摘要：無線傳感網(wǎng)絡(luò)被越來越廣泛地應(yīng)用到農(nóng)田智能灌溉系統(tǒng)中，但在實(shí)際應(yīng)用中，無線信號(hào)的傳輸質(zhì)量隨著所處農(nóng)田環(huán)境不同而不同。為了經(jīng)濟(jì)、合理、高效地部署無線傳感節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，選取2.4 GHz工作頻段的無線節(jié)點(diǎn)，對(duì)其接收信號(hào)強(qiáng)度及丟包率進(jìn)行研究，明確其變化特征，給出合理的傳輸距離及天線架設(shè)高度，為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)部署提供參考。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò)；無線信號(hào)傳輸強(qiáng)度；丟包率；節(jié)點(diǎn)部署

中圖分類號(hào)：TP393；TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）09-2242-03

為提高農(nóng)業(yè)灌溉有效率，基于節(jié)水灌溉自動(dòng)控制技術(shù)的農(nóng)田智能灌溉系統(tǒng)越來越多地被應(yīng)用到農(nóng)業(yè)灌溉中。這樣的系統(tǒng)工作環(huán)境一般具有如下特點(diǎn)：農(nóng)業(yè)灌溉涉及面積大，控制區(qū)域的地形錯(cuò)綜復(fù)雜；田間控制點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)既多又分散，人工定時(shí)測量墑情，不但要耗費(fèi)大量人力物力，而且還做不到實(shí)時(shí)監(jiān)控；采用有線測控系統(tǒng)，需要較高的布線成本，不利于擴(kuò)展?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)作為一種更高效、可靠以及低功耗、低成本的信息獲取和處理方式，被越來越廣泛地應(yīng)用到農(nóng)田智能灌溉系統(tǒng)中。但在實(shí)際應(yīng)用中，農(nóng)田環(huán)境復(fù)雜多樣，無線信號(hào)的傳輸質(zhì)量也隨著其所在的工作環(huán)境、地形地貌等不同而不同。為了經(jīng)濟(jì)、合理、高效地部署無線傳感節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，有必要明確在典型的地形特征下無線傳感節(jié)點(diǎn)的傳輸信號(hào)強(qiáng)度及丟包率。

為此，選取2.4 GHz工作頻段的無線節(jié)點(diǎn)，以種植甘蔗的荒地、平地與坡地等典型環(huán)境作為研究對(duì)象，對(duì)無線傳感節(jié)點(diǎn)的接收信號(hào)強(qiáng)度及丟包率進(jìn)行研究，明確其變化特征，給出合理的傳輸距離及天線架設(shè)高度，旨在為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)部署提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)置與方法

1.1 試驗(yàn)場地的選取

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在廣西崇左市江州區(qū)某糖料蔗示范基地，共取3種地勢的灌溉區(qū)域：荒地、平地、坡地?；牡丶礊槠降厣系囊粔K無作物的空曠土地，作為平地、坡地?zé)o線信道路徑損耗的對(duì)比。平地為灌溉區(qū)域內(nèi)一塊平整土地?？紤]到江州區(qū)的實(shí)際地形，坡地為灌溉區(qū)域內(nèi)相對(duì)高差為50 m的地段。作物因素方面，試驗(yàn)選擇的作物為生長期和成熟期枝葉較為密集的甘蔗，植株高約2.5 m，這也為架設(shè)天線提高了難度。所選擇的不同環(huán)境下植株的生長情況基本一致，為試驗(yàn)中丟包率和路徑損耗的對(duì)比提供了更高的可靠性。另外，由于氣候環(huán)境如光照、雨量、溫度等對(duì)試驗(yàn)中的無線信號(hào)傳播影響不是很大，所以忽略這些因素的影響。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備的選取

試驗(yàn)選擇了CC2530節(jié)點(diǎn)發(fā)送2.4 GHz信號(hào)，連接一個(gè)采用不銹鋼外殼封裝的數(shù)字溫度傳感器，實(shí)時(shí)發(fā)送溫度信息給接收節(jié)點(diǎn)，接收節(jié)點(diǎn)與發(fā)射節(jié)點(diǎn)必須一致以保證系統(tǒng)無額外的損耗，工作電壓為3 V電池供電。其中，CC2530是芯片TI公司新一代ZigBee無線射頻模塊，其靈敏度高達(dá)-90 dBm，最大輸出為+0.6 dBm，最大傳送速率為250 kbps。

1.3 試驗(yàn)基本原理及測試方法

無線電信號(hào)傳播過程中滿足PR=Pr /dn，其單位dBm數(shù)值大小取決于無線信號(hào)傳播的環(huán)境。對(duì)PR=Pr /dn兩邊取對(duì)數(shù)可得：10nlgd=10lg（Pr /PR）。

為了避免天線增益的產(chǎn)生，收發(fā)節(jié)點(diǎn)天線保持同一個(gè)方向。通過土壤溫度傳感器實(shí)時(shí)地發(fā)送溫度信息，再通過天線以無線信號(hào)的方式發(fā)送出去。使用WirelessMon軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測無線信號(hào)的變化，該軟件可以監(jiān)測接收到的無線信號(hào)強(qiáng)度（RSSI），也可顯示接收率（可以方便地計(jì)算出丟包率）。在甘蔗地中部署傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，d為收發(fā)（T-R）距離、h為天線高度，d和h是導(dǎo)致信道能耗大尺度衰減的兩個(gè)重要因素。試驗(yàn)中采用甘蔗地實(shí)地試驗(yàn)與分析相結(jié)合的方法，分別對(duì)不同天線高度、不同收發(fā)距離情況下的能耗衰減情況進(jìn)行了分析?？紤]到實(shí)地測量的甘蔗植株均高為2.5 m左右，所以天線架設(shè)高度（離地高度）分別選擇0、1、2、3 m四種情況；收發(fā)距離選擇10、20 m直至接收到的信號(hào)衰減到很微弱，即丟包率為100%的情況[1-4]。

