曲線；根據(jù)測試數(shù)據(jù)分析不同頻率無線信號在不同環(huán)境下的傳播特性，旨在為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在林業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中組網(wǎng)和部署提供參考.

1 無線信號傳播模型

無線電波信號傳播存在的多種效應(yīng)使其產(chǎn)生損耗，固定端的無線通信系統(tǒng)主要存在路徑損耗、陰影效應(yīng)和多徑效應(yīng).路徑損耗是由于電磁波輻射向外擴散導(dǎo)致的能量消耗及信道傳輸特性造成的.陰影效應(yīng)是在發(fā)射端與接收端之間存在如樹木、樓房等障礙物時，電磁波被障礙物吸收、反射和散射等導(dǎo)致信號在到達接收端時功率減弱.多徑效應(yīng)是電磁波通過多條路徑如反射、直達、折射等到達接收端，各個路徑的路程不同，導(dǎo)致各路徑中電磁波到達接收端的時間不同，從而使波形的相位不同.接收機會將這些電磁波疊加，同相使接收信號強度增強，反相則使接收信號減弱，從而造成信號間存在碼間干擾.在工程應(yīng)用中，一般認為電磁波的損耗與距離的對數(shù)成正比關(guān)系[8-10]：

(1)

式中，PL為電磁波衰減值；η為衰減指數(shù)；d為發(fā)射端到接收端的距離.

對于不同電波信號、不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和不同應(yīng)用場景，國內(nèi)外比較經(jīng)典的傳播模型有Hata模型、Walgish-Ikegami模型、LEE模型、Longley-Rice模型、Durkin模型等.這些傳播模型大多是在特定環(huán)境下經(jīng)測試構(gòu)建出來的.目前適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等低功率信號模型主要是簡化的對數(shù)距離損耗模型[11-13]，如下式所示.

PR(d)=A-10ηlgd

(2)

式中，PR為接收信號強度；A是距發(fā)射源1 m處的接收信號強度.

A值主要和設(shè)備的發(fā)射功率有關(guān)，相同設(shè)備不同環(huán)境下其值差距不大.由式(2)可知，接收信號強度與距離之間的關(guān)系主要由衰減指數(shù)η值決定.本文主要研究不同林區(qū)環(huán)境對不同頻率無線信號傳播的影響，通過式(2)對測得的數(shù)據(jù)進行擬合，用η值來表征環(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 研究方法

2.1 試驗裝置

本試驗需要測量雙頻段的信號衰減，使用自主設(shè)計制作的GreenLab節(jié)點模塊.該節(jié)點由三部分組成，分別為主控制器模塊、收發(fā)器模塊和人機交互模塊.主控制器使用ST公司的STM32L151C8T6低功耗ARM Cortex-M3內(nèi)核微處理器，主要與收發(fā)器模塊通信，實現(xiàn)控制收發(fā)器工作和數(shù)據(jù)傳輸，連接人機交互模塊和上位機，方便試驗操作和數(shù)據(jù)讀取.433.0 MHz頻段收發(fā)器模塊使用Semtech公司的SX1278收發(fā)器芯片，該芯片支持LoRaTM和FSK/OOK調(diào)制解調(diào)方式，達到+20 dBm最大射頻功率輸出，以及低至-148 dBm的接收靈敏度，并具有127 dB的RSSI動態(tài)范圍.本節(jié)點通過SPI接口設(shè)置該芯片相應(yīng)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，擴頻因子設(shè)置為12，RSSI數(shù)據(jù)是通過SPI接口讀取RegPktRssiValue寄存器的值，并將其轉(zhuǎn)化成dBm單位的值.2.4 GHz頻段收發(fā)器模塊使用TI公司的CC2530芯片，該芯片內(nèi)部集成51內(nèi)核，可以使用Z-Stack協(xié)議?？刂茢?shù)據(jù)收發(fā).Z-Stack可設(shè)置最大發(fā)射功率為+3 dBm，接收強度靈敏度為-91 dBm.為了與433.0 MHz收發(fā)器發(fā)射功率匹配，本節(jié)點還選用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”變量并將其轉(zhuǎn)化成dBm單位的值，通過USART通信接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制板.另外兩種收發(fā)器模塊均配用5 dBi增益的全向天線，提高信號收發(fā)能力(表1).人機交互模塊主要由按鍵模塊和OLED模塊組成，按鍵和OLED分別通過I/O接口和IIC接口與主控板相連.OLED模塊可以實時顯示節(jié)點的工作狀態(tài)以及試驗數(shù)據(jù)，同時為了避免兩頻率收發(fā)器同時工作帶來的相互干擾，可以通過按鍵控制節(jié)點工作模式進行試驗工作.GreenLab節(jié)點的組成以及實物如圖1所示.

