引 言

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)越來越強(qiáng)調(diào)精準(zhǔn)化，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)可降低資源消耗， 增加作物產(chǎn)量。目前我國的農(nóng)業(yè)科技化進(jìn)程在不斷加深，這一進(jìn)程與信息化有著緊密的聯(lián)系，要實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)化，需要積極利用現(xiàn)代科技的發(fā)展成果，加快農(nóng)業(yè)信息化進(jìn)程，在此過程中可以將先進(jìn)的信息技術(shù)引入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)踐中。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為農(nóng)田生態(tài)環(huán)境地監(jiān)測開辟了新的途徑， 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠提供農(nóng)田信息實(shí)時(shí)快速采集、傳輸、處理、分析的集成化解決方案[1]。

無線信道不同于有線信道，它極易受噪聲干擾和其他信道因素的影響，而且由于信道的動態(tài)變化，這些因素還會隨著時(shí)間隨機(jī)變化[2]。因此在部署任何無線網(wǎng)絡(luò)之前都要充分考慮環(huán)境對信號傳播的影響，這是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)連通性和有效性的保證。同樣，在農(nóng)田環(huán)境下部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也要考慮農(nóng)田環(huán)境以及作物的生長態(tài)勢對無線電信號傳播的影響。由于無線傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供電，能量有限，一旦電池能量耗盡，節(jié)點(diǎn)就無法工作，甚至還有可能影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連通性。因此設(shè)計(jì)部署網(wǎng)絡(luò)時(shí)應(yīng)充分考慮節(jié)能，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。這就對節(jié)點(diǎn)的具體部署提出了要求，一方面要控制成本，節(jié)點(diǎn)不能布置太密。另一方面節(jié)點(diǎn)間隔太長會導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率過大， 使得單個(gè)節(jié)點(diǎn)能耗變大，而且間隔太長會影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通性。所以必須有一個(gè)具體的參考來決定節(jié)點(diǎn)部署的密度。這個(gè)參考必須從信道的路徑損耗模型出發(fā)，有了確定的路徑損耗模型就能確定節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍。

近年來，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道傳播特性的相關(guān)研究引起越來越多學(xué)者的關(guān)注。研究的范圍主要集中在無線體域網(wǎng)[3-5]，地下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[6-8]，野外傳感器網(wǎng)絡(luò)[9]，研究農(nóng)業(yè)環(huán)境下的傳感器網(wǎng)絡(luò)信號傳播特性的有果園環(huán)境[10]、玉米地環(huán)境[11]、大棚環(huán)境[12] 等 ；研究麥田環(huán)境下信號傳播特性的文章都是基于 2.4 GHz 頻段 [13,14]。本文研究 433 MHz 信號在麥田環(huán)境下的傳播特性，具有一定的新穎性。

1 測量環(huán)境及方法概述

1.1 麥田環(huán)境介紹

測量工作全部在位于北京小湯山的國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范基地完成，選取冬小麥麥田為測量環(huán)境。農(nóng)業(yè)科學(xué)上通常把小麥的生長過程劃分為 12 個(gè)時(shí)期，分別為 ：出苗期、三葉期、分孽期、越冬期、返青期、起身期、拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、開花期、灌漿期、成熟期[14]。該冬小麥在 10 月上旬播種，收割期為第二年 5 月末或者 6 月初。小麥處于不同的生長期對無線信號傳播的影響差異很大。因?yàn)樾←湻N植的密度、莖葉的粗壯程度、植株的高度都會發(fā)生變化，這些因素都會帶來無線信號的路徑損耗的變化。為了建立一個(gè)符合具體環(huán)境的路徑損耗模型應(yīng)該對小麥典型的生長時(shí)期信號傳播情況進(jìn)行測量， 比較無線信號在不同時(shí)期的傳播情況，得出組網(wǎng)時(shí)節(jié)點(diǎn)的鋪設(shè)密度。

為此，我們選擇了三個(gè)比較有代表性的生長時(shí)期進(jìn)行測量，分別為苗期、拔節(jié)期和成熟期（如圖 1 所示），前 5 個(gè)生長時(shí)期都屬于苗期，小麥的高度大都小于 10 cm，拔節(jié)期小麥的平均高度在 35 ～ 45 cm，成熟期的小麥最高可達(dá) 80 cm，平均高度在 65 ～75 cm，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(jī)制 [2]， 在農(nóng)田中部署無線傳感器節(jié)點(diǎn)可改變參量有節(jié)點(diǎn)高度和節(jié)點(diǎn)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， 莖桿的粗細(xì)、植株的高度、葉片的大小和密度都在變化，使得不同時(shí)期的路徑損耗情況差異較大。我們在測量每個(gè)生長期的數(shù)據(jù)時(shí)都相應(yīng)調(diào)整收發(fā)天線的高度，獲取不同時(shí)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(chǎn)的CC1101 無線射頻模塊作為發(fā)送端發(fā)送 433 MHz 信號，使用惠美公司生產(chǎn)的HMS3000 頻譜儀作為接收端，為了達(dá)到標(biāo)稱的天線增益，我們把收發(fā)天線高度設(shè)為相同高度，且收發(fā)天線的方向保持一致。