2 結(jié)果與分析

2.1 荒地、平地和坡地條件下不同天線高度的RSSI

試驗(yàn)采用的節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率為0.6 dBm，2.4 GHz的接收靈敏度為-90 dBm。在10 m的距離上測量不同距離的RSSI。

由表1可知：1）隨著T-R距離的增加，RSSI逐漸減??；在荒地環(huán)境下，天線高度大于1 m時(shí)，RSSI逐漸趨于穩(wěn)定。2）收發(fā)距離在0～20 m范圍以內(nèi)RSSI變化很大，從0.6 dBm快速減小到-70 dBm左右。而收發(fā)距離大于20 m以后，RSSI呈現(xiàn)出比較緩慢的變化趨勢，此時(shí)RSSI從-70 dBm左右降到-90 dBm左右，有的甚至降到極其微弱，可以視為沒有無線信號(hào)強(qiáng)度。3）隨著收發(fā)距離的增大，在20 m以內(nèi)，各組數(shù)據(jù)的平均值標(biāo)準(zhǔn)差在5～15之間，說明測得的RSSI數(shù)據(jù)波動(dòng)較小，最大值和最小值間差別小，數(shù)據(jù)處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)距離超過20 m后，各組數(shù)據(jù)的平均值標(biāo)準(zhǔn)差迅速增加到15以上，最大達(dá)到40，說明測得的RSSI數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，最大值和最小值間差別增大，數(shù)據(jù)趨于不穩(wěn)定；而當(dāng)距離繼續(xù)增大，信號(hào)衰弱到節(jié)點(diǎn)的接收靈敏度時(shí)，接收到的數(shù)據(jù)開始出現(xiàn)丟包的現(xiàn)象，此時(shí)采集到的數(shù)據(jù)將不完整[5]。

2.2 荒地、平地和坡地的丟包率

從表2、表3可以看出，天線高度不小于1 m的荒地環(huán)境下，無線信道的丟包率幾乎一樣。在同一地勢及無線信號(hào)頻率下，不同的天線高度下，傳輸范圍隨天線高度的變化并不是單調(diào)遞增的。因?yàn)樵囼?yàn)中甘蔗植株在2 m的高度是最為茂密的部分，無線信號(hào)在此環(huán)境下受外界環(huán)境干擾最嚴(yán)重，主要受到地面反射的影響，還會(huì)有植株所引起的散射、反射與繞射所帶來的影響。天線在位于地面時(shí)傳播損耗最大，傳輸距離最近，為10～30 m；天線高度在2 m時(shí)傳播損耗較大，傳輸距離較近，為40～70 m；天線高度在1 m時(shí)傳播損耗較小，傳輸距離較遠(yuǎn)，為60～90 m；而天線高度在3 m時(shí)傳播損耗最小，傳輸距離最遠(yuǎn)，可達(dá)130～160 m。因此，綜合考慮通信質(zhì)量、試驗(yàn)實(shí)施及經(jīng)濟(jì)等因素，天線的較優(yōu)位置應(yīng)高于農(nóng)作物植株。

同時(shí)，在試驗(yàn)中考慮到收發(fā)距離測量中10 m的測量間距，把第一次測到丟包率為1%的距離d認(rèn)定為其傳輸范圍和傳輸距離，也即節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍。由表2、表3中的丟包率數(shù)據(jù)可得，當(dāng)收發(fā)距離d小于60 m時(shí)，丟包率增長較快，當(dāng)d大于60 m時(shí)，丟包率隨d的增長相對(duì)平緩。

3 小結(jié)

試驗(yàn)針對(duì)2.4 GHz頻率在荒地、平地、山地3種不同地勢環(huán)境下開展，分別對(duì)這3種地勢環(huán)境的RSSI以及丟包率進(jìn)行了試驗(yàn)，得出了相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

考慮到節(jié)點(diǎn)要適應(yīng)各式各樣的傳感器的布置，以及保證釆集到的農(nóng)田信息數(shù)據(jù)有一定的可靠性，定位范圍太遠(yuǎn)將達(dá)不到這一要求。因此，綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，架設(shè)天線高度的選擇，在地勢方面的衰減大小順序依次為山地、平地、荒地，并可以得出智能灌溉系統(tǒng)中無線傳感網(wǎng)絡(luò)2.4 GHz無線信道特性的相關(guān)結(jié)論[4]，即無線節(jié)點(diǎn)的定位范圍為130 m，最適合的節(jié)點(diǎn)收發(fā)距離為40 m，較優(yōu)的天線高度為2.5～3.0 m，即需要略高于植株高度。

試驗(yàn)雖采用了特定的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)芯片進(jìn)行測試，但其試驗(yàn)方法、過程、結(jié)果和結(jié)論仍具有普遍意義，可為無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署的確定提供一定的參考。

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