在對小型農(nóng)田水利工程建設(shè)資金投入上，財政部門應(yīng)當(dāng)建立起相應(yīng)的新機制來專門管理其資金分配，并逐漸加大資金的投入力度。同時，對于參與投資小型農(nóng)田建設(shè)的民眾，政府應(yīng)適當(dāng)?shù)刂贫ㄒ恍﹥?yōu)惠政策。另外，政府部門應(yīng)對其財政收入的分配進行一定的調(diào)整，使得新的分配制度中能夠拿出更多的資金來開展小型農(nóng)田水利建設(shè)。

表1 收發(fā)器主要參數(shù)Table 1 Main parameters of transceiver

2.2 試驗環(huán)境

試驗地點主要選在東北林業(yè)大學(xué)試驗林場(126°63′13″E，45°72′24″N).林場中有不同樹種的試驗林，主要樹種為胡桃楸、水曲柳林、興安落葉松和黃檗等.經(jīng)過實地考察，選擇疏林、密林、林間小路以及草坪4個試驗場地進行試驗.(1)密林試驗場地選擇在水曲柳林，主要樹種為水曲柳，混有樟子松和蒙古櫟等喬木，還有烏蘇里樹李、暖木條莢蒾等灌木.除了灌木，林木平均樹高20 m，林分密度880株·hm-2，平均胸徑18 cm，最大胸徑38 cm.(2)疏林試驗場地選擇在胡桃楸林，主要樹種為胡桃楸，混有少量的黃檗和水曲柳.除去灌木，林木平均樹高18 m，林分密度544株·hm-2，平均胸徑20 cm，最大胸徑32 cm，林木密度較疏.(3)林間小路試驗場地選擇在東北林業(yè)大學(xué)試驗林場的白山路，路長170 m左右，路寬2.5 m，路兩邊樹木相距3 m左右，樹木主要為黃檗和興安落葉松.(4)草坪試驗場地選擇在東北林業(yè)大學(xué)校園的草坪，草坪面積約為120 m×70 m，周圍有少量的樹木.室外溫度在20 ℃左右.4種試驗場景如圖2所示.

2.3 試驗方法

由于場地原因，本試驗只測量0～100 m范圍內(nèi)信號衰減情況.在選好的試驗場地，為了保證信號完全處于有效的測試環(huán)境中，將發(fā)射端節(jié)點固定在距離場地邊緣大于10 m的位置.為了方便測量，發(fā)射端和接收端節(jié)點均固定在1.0 m高度.從發(fā)射點位置出發(fā)使用百米架式卷尺量取100 m的距離，每隔2 m做標(biāo)記.本試驗需要測量雙頻段的信號衰減數(shù)據(jù)，為了避免雙頻段的相互影響，將兩頻段分開測量.試驗過程為首先測量433 MHz頻段在距發(fā)射節(jié)點1 m處的RSSI值，并取均值作為該環(huán)境的A值；之后以2 m為步長依次測量距離發(fā)射節(jié)點2、4、6，…，100 m處的RSSI值(圖3).為了避免偶然誤差和設(shè)備誤差，本試驗使用兩套收發(fā)節(jié)點，在每個位置上各記錄20組數(shù)據(jù)包的RSSI值，取其平均值作為最終數(shù)據(jù)來源;然后用相同的方式測量2.4 GHz頻段的RSSI數(shù)據(jù).

3 結(jié)果與分析

3.1 4種環(huán)境下RSSI試驗結(jié)果

在4個場地中按照試驗方法，使用兩套收發(fā)節(jié)點分別測得雙頻率下每個位置20組信號的接收強度值，然后將每個位置測得的RSSI值取平均值繪制出曲線圖，結(jié)果如圖4所示.

從圖4可以看出，在4種場景中實測的兩頻段信號的RSSI值總體上都隨著距離的增加呈衰減趨勢.在前20 m內(nèi)衰減較快，隨著距離增加，衰減速度漸緩，符合對數(shù)距離損耗模型的信號衰減趨勢.不同的環(huán)境，信號衰減的程度不同，其中密林環(huán)境障礙物最多，對信號衰減的影響最大，隨著環(huán)境中障礙物數(shù)量的減少，信號傳播衰減程度也減小.在密林場地(圖4)中，在80 m處的時候，受模塊靈敏度影響，2.4 GHz信號通訊中斷.從圖4還可以看出收發(fā)節(jié)點之間的樹木等障礙物對信號影響較大；與收發(fā)節(jié)點間沒有障礙物的草坪場地對比，密林環(huán)境和疏林環(huán)境的RSSI值浮動范圍比較大.障礙物對兩頻段信號的影響情況也大致相同，例如密林場地中36 m處測試點正好處于一棵樹后面，導(dǎo)致兩頻段信號都出現(xiàn)衰減.但是在某些地點雙頻段信號的影響相反，例如疏林場地(圖4)中34 m處，該測試點正好處于橫向的兩棵樹之間，該處433 MHz信號衰減較大，而2.4 GHz信號反而變強.除了在密林場地2.4 GHz信號比433 MHz信號整體衰減的幅度大外，其余環(huán)境中2.4 GHz信號整體衰減幅度較433 MHz信號小.

