2.4GHz无线信道特性在火龙果园的试验与研究

曹惠茹,杨 智,薄 宏,郭中华

（1.中山大学南方学院，广东 广州 510970；2.中山大学信息科学与技术学院，广东 广州 510275）

2.4GHz无线信道特性在火龙果园的试验与研究

曹惠茹1,杨 智2,薄 宏1,郭中华1

（1.中山大学南方学院，广东 广州 510970；2.中山大学信息科学与技术学院，广东 广州 510275）

为解决火龙果园无线传感器网络监控系统的规划和布置，研究无线网络射频信号在坡地火龙果园特定环境下的信道传播特性和衰减模型。选用2.4GHz为载波频率，基于ZigBee协议改变通信距离、发射功率、数据包长度、天线高度等多项参数，试验和分析无线信道在约35°坡地果园中的接收信号强度和平均丢包率；建立接收信号强度和环境因子、通信距离间的数学模型；改变试验环境，对比开阔环境和果园环境对无线网络通信质量的影响。试验结果表明：接收信号强度随着通信距离的增加而减小；其平均丢包率随距离增大、作物密度增强、数据包长度增大、天线高度降低而增大；相对于开阔环境，火龙果园会加速信号的衰减、增大平均丢包率。对试验数据进行拟合，并建立其与通信距离间对数数学模型，其r2在0.8889～0.958之间，得出火龙果园信号衰减系数平均为-18.29。

火龙果园；无线传感器网络；坡地；信道特性

0 引 言

随着网络通信技术、射频技术、传感器等技术的不断发展，将这些技术融合在一起，诞生了无线传感器网络（wireless sensor networks，WSN），并得到了巨大发展[1-2]。无线传感器网络是由普通节点、路由节点、网关、服务器组成的，用于完成某些参数检测的网络系统。WSN作为一种新型的、成熟的网络技术，凭借无需布线、布置灵活、技术成熟、成本低等特点在很多方面得到了广泛应用[2-4]。

无线信号的传播规律与无线传感网络的稳定性和可靠性紧密相关，针对无线传感器网络在具体工作环境下对通信质量的影响还需做深入的研究。无线信号在传输过程中存在信号的漫射、反射、信号衰减、环境吸收等客观特性，所以研究特定环境下的无线信道传播特性是非常必要的。国内[5-8]以433MHz和2.4GHz为载波频率集中研究在温室、稻田、麦田、橘园等环境无线传播特性并建立相关信号衰减模型，得出环境对信号强度存在较大的影响。国外[9-10]以接收信号强度、平均丢包率等为考察参数通过理论模型和具体试验等方法对室内、近地面、森林等环境下无线信号的传播特性进行了研究。

火龙果种植在斜度较大的坡地，在该种环境中搭建基于无线传感器网络的监控系统，用于检测火龙果树生长、果品、病虫害等情况是十分必要的。研究火龙果园无线信号的传播特性是规划和布置无线传感器网络的基础和前提条件。选择35°坡地火龙果园为试验场地，以2.4GHz为载波频率、ZigBee为通信协议，通过改变通信距离、发射功率等参数研究无线传感器网络射频信号在该种环境下的传播规律和数学模型，为基于无线传感器网络检测系统的搭建提供试验数据和理论依据。

1 试验条件与参数的确定

1.1 试验条件

此次试验在坡度约为35°左右的山地（如图1左）进行，试验场（113.66°E，23.64°N）有两种密度的火龙果树，果树纵向间距3.2 m，横向间距为2.2 m，果树高度为1.3m左右，果树支撑圆盘直径为0.7m。选用上海万硅电子公司制作的无线传感器模块为试验节点。该节点模块以TI公司的CC2530（如图1右）为射频芯片，其工作频段为2.4 GHz；采用ZigBee为通信协议，无线传输速率达250kb/s，接收电流＜30mA，发射电流＜50mA。

图1 试验环境与无线节点

1.2 试验参数的选取

试验过程中无线网络选取2.4GHz的载波频率，GFSK解码方式，天线增益3dBi，数据传输速度即无线传输速率达250kb/s。通过改变天线高度、发射功率、数据包长度、作物密度等参数获取对无线信号的接收强度（RSSI）、平均丢包率（PER）等特性的影响数据。具体试验参数如表1所示。

表1 试验参数

2 试验步骤

依照上述试验参数，设计2.4GHz传播特性试验步骤如下：

（1）固定发射端，在接收端通过设置与节点相连的PC信道测试软件，对接收信号强度RSSI和丢包率进行试验观测。

（2）改变发射端发射功率、数据包长度、天线高度等参数，改变接收端位置（在11 m内以2 m为步长，超过11m以5m为步长），测试不同通信距离处的信道特性。

（3）在开阔平地、坡地果园、作物密度不同环境下重复上述试验步骤，对比不同试验场地无线信号传播特性之间的差异。

（4）分析试验数据以及曲线拟合，得出经验公式和火龙果园坡地特点的无线传感网络的最优信道参数。

3 试验结果分析

3.1 信号强度（RSSI)

首先以发射功率为-14dBm，测试不同通信距离下作物密度较大的试验场地和开阔平地两种环境下的RSSI。通过Matlab软件对数据进行分析和曲线拟合，得到如图2所示的结果，并分析出接收强度S与通信距离d之间的拟合公式。

图2 坡地与开阔平地下RSSI的对比

从图2中明显地看出平地上的拟合曲线位于坡地拟合曲线的上方，其中开阔平地上的拟合公式为

果园坡地的拟合公式为

通过对比以上两个公式，可以得到无线信号在传播过程中按照对数衰减，坡地衰减系数的绝对值明显大于开阔平地，也就是说开阔平地上的信号强度明显要比坡地火龙果园的强；种植有火龙果树的坡地信号更易受到环境影响而衰减地更快。

同样的方法，改变发射功率研究作物密度较小的果园中，RSSI与距离d之间的关系得到如图3所示的曲线。

图3 坡地不同发射功率下的RSSI

分析图3，在坡地中发射功率较高的接收信号强度曲线位于发射功率低的上方。同时，不同发射功率条件下的RSSI与通信距离之间呈对数关系。不同的发射功率条件下的RSSI进行曲线拟合可以得到：

式中：A——衰减系数；

d——通信距离；

C——常数项。

表2为不同发射功率下的相关参数。

表2 试验参数

表2得出在改变发射功率的情况下，衰减系数A变化较小，最大为-18.024，最小为-18.865，平均值为-18.29，也就是说在该试验环境下衰减系数可以取-18.29；而常数项C则随发射功率的减小而增大。

针对上述情况，总结了不同发射功率、不同试验场地和天线高度，在发射端与接收端相距21m处的RSSI与功率之间的关系，得到图4。

图4 不同发射功率、天线高度、场地下的RSSI

由图4知就接受信号强度RSSI而言，开阔平地最好、天线高度为2.2 m的次之、天线高度为1.4 m最弱；信号强度与发射功率之间呈线性模型改变；试验环境对RSSI有显著地影响。显然坡地环境中天线高度2.2m的RSSI较好，今后在火龙果园布置无线传感器网络时可选择高度值较大的天线高度。

3.2 平均丢包率

平均丢包率的大小直观地反映了无线传感器网络的稳定性和可靠性。在无线信号传播过程中，平均丢包率是衡量无线传感网络通信质量的重要参考指标。在试验中通过改变发射功率、试验环境、数据包长度等参数获取平均丢包率，可为选取适合火龙果园的信道参数提供依据。图5为以1.4m天线高度测试不同发射功率条件下的平均丢包率。

图5 不同发射功率的平均丢包率

图5得到，发射功率为-22 dBm的PLR最大，2.5dBm的最小。通信距离在20m范围内，PLR小于20%；随着发射功率的降低，平均丢包率也会增大，而当无线节点位于果苗附近时，平均丢包率会突然升高。考虑到无线传感器节点的功耗、生命周期和通信质量，在布置节点时可以选择-1.5，-10，-14 dBm为发射功率的初始值。

为对比坡地果园、开阔平地两种环境下对丢包率的影响，选择-14dBm发射功率，选取天线高度为1.4m、2.2m，在两种试验场地进行试验得到如图6所

示的曲线。可以得到，平均丢包率在天线高度较低、有作物遮挡时丢包率会很快升高。

图6 不同天线高度、试验场地的平均丢包率

3.3 数据包长度对信道特性的影响

选择数据包长度30，100，120 B在发射功率为-22dBm，传输速率250kb/s，天线高度1.4m的条件下，研究数据包长度对信道特性的影响，如图7所示，3条曲线之间的差异很小，数据包长度在无线信号传播过程中对接收信号强度（RSSI）几乎没有影响。