2 測量結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1 測量結(jié)果

測量了冬小麥在三個(gè)典型生長期的數(shù)據(jù)，每期都測量了多個(gè)收發(fā)天線高度。各時(shí)期小麥的平均高度如表1所示。在苗期， 分別測量了 0cm、20cm、40cm和 60cm；拔節(jié)期又加測了100cm高度的數(shù)據(jù) ；成熟期增加了 80cm和 120cm的數(shù)據(jù)。這么做的目的是更為了精確觀察接收信號強(qiáng)度隨天線高度變化的情況。

圖 2 顯示了苗期各個(gè)天線高度下的路徑損耗曲線，從圖中可以看出：

隨著距離的增加，路徑損耗越來越大，最大傳輸距離為100 m 左右；當(dāng)天線高度大于麥苗高度時(shí)，再增大天線高度對增強(qiáng)接收信號效果不大 ；當(dāng)收發(fā)節(jié)點(diǎn)距離大于 50 m 時(shí)，不同天線高度下的路徑損耗差別變小。

圖 3 和圖 4 分別給出了拔節(jié)期和成熟期的測量數(shù)據(jù)，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(yīng)也越來越嚴(yán)重，結(jié)果使得信號傳播距離變短。 從圖中可得出以下結(jié)論 ： 

路徑損耗明顯比苗期的要大，節(jié)點(diǎn)的傳播距離也更短 ； 天線高度對傳播地影響很大，從圖中可看出，無論是拔節(jié)期 還是成熟期，隨著天線高度的增加路徑損耗越來越小，當(dāng)天 線高度高于植株高度而繼續(xù)增加高度時(shí)是還是會帶來性能的 提升。

2.2 測量數(shù)據(jù)分析 

利用以上測量結(jié)果我們在 Matlab 里面對小麥各生長時(shí)期 的路徑損耗數(shù)據(jù)做回歸分析，得出路徑損耗遵循對數(shù)路徑損 耗的趨勢。路徑損耗與傳播距離 d 的關(guān)系為 ：

其中，n 為路徑損耗指數(shù)，不同環(huán)境下 n 值不同，它表示路徑 損耗隨距離增長的快慢，n 值越大損耗速度越快。

表 1 ～ 3 分別給出了小麥在苗期、拔節(jié)期、成熟期的擬合 分析結(jié)果，從表中的數(shù)據(jù)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(guān)系數(shù)除了最低的一個(gè)值 為 0.899，其它相關(guān)系數(shù)都在 0.95 之上。但隨著天線高度的增 加路徑損耗指數(shù) n 應(yīng)該是減小的，擬合結(jié)果卻正好相反。原 因是環(huán)境參數(shù) 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(nèi)，k 的值隨著天線高度的增加卻在減小，與此相對應(yīng)的是路徑損耗指數(shù)卻在降低。表明參數(shù) k 對路徑 損耗模型影響很大。從圖 2 ～ 4 可以看出，成熟期 0 cm 天線 高度時(shí)的路徑損耗最大，對應(yīng)應(yīng)該是 n 值最大。這里 n 值最小， 但 k 值最大。為了保證節(jié)點(diǎn)在小麥不同生長時(shí)期的聯(lián)通性，在 實(shí)際節(jié)點(diǎn)部署時(shí)，應(yīng)該以路徑損耗最大的模型作為參考模型。

結(jié) 語

本文研究了433 MHz 無線信號在麥田環(huán)境下的傳播特性與路徑損耗模型。根據(jù)三期的結(jié)果可以得出：接收點(diǎn)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(shù)并不是一直增大，整個(gè)路徑損耗模型還與環(huán)境參數(shù)有很大的關(guān)系。在幼苗期，因?yàn)槊缰旮叨容^低所以天線高度變化的同時(shí)，路徑損耗情況差別并不大，這里體現(xiàn)的數(shù)據(jù)是 n 值較大，而環(huán)境參數(shù)值 k 較小，節(jié)點(diǎn)的傳播距離也最遠(yuǎn)。在拔節(jié)期和成熟期，小麥對 433 MHz 傳播的影響非常大，天線高度為 0 的時(shí)候僅能傳輸 35 m 左右，但路徑損耗模型中的路徑損耗指數(shù)反而變小了，這點(diǎn)看似與測量數(shù)據(jù)相悖，其實(shí)問題在于：信號在傳播初期損耗了太多的能量，而后期已經(jīng)沒有多少能量可供損耗，因而在小麥的拔節(jié)期和成熟期，信號的路徑損耗模型中的路徑損耗指數(shù) n 值很小，而環(huán)境參數(shù)值 k 非常大。

從擬合的結(jié)果可以看出，相關(guān)系數(shù)最低為 0.899，其他數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)基本都在 0.95 以上，這表明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型的預(yù)測值有高度的相關(guān)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(jié)點(diǎn)應(yīng)該考慮在最惡劣的環(huán)境下也能通信，因此這里選擇損耗最大的成熟期數(shù)據(jù)作為部署參考，選擇將天線高度布設(shè)在 1.2 m ：

PL（d）=10*n*log 10（d）+k=22.97*log 10（d）+69.32