3.2 數(shù)據(jù)擬合分析

選用對數(shù)距離損耗模型[式(2)]對測試的數(shù)據(jù)進行擬合，擬合出不同環(huán)境下不同頻率信號的η值，用來表征該頻率信號在該環(huán)境中傳播特性.首先，測量出每個環(huán)境下不同頻率信號接收節(jié)點距發(fā)射節(jié)點1 m處的RSSI均值，以此作為該環(huán)境下該頻率的A值.各環(huán)境下不同頻率的A值如表2所示.

然后，使用Origin數(shù)據(jù)分析軟件對數(shù)據(jù)進行非線性曲線擬合，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3所示.

由表3和圖5可知，4種環(huán)境下不同頻率的衰減指數(shù)η值為1.676～2.735，草坪環(huán)境的η值最小，并隨著環(huán)境中障礙物數(shù)量的增加η值逐漸增加.結(jié)果表明環(huán)境因子與η值呈正相關(guān)，環(huán)境越復(fù)雜，衰減指數(shù)越大，環(huán)境對信號傳播的阻礙影響越大.不同頻率的衰減指數(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)，但在密林環(huán)境中，反而要小于2.4 GHz頻率信號的衰減指數(shù).由于信號頻率越高，穿透能力越強，但是信號穿透物體會損失很多能量，在密林環(huán)境中，樹木等障礙物很多，高頻率的信號穿透障礙物損失的能量也越大，導(dǎo)致其衰減指數(shù)較大.信號頻率越小，其繞射能力越強，對于樹林這種不連續(xù)的介質(zhì)其損失的能量較小，相對穿透能力反而更強.為了更好反映出數(shù)據(jù)與模型之間的擬合關(guān)系，繪制4種情況下各頻率數(shù)據(jù)與擬合模型曲線的殘差圖(圖6)，并計算了4種環(huán)境下的決定系數(shù)R2值和均方根誤差(RMSE)值(表4).由圖6可以看出環(huán)境越復(fù)雜，殘差值浮動就越大，與模型之間的擬合效果也就越差.由表4可知，4種環(huán)境下RSSI擬合曲線的決定系數(shù)R2值為0.904～0.956，RMSE值均小于4.結(jié)合殘差圖可說明本試驗測量數(shù)據(jù)與對數(shù)距離衰減模型的擬合程度較好，而且環(huán)境越簡單，擬合程度越好.除此之外還可以看出，除密林環(huán)境外，2.4 GHz信號在其他環(huán)境中比433 MHz信號傳播更穩(wěn)定，信號波動更小.

表2 4種環(huán)境下的A值Table 2 A values under four conditions

表3 4種環(huán)境下的衰減指數(shù)η值Table 3 η values of attenuation index under four conditions

表4 4種環(huán)境下的均方根誤差RMSE值和決定系數(shù)R2值Table 4 RMSE and decision coefficients R2 under four conditions

4 小結(jié)

本研究測試了433MHz和2.4GHz雙頻段下的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在林區(qū)的密林、疏林、林間小路以及草坪環(huán)境下的信號接收強度；并將測試的RSSI數(shù)據(jù)與對數(shù)距離衰減模型進行擬合，分析環(huán)境因素對于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.本研究結(jié)果表明：

(1)環(huán)境因素對無線信號傳播有很大的影響，環(huán)境越復(fù)雜，同樣距離下信號衰減的程度越大，即衰減指數(shù)η值越大.測試數(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，證明該模型與實測數(shù)據(jù)的擬合度較好，適用于林區(qū)環(huán)境的信號衰減預(yù)測.

(2)相同環(huán)境下的不同頻率信號傳播特性略有不同，但差別不大.在簡單的環(huán)境下，高頻率信號憑借其能量高、穿透能力強的特點，其衰減程度略小于低頻率的信號.在非常復(fù)雜的環(huán)境下，高頻信號頻繁穿透障礙物導(dǎo)致電波能量損失較多，信號衰減程度較大.而低頻信號在復(fù)雜環(huán)境中憑借其繞射能力強等優(yōu)點，信號衰減程度較小.

(3)環(huán)境因素對于信號傳播穩(wěn)定性的影響也較大.在草坪等幾乎沒有障礙物影響的環(huán)境下，信號波動范圍很小.但在復(fù)雜的環(huán)境中，由于多徑效應(yīng)和陰影效應(yīng)的作用，信號穩(wěn)定性很低，在實地實時測量時，反應(yīng)更為明顯.而且一般環(huán)境下，低頻率信號傳播的穩(wěn)定性不如高頻率信號，信號的波動程度比較大.造成這一現(xiàn)象的原因也比較復(fù)雜.推測原因之一是433 MHz頻率信號的波長(0.693 m)比2.4 GHz信號的波長(0.125 m)長,其對距離的敏感度更強.復(fù)雜環(huán)境中由于陰影效應(yīng)的作用更明顯，所占比重更大，造成2.4 GHz信號在復(fù)雜環(huán)境中更不穩(wěn)定.