图7 坡地数据包长度对RSSI的影响

在其他条件不变，将天线高度升高为2.2m，研究数据包长度是否对平均丢包率有影响。通过分析试验数据得到图8，可以看出随着数据包长度的增加，数据在传输过程中丢包的可能性会增大。在今后设计节点时，考虑通信效率可以选择数据包为100B进行数据传输。

图8 坡地数据包长度对丢包率的影响

4 结束语

文章为解决在坡地火龙果园布置和搭建基于无线传感器网络的检测系统，在果园坡地中选择2.4GHz为载波频率，进行无线信号性能的相关试验。在试验中，通过改变发射功率、天线高度、数据包长度等参数，研究无线信道的接收信号强度和平均丢包率。通过对试验数据的分析和拟合，建立火龙果园坡地情况下信号的衰减数学模型，得出坡地火龙果园无线信道的衰减系数为-18.29；试验环境因素决定衰减系数，而无线节点发射功率大小决定衰减常数。分析试验数据还可以得出，在发射功率、数据传输速率、解码方式不变时，作物的生长密度、信号的传播距离、天线高度等因素对平均丢包率有显著影响。

通过在开阔平地与坡地果园的对比试验表明，在考虑到无线节点功耗、使用寿命、节点搭建成本和检测系统的具体要求下，在今后的组网、搭建监控系统选择ZigBee为标准的射频模块，功耗应小于-1.5dBm，天线高度约2.2m最佳。

[1]陈敏.无线传感器网络原理与实践[M].北京：化学工业出版社，2011.

[2]孙利民，李建中.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.

[3]Yick J，Mukherjee B，Ghosal D.Wireless sensor network survey[J].Computer Networks，2008，52（12）：2292-2330.

[4]张青春.基于ZigBee技术的火灾探测报警传感器网络设计[J].中国测试，2013，39（4）：73-75，80.

[5]李小敏，臧英，罗锡文，等.兰花大棚内无线传感器网络433 MHz信道传播特性试验[J].农业工程学报，2013（13）：182-189.

[6]郭秀明，赵春江，杨信廷，等.苹果园中2.4 GHz无线信道在不同高度的传播特性[J].农业工程学报，2012（12）：195-200.

[7]文韬，洪添胜，李震，等.橘园无线传感器网络不同节点部署方式下的射频信号传播试验[J].农业工程学报，2010（6）：211-215.

[8]李偲钰，高红菊，姜建钊.小麦田中天线高度对2.4 GHz无线信道传播特性的影响[J].农业工程学报，2009（S2）：184-189.

[9]Yu S M，Yee-Hui L，Boon C N.Investigation of Rainfall Effect on Forested Radio Wave Propagation[J].Antennas and Wireless Propagation Letters，2008（7）：159-162.

[10]Welch T B，Wood J R，McParlin R W，et al.Very near ground RF propagation measurements for wireless systems[C]∥ IEEE Vehicular Technology Conference，2000：2556-2558.

Propagation characteristics of 2.4GHz wireless channel in pitaya orchard

CAO Hui-ru1，YANG Zhi2，BO Hong1，GUO Zhong-hua1
（1.Nanfang College of Sun Yat-sen University，Guangzhou 510970，China；2.School of Information Science and Technology，Sun Yat-sen University，Guangzhou 510275，China）

For configuring wireless sensor network （WSN）monitoring system in pitaya orchard，the propagation characteristics and attenuation model of RF signals in sloping pitaya orchard were analyzed based on WSN.The received signal strength index（RSSI）and the average packet loss rate（PLR）of about 35°in slope orchard were tested and studied with the carrier frequency of 2.4 GHz and ZigBee protocol in different communication distance，transmit power，packet length，antenna height and other parameters.The mathematical model of RSSI，communication distance and environmental factors was set up.The communication quality of WSN was compared in an open environment and orchard environment.The test results demonstrated that with the increasing of the communication distance the RSSI was reduced，and the PLR would get bigger with increasing distance，packet length and antenna height，the density of the crop enhancement.By fitting the experimental data the logarithm mathematical model with R2from 0.8889 to 0.958 was established between RSSI and communication distance.The signal attenuation coefficient in the pitaya orchard was about-18.05 from the fitting model.

pitaya orchard；wireless sensor network（WSN）；hillside field；propagation characteristics

S628；S667.9；TP391.45；TP274

：A

：1674-5124（2014)03-0109-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.03.029

2013-12-05；

：2014-02-16

曹惠茹（1981-），女，陕西渭南市人，讲师，硕士，研究方向为无线传感器、计算机应用与控制、计算机信息处理等。