林业环境监测中无线传感网信号传播特性

戴天虹,赵永政,张佳薇,张晓东,袁铭润

(东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

由于无线传感器网络低功耗的特点，其发射功率不强，并且接收灵敏度较低，其信号传播易受环境因素的影响.郭秀明等[4]研究了2.4 GHz频段信号在苹果园环境中不同天线高度下的信号传播特性，并建立了衰减模型.文韬等[5]研究了433 MHz频段信号在橘园环境中不同的天线高度和植被深度下的传播特性.刘海洋等[6]研究了433 MHz频段信号在针叶林环境中不同林分密度和天线高度下的衰减情况.Meng et al[7]研究了VHF和UHF频段在热带种植园中近地无线电波的传播特性，并对森林深度的传播损失进行了实证分析.目前对林业无线传感器网络信号衰减特性的研究较少，并且大多是在单一频段下，缺少不同频段在相同环境中的对比研究，以及不同环境因素对于信号衰减影响的研究.

本研究选取常用的433 MHz和2.4 GHz频段的无线信号收发器，选取密林、疏林、林间小路和草坪4种环境中无线信号衰减情况作为研究对象，研究不同频率无线传感器网络信号在林区中不同环境下的传播特性；以无线传感器网络节点的接收信号强度(received signal strength indication,RSSI)作为信号衰减程度的指标进行测量和分析，拟合4种环境中两频率的RSSI值与通信距离之间的模型曲线；根据测试数据分析不同频率无线信号在不同环境下的传播特性，旨在为无线传感器网络在林业生态环境监测中组网和部署提供参考.

1 无线信号传播模型

无线电波信号传播存在的多种效应使其产生损耗，固定端的无线通信系统主要存在路径损耗、阴影效应和多径效应.路径损耗是由于电磁波辐射向外扩散导致的能量消耗及信道传输特性造成的.阴影效应是在发射端与接收端之间存在如树木、楼房等障碍物时，电磁波被障碍物吸收、反射和散射等导致信号在到达接收端时功率减弱.多径效应是电磁波通过多条路径如反射、直达、折射等到达接收端，各个路径的路程不同，导致各路径中电磁波到达接收端的时间不同，从而使波形的相位不同.接收机会将这些电磁波叠加，同相使接收信号强度增强，反相则使接收信号减弱，从而造成信号间存在码间干扰.在工程应用中，一般认为电磁波的损耗与距离的对数成正比关系[8-10]：

(1)

式中，PL为电磁波衰减值；η为衰减指数；d为发射端到接收端的距离.

对于不同电波信号、不同网络结构和不同应用场景，国内外比较经典的传播模型有Hata模型、Walgish-Ikegami模型、LEE模型、Longley-Rice模型、Durkin模型等.这些传播模型大多是在特定环境下经测试构建出来的.目前适用于无线传感器网络等低功率信号模型主要是简化的对数距离损耗模型[11-13]，如下式所示.

PR(d)=A-10ηlgd

(2)

式中，PR为接收信号强度；A是距发射源1 m处的接收信号强度.

A值主要和设备的发射功率有关，相同设备不同环境下其值差距不大.由式(2)可知，接收信号强度与距离之间的关系主要由衰减指数η值决定.本文主要研究不同林区环境对不同频率无线信号传播的影响，通过式(2)对测得的数据进行拟合，用η值来表征环境因素对于信号传播的阻碍，即该环境下的无线信号传播特性.

2 研究方法

2.1 试验装置

本试验需要测量双频段的信号衰减，使用自主设计制作的GreenLab节点模块.该节点由三部分组成，分别为主控制器模块、收发器模块和人机交互模块.主控制器使用ST公司的STM32L151C8T6低功耗ARM Cortex-M3内核微处理器，主要与收发器模块通信，实现控制收发器工作和数据传输，连接人机交互模块和上位机，方便试验操作和数据读取.433.0 MHz频段收发器模块使用Semtech公司的SX1278收发器芯片，该芯片支持LoRaTM和FSK/OOK调制解调方式，达到+20 dBm最大射频功率输出，以及低至-148 dBm的接收灵敏度，并具有127 dB的RSSI动态范围.本节点通过SPI接口设置该芯片相应的寄存器，使其工作在433 MHz，发射功率+10 dBm，并使用LoRaTM调制解调方式，扩频因子设置为12，RSSI数据是通过SPI接口读取RegPktRssiValue寄存器的值，并将其转化成dBm单位的值.2.4 GHz频段收发器模块使用TI公司的CC2530芯片，该芯片内部集成51内核，可以使用Z-Stack协议栈控制数据收发.Z-Stack可设置最大发射功率为+3 dBm，接收强度灵敏度为-91 dBm.为了与433.0 MHz收发器发射功率匹配，本节点还选用CC2592功率放大芯片作为功率放大器，并在Z-Stack修改其发射功率为+10 dBm.其RSSI数据通过读取Z-Stack协议栈afIncomingMSGPacket_t结构体中的“rssi”变量并将其转化成dBm单位的值，通过USART通信接口将数据发送给主控制板.另外两种收发器模块均配用5 dBi增益的全向天线，提高信号收发能力(表1).人机交互模块主要由按键模块和OLED模块组成，按键和OLED分别通过I/O接口和IIC接口与主控板相连.OLED模块可以实时显示节点的工作状态以及试验数据，同时为了避免两频率收发器同时工作带来的相互干扰，可以通过按键控制节点工作模式进行试验工作.GreenLab节点的组成以及实物如图1所示.

