為此,我們選擇了三個比較有代表性的生長時期進行測量,分別為苗期、拔節期和成熟期,前5個生長時期都屬於苗期,小麥的高度大都小於10cm,拔節期小麥的平均高度在35~45cm,成熟期的小麥最高可達80cm,平均高度在65~75cm,麥穗已基本飽滿。
1.2測量
無線信號地傳播有直射、反射、繞射和散射等傳播機製[2],在農田中部署無線傳感器節點可改變參量有節點高度和節點間的距離,它們是影響路徑損耗的主要因素。小麥的生長過程中,莖杆的粗細、植株的高度、葉片的大小和密度都在變化,使得不同時期的路徑損耗情況差異較大。我們在測量每個生長期的數據時都相應調整收發天線的高度,獲取不同時期不同天線高度下無線信號傳播的特性。
我們選用TI公司生產的CC1101無線射頻模塊作為發送端發送433MHz信號,使用惠美公司生產的HMS3000頻譜儀作為接收端,為了達到標稱的天線增益,我們把收發天線高度設為相同高度,且收發天線的方向保持一致。
2測量結果與數據分析
2.1測量結果
測量了冬小麥在三個典型生長期的數據,每期都測量了多個收發天線高度。各時期小麥的平均高度。在苗期,分別測量了0cm、20cm、40cm和60cm;拔節期又加測了100cm高度的數據;成熟期增加了80cm和120cm的數據。這麼做的目的是更為了精確觀察接收信號強度隨天線高度變化的情況。
拔節期和成熟期的測量數據,因為小麥的植株高度比苗期要高,且麥稈也越粗,所以小麥所帶來的遮擋效應也越來越嚴重,結果使得信號傳播距離變短。可得出以下結論:
路徑損耗明顯比苗期的要大,節點的傳播距離也更短;天線高度對傳播地影響很大,無論是拔節期還是成熟期,隨著天線高度的增加路徑損耗越來越小,當天線高度高於植株高度而繼續增加高度時是還是會帶來性能的提升。
小麥在苗期、拔節期、成熟期的擬合分析結果,從數據可以看出,用公式(2)與測量的路徑損耗變化趨勢擬合情況非常好,相關係數除了最低的一個值為0.899,其它相關係數都在0.95之上。但隨著天線高度的增加路徑損耗指數n應該是減小的,擬合結果卻正好相反。原因是環境參數k的值在不斷變化。從幼苗期到成熟期,k值一直在變大。但在同一期內,k的值隨著天線高度的增加卻在減小,與此相對應的是路徑損耗指數卻在降低。表明參數k對路徑損耗模型影響很大。成熟期0cm天線高度時的路徑損耗最大,對應應該是n值最大。這裏n值最小,但k值最大。為了保證節點在小麥不同生長時期的聯通性,在實際節點部署時,應該以路徑損耗最大的模型作為參考模型。
3結語
本文研究了433MHz無線信號在麥田環境下的傳播特性與路徑損耗模型。根據三期的結果可以得出:接收點處的路徑損耗隨天線高度的降低而增加;但其路徑損耗指數並不是一直增大,整個路徑損耗模型還與環境參數有很大的關係。在幼苗期,因為苗株高度較低所以天線高度變化的同時,路徑損耗情況差別並不大,這裏體現的數據是n值較大,而環境參數值k較小,節點的傳播距離也最遠。在拔節期和成熟期,小麥對433MHz傳播的影響非常大,天線高度為0的時候僅能傳輸35m左右,但路徑損耗模型中的路徑損耗指數反而變小了,這點看似與測量數據相悖,其實問題在於:信號在傳播初期損耗了太多的能量,而後期已經沒有多少能量可供損耗,因而在小麥的拔節期和成熟期,信號的路徑損耗模型中的路徑損耗指數n值很小,而環境參數值k非常大。
從擬合的結果可以看出,相關係數最低為0.899,其他數據的相關係數基本都在0.95以上,這表明實驗數據與模型的預測值有高度的相關性,也說明采用式(2)的模型來描述路徑損耗是可行的。部署傳感器節點應該考慮在最惡劣的環境下也能通信,因此這裏選擇損耗最大的成熟期數據作為部署參考,選擇將天線高度布設在1.2m: