基于433 MHz LoRa信号的森林传播特性研究

2022-09-28唐政权杨磊周雯

林业工程学报 2022年5期

唐政权，杨磊，周雯

(南京林业大学信息科学技术学院，南京 210037)

无线传感器网络作为一种新型的信息获取和处理技术，凭借其精确性高、灵活性强、性价比高、可靠性好等优点，在现代林业领域具有广泛的应用前景。通过布置在树木环境中的诸多节点，无线传感器网络可获取节点信息，并将信息通过无线网络传输至用户，解决智慧林业中信息准确获取的难题[1-2]。无线传感器网络在林业中的应用，将进一步推动国家的智慧林业建设[3-4]。LoRa(long range radio，远距离无线电)作为一种局域无线传感器网络技术，传输距离远但功耗低，且LoRa的使用寿命长，在人工林无线传感器网中极具潜力。

研究人员对于无线传感器网络在林业中的应用做了许多工作。谭星等[5]研究了不同天线高度和环境下433 MHz LoRa信号接收强度与距离的关系，将试验数据进行拟合并验证，结果表明LoRa信号的传输遵从路径损耗模型。刘铧[6]研究了2.4 GHz无线传感器网络信号人工林环境路径损耗，采用BP神经网络实现了人工林中实际场强和节点最大有效通信距离的预测。陈明等[7]研究了马尾松林中不同高度下测试点的接收功率，采用对数衰减模型预测433 MHz无线信号在马尾松林的路径损耗，给出马尾松林环境下对数损耗模型的范围及条件。戴天虹等[8]分别研究了433 MHz和2.4 GHz频段下无线传感器网络信号在不同环境下的信号接收强度与信号频率、环境及通讯距离的关系，采用对数距离衰减模型拟合试验数据，得出两种频段无线信号在不同环境中的衰减特点。刘海洋等[9]研究了针叶林中433 MHz无线射频信号强度与环境因子及通信距离间的损耗模型，得到了无线传感器网络在不同密度针叶林下最佳天线高度和传播距离。

针对无线信号在森林中的传播特性研究，现有工作大多采用传统的路径损耗模型，而这种模型精度不高；并且现有工作涉及的林业环境多数较为单一，对于不同林业环境[10]和天线高度等多种因素下的传播特性分析不足。

本研究采用常用的433 MHz频段LoRa信号[11-12]作为无线信号收发器，选取鹅掌楸林、林间小路、刚竹林、疏林以及空旷地等几种不同的自然环境作为研究测试地点，对无线传感器节点的接收信号强度指标值进行测试及分析；分别基于传统路径损耗模型和新的模型拟合出不同环境下RSSI值[13]和传输距离[14]的曲线，通过对比，发现新模型的拟合精度更高；进一步分析森林环境中若干因子对无线信号传播特性的影响，为无线传感网络更好地应用在林业环境中提供依据。

1 研究方法

1.1 试验区概况

试验地点主要选在南京林业大学新庄校区及下蜀林场。下蜀林场中种植培育了很多不同树种的测试林，经过实地考察以及测量完成度预估，最终选择以下4块试验场地进行试验：①刚竹林，作为特密林试验场地，混有杂草以及少量低矮枯树干，平均竹高8 m，平均胸径8.6 cm，林分密度为2 267株/hm2；②鹅掌楸林，作为疏林试验场地，混有非常少量的杂草，鹅掌楸平均树高为12 m，平均胸径约27 cm，最大达到32 cm，林分密度为1 450株/hm2，种植密度较刚竹疏很多；③林间小路环境是在南京林业大学体育馆旁的樱花小道，道路全程直线距离150 m左右，宽约2.5 m，路两边的樱花树间隔约1.3 m；④空旷试验场地在南京林业大学操场。测量时室外温度约15 ℃。4种试验场景如图1所示。

图1 4种试验场景Fig. 1 Four test scenarios

1.2 试验装置

本试验选取Arduino Dragino公司生产的LG01通信设备。LoRa通信模块采用SX1278模组，使用频段为433 MHz，通过SPI总线与微控制器连接。客户端和服务器(LG01)节点均采用SX1278核心芯片，在同一个信道内，以带宽125 kHz、波特率9 600 Bd，采用循环方式进行通信。SX1278芯片可以通过6个输入输出引脚将工作状态反馈给微控制器MCU。

微控制器MCU负责协调管理各个模块的运行，能够实现低功耗传输数据。MCU通过串口与USB数据通信电路进行连接，数据发送时，通过电脑端串口助手软件进行实时观察；MCU也通过串口将所需数据传输给无线通信模块；通过双工同步串行总线接口与传输模块连接，模块的调制解调器可以实现数据的传输与发送。采用CH340G芯片实现USB转串口的功能。

1.3 试验方法

为了保障测量的精确性，在选择试验场前对目标样地进行人工逐个勘察，根据试验需求选取具有以下条件的场地：地面平坦、林中杂木少、种植密度均匀以及占地面积大于2 hm2[9]。

由于场地原因，本试验根据LoRa装置最大通信距离来决定测量0～100 m的信号衰减特性。为了使节点的无线信号在进行通信测量时能够完全处于林分环境中，在选好的试验场地中放置发射端时，使其距离林地边缘尽量大于10 m。为保证测试的稳定性，将发射端和接收端节点固定在可调节高度的支架上。本次试验需要测量接收端的RSSI，为了保证数据的偶然误差最小化，每组测量3次，取均值作为该次测量的RSSI值。首先测量LoRa接收节点在距离发射节点1 m处的RSSI值，作为后续路径损耗模型拟合使用，之后依次测量距离发射节点2，4，6，…，50 m处的RSSI值，如图2所示[8]。

图2 测量方案Fig. 2 Measurement diagram

2 结果与分析

2.1 433 MHz LoRa无线信号林业环境测量结果与建模分析

测量了3种林业环境(密林、疏林、空旷草地)下LoRa无线信号的RSSI值，其中天线高度均为1 m。使用MATLAB软件进行建模分析，结果如图3所示。可以看出，不同的林业环境下，信号的RSSI值总体衰减趋势基本符合传统的对数距离损耗模型。在通信距离20 m内信号衰减速率较快，随着节点通信距离变远，衰减速度趋于平缓。林分密度对于信号的衰减有重要的作用：密林的林分密度最大，衰减最快，其次是疏林，再次是空旷草地。在距离60 m处，密林、疏林、空旷草地的RSSI值分别是-96，-85，-73 dBm，数值依次增大。总之，林分密度越小，则干扰物越少，信号衰减速率也越小。

图3 天线高度1 m时不同场景下实测RSSI值Fig. 3 RSSI with 1 m antenna under different scenarios

图4 不同天线高度下RSSI值与测试距离(d)的关系Fig. 4 RSSI v.s. distance d with different antenna heights

在林间小路和鹅掌楸林两种林业环境分别测试了不同天线高度下LoRa无线信号的RSSI值，使用MATLAB软件进行建模分析，结果如图4所示。由图4a可以看出，信号的RSSI值衰减基本符合对数距离损耗模型。给定测试距离d，天线高度0 m下的RSSI值低于天线高度0.5和1.0 m的RSSI值；天线高度0.5与1.0 m下的RSSI值基本重合。这是由于林间小路路面没有杂草，干扰物较少，以至于天线高度0.5和1.0 m的传播环境类似。图4b为LoRa信号在鹅掌楸林的传播特性。可以发现，信号的RSSI值衰减特性也基本符合对数距离损耗模型。给定测试距离d，天线高度1.0 m 时的RSSI值最大，其次是0.5 m，最后是0 m。0.5和1.0 m的情况有区分，这是因为鹅掌楸林有较多的杂草以及灌木，地面干扰物较多，导致两者的传播环境不同。此外，对比这两幅子图会发现，在相同的天线高度下，信号在鹅掌楸林环境下的RSSI值整体上低于林间小路的RSSI值，与图3的结论吻合。

2.2 新的路径损耗模型

传统路径损耗模型[15]可以表示为：

PR(d)=A-10nlgd

(1)

式中：A为无线收发装置间隔1.0 m处的接收信号强度值；d为收发节点的水平距离；PR(d)代表信号接收强度值；n为衰减指数，反映不同衰落环境对信号传播的影响程度。该损耗模型参数较少，对于RSSI值的拟合度不高。

为了提高拟合精度，对传统路径损耗模型进行改进，提出了新的路径损耗模型，表示如下：

(2)

2.3 新旧模型精度对比

度量拟合优度的统计量是决定系数R2，因此，采用R2来衡量模型的拟合性能。R2在[0,1]区间，R2的值接近1，说明回归直线对观测值的拟合程度较好；R2的值趋于0，则说明拟合程度较差。根据新的拟合模型，将鹅掌楸林和林间小路试验数据代入得到新的拟合曲线，与之前的曲线对比如图5、6所示。根据Origin软件拟合出来的结果，记录下不同测量环境不同天线高度下的R2，结果如表1所示。由表1可见，传统的路径损耗模型拟合度R2值最低是0.879 0，最高是0.946 3，而新的路径损耗模型拟合度R2值最低是0.928 1，最高达到0.963 2。可见，在同一种林业环境和天线高度下，新路径损耗模型拟合精度优于传统路径损耗模型。因此，本研究提出的新路径损耗拟合模型用来预测林区无线信号的衰减趋势更为精确。