在对小型农田水利工程建设资金投入上，财政部门应当建立起相应的新机制来专门管理其资金分配，并逐渐加大资金的投入力度。同时，对于参与投资小型农田建设的民众，政府应适当地制定一些优惠政策。另外，政府部门应对其财政收入的分配进行一定的调整，使得新的分配制度中能够拿出更多的资金来开展小型农田水利建设。

表1 收发器主要参数Table 1 Main parameters of transceiver

2.2 试验环境

试验地点主要选在东北林业大学试验林场(126°63′13″E，45°72′24″N).林场中有不同树种的试验林，主要树种为胡桃楸、水曲柳林、兴安落叶松和黄檗等.经过实地考察，选择疏林、密林、林间小路以及草坪4个试验场地进行试验.(1)密林试验场地选择在水曲柳林，主要树种为水曲柳，混有樟子松和蒙古栎等乔木，还有乌苏里树李、暖木条荚蒾等灌木.除了灌木，林木平均树高20 m，林分密度880株·hm-2，平均胸径18 cm，最大胸径38 cm.(2)疏林试验场地选择在胡桃楸林，主要树种为胡桃楸，混有少量的黄檗和水曲柳.除去灌木，林木平均树高18 m，林分密度544株·hm-2，平均胸径20 cm，最大胸径32 cm，林木密度较疏.(3)林间小路试验场地选择在东北林业大学试验林场的白山路，路长170 m左右，路宽2.5 m，路两边树木相距3 m左右，树木主要为黄檗和兴安落叶松.(4)草坪试验场地选择在东北林业大学校园的草坪，草坪面积约为120 m×70 m，周围有少量的树木.室外温度在20 ℃左右.4种试验场景如图2所示.

2.3 试验方法

由于场地原因，本试验只测量0～100 m范围内信号衰减情况.在选好的试验场地，为了保证信号完全处于有效的测试环境中，将发射端节点固定在距离场地边缘大于10 m的位置.为了方便测量，发射端和接收端节点均固定在1.0 m高度.从发射点位置出发使用百米架式卷尺量取100 m的距离，每隔2 m做标记.本试验需要测量双频段的信号衰减数据，为了避免双频段的相互影响，将两频段分开测量.试验过程为首先测量433 MHz频段在距发射节点1 m处的RSSI值，并取均值作为该环境的A值；之后以2 m为步长依次测量距离发射节点2、4、6，…，100 m处的RSSI值(图3).为了避免偶然误差和设备误差，本试验使用两套收发节点，在每个位置上各记录20组数据包的RSSI值，取其平均值作为最终数据来源;然后用相同的方式测量2.4 GHz频段的RSSI数据.

3 结果与分析

3.1 4种环境下RSSI试验结果

在4个场地中按照试验方法，使用两套收发节点分别测得双频率下每个位置20组信号的接收强度值，然后将每个位置测得的RSSI值取平均值绘制出曲线图，结果如图4所示.

从图4可以看出，在4种场景中实测的两频段信号的RSSI值总体上都随着距离的增加呈衰减趋势.在前20 m内衰减较快，随着距离增加，衰减速度渐缓，符合对数距离损耗模型的信号衰减趋势.不同的环境，信号衰减的程度不同，其中密林环境障碍物最多，对信号衰减的影响最大，随着环境中障碍物数量的减少，信号传播衰减程度也减小.在密林场地(图4)中，在80 m处的时候，受模块灵敏度影响，2.4 GHz信号通讯中断.从图4还可以看出收发节点之间的树木等障碍物对信号影响较大；与收发节点间没有障碍物的草坪场地对比，密林环境和疏林环境的RSSI值浮动范围比较大.障碍物对两频段信号的影响情况也大致相同，例如密林场地中36 m处测试点正好处于一棵树后面，导致两频段信号都出现衰减.但是在某些地点双频段信号的影响相反，例如疏林场地(图4)中34 m处，该测试点正好处于横向的两棵树之间，该处433 MHz信号衰减较大，而2.4 GHz信号反而变强.除了在密林场地2.4 GHz信号比433 MHz信号整体衰减的幅度大外，其余环境中2.4 GHz信号整体衰减幅度较433 MHz信号小.

3.2 数据拟合分析

选用对数距离损耗模型[式(2)]对测试的数据进行拟合，拟合出不同环境下不同频率信号的η值，用来表征该频率信号在该环境中传播特性.首先，测量出每个环境下不同频率信号接收节点距发射节点1 m处的RSSI均值，以此作为该环境下该频率的A值.各环境下不同频率的A值如表2所示.

然后，使用Origin数据分析软件对数据进行非线性曲线拟合，各环境下的拟合曲线图如图5所示,拟合曲线的η值，如表3所示.

由表3和图5可知，4种环境下不同频率的衰减指数η值为1.676～2.735，草坪环境的η值最小，并随着环境中障碍物数量的增加η值逐渐增加.结果表明环境因子与η值呈正相关，环境越复杂，衰减指数越大，环境对信号传播的阻碍影响越大.不同频率的衰减指数也略有不同，一般情况下相同环境的433 MHz信号的衰减指数稍大于2.4 GHz信号的衰减指数，但在密林环境中，反而要小于2.4 GHz频率信号的衰减指数.由于信号频率越高，穿透能力越强，但是信号穿透物体会损失很多能量，在密林环境中，树木等障碍物很多，高频率的信号穿透障碍物损失的能量也越大，导致其衰减指数较大.信号频率越小，其绕射能力越强，对于树林这种不连续的介质其损失的能量较小，相对穿透能力反而更强.为了更好反映出数据与模型之间的拟合关系，绘制4种情况下各频率数据与拟合模型曲线的残差图(图6)，并计算了4种环境下的决定系数R2值和均方根误差(RMSE)值(表4).由图6可以看出环境越复杂，残差值浮动就越大，与模型之间的拟合效果也就越差.由表4可知，4种环境下RSSI拟合曲线的决定系数R2值为0.904～0.956，RMSE值均小于4.结合残差图可说明本试验测量数据与对数距离衰减模型的拟合程度较好，而且环境越简单，拟合程度越好.除此之外还可以看出，除密林环境外，2.4 GHz信号在其他环境中比433 MHz信号传播更稳定，信号波动更小.

表2 4种环境下的A值Table 2 A values under four conditions

表3 4种环境下的衰减指数η值Table 3 η values of attenuation index under four conditions

表4 4种环境下的均方根误差RMSE值和决定系数R2值Table 4 RMSE and decision coefficients R2 under four conditions

4 小结

本研究测试了433MHz和2.4GHz双频段下的无线传感器网络节点在林区的密林、疏林、林间小路以及草坪环境下的信号接收强度；并将测试的RSSI数据与对数距离衰减模型进行拟合，分析环境因素对于不同频率无线信号衰减传播的影响以及产生这些影响的原因.本研究结果表明：

(1)环境因素对无线信号传播有很大的影响，环境越复杂，同样距离下信号衰减的程度越大，即衰减指数η值越大.测试数据与对数距离衰减模型拟合曲线的决定系数R2值均在0.9以上，RMSE值均小于4，证明该模型与实测数据的拟合度较好，适用于林区环境的信号衰减预测.

(2)相同环境下的不同频率信号传播特性略有不同，但差别不大.在简单的环境下，高频率信号凭借其能量高、穿透能力强的特点，其衰减程度略小于低频率的信号.在非常复杂的环境下，高频信号频繁穿透障碍物导致电波能量损失较多，信号衰减程度较大.而低频信号在复杂环境中凭借其绕射能力强等优点，信号衰减程度较小.

(3)环境因素对于信号传播稳定性的影响也较大.在草坪等几乎没有障碍物影响的环境下，信号波动范围很小.但在复杂的环境中，由于多径效应和阴影效应的作用，信号稳定性很低，在实地实时测量时，反应更为明显.而且一般环境下，低频率信号传播的稳定性不如高频率信号，信号的波动程度比较大.造成这一现象的原因也比较复杂.推测原因之一是433 MHz频率信号的波长(0.693 m)比2.4 GHz信号的波长(0.125 m)长,其对距离的敏感度更强.复杂环境中由于阴影效应的作用更明显，所占比重更大，造成2.4 GHz信号在复杂环境中更不稳定.