小麦田中天线高度对2.4GHz无线信道传播特性的影响

探索农田环境下无线信道传播特性,将为无线传感器网络部署与功率控制方面的研究打下基础。该研究在小麦田地中实地测试了不同生育期 2.4GHz 无线信号的功率衰减情况和丢包率,进而得出传输范围及路径损耗,并用MATLAB对路径损耗进行了回归分析。研究表明,小麦田中,信号衰减的速度随天线高度的变化单调递减,而传输距离随天线高度的变化单调递增,因此,天线的较优位置应略高于成熟植株（1.2 m左右）。同一天线高度下,小麦生长后期无线信号的衰减大于前期。2.4GHz 无线信号的衰减情况可用对数距离路径损耗模型来预测,理论值与测量值的相关系数在0.961～0.996之间。路径损耗指数与天线高度呈现对数衰减趋势;在同一天线高度下,路径损耗指数随着小麦的生长而增大。     

基于神经网络预测的无线传感器网络田间射频信号路径损耗

为解决应用无线传感器网络技术监测农田信息时无法快速预测射频信号路径损耗的问题,基于神经网络理论研究了田间路径损耗与其影响因素间的关系。试验中选取915和2 470 MHz 2个载波频率,在冬小麦的不同生长阶段测量射频信号在田间各影响因素作用下的路径损耗,建立和验证基于神经网络的射频信号田间路径损耗预测模型。所建立模型模拟值与实测值的相关系数为0.92,应用建立的神经网络预测田间射频信号路径损耗并与实测值对比,最大预测误差绝对值为4.186 dB,最大预测标准差为2.759 dB,预测准确度为94.2%。所建立的BP网络可以对田间射频信号路径损耗进行预测。     

苹果园中2.4 GHz无线信道在不同高度的传播特性

为解决苹果园中无线传感器网络的规划和部署问题,该文研究了苹果成熟时苹果园中2.4GHz无线信道在不同高度的信号衰减和丢包率情况。通过实地试验测量了沿着一列果树由距离地面高度0.50m主干处至3.00m处冠层顶部9个高度下各10个距离点的接收信号强度和丢包率,并对试验数据进行回归分析。研究表明:在不同高度层,2.4GHz信号衰减均符合对数路径损耗模型,模拟的相关系数在0.915～0.983之间;高度1.00～2.25m之间信号衰减均较快。高度大于2.25m时,衰减速度随着高度的增加递减,在冠层顶部高3m处达到最小值。因此,苹果园中天线最宜部署在高约3.00m处的冠层顶部或略高于此,其次为高度大于2.25m的冠层上部且较高的位置。同时,建立了用于预测2.4GHz信号在成熟期果园中的信号衰减模型并用额外的数据进行了验证。结果表明:该模型能较好地预测不同高度处不同传输距离点的接收信号强度,为苹果园中无线传感器网络的应用提供了技术支持。     

多路径下桃园射频信号传输特性

为解决无线传感器网络在桃园中的快速部署问题,该文研究了2.4 GHz无线射频信号在桃园中的传播特性。依据角度选取4条传输路径,在3种(0.5、1.5、2.5 m)典型的天线高度,同时测量丢包率和路径损耗情况,分析表明两者具有明显的相关性,天线高度和通信距离是路径损耗的主要影响因素。在天线高度为0.5和1.5 m时,可靠传输距离为6个行距(27 m);在天线高度为2.5 m时,可靠传输距离大于14个行距(63 m),因此冠层顶部为布设天线的最佳位置。对路径损耗数据进行回归分析,发现其在每种天线高度,每条传输路径下对数模型最适合作为路径损耗模型,模型的R2最大为0.945,最小为0.732。为研究节点部署于桃园任意位置时的路径损耗情况,便于节点快速灵活地部署,在3种天线高度下对路径损耗数据进行对数回归分析,R2最大为0.976,最小为0.939。最后对2组模型进行了验证,表明模型可以预测射频信号在桃园中的路径损耗情况,该文研究结果为无线传感器网络在桃园中的部署提供了参考。     

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

为解决橘园中无线传感器网络（WSN）规划和快速部署问题,该文基于无线射频信号的传播特性,研究了橘园中WSN射频信号与影响因素间的关系。试验中选取433 MHz载波频率,基于连续无线电波分析了WSN射频信号受植被深度、天线高度和通信距离等因素联合作用下射频信号在橘园的衰减情况,建立了橘园中不同影响因素作用下,433 MHz无线射频信号接收强度与环境传播因子及通信距离间的线性模型,拟合曲线的R2最低为0.797,最高为0.980,验证了此模型用来预测橘园中影响因素对接收信号强度衰减趋势的可行性;得到了基于无线射频信号接收强度指示下不同植被深度、天线高度和通信距离变化联合作用下的最佳天线高度分布表,为无线传感器网络在橘园中的节点部署提供指导。     

柿园无线传感器网络信号传输损耗研究

为探究柿园无线传感器网络信号传输特性,该文研究了在2.4 GHz无线信道下柿树处于萌芽期、幼叶期和花期3种时期时无线网络信号传输的衰减情况。试验中分别在柿子树萌芽期、幼叶期和花期3个生长时期下选择一列长势均匀的柿树,通过调节子节点和汇聚节点装置的高度和距离测量柿子树从距离地面3个高度冠层底部(0.8 m)、冠层最密部(1.8 m)和冠层顶部(2.8 m)处各8个距离点的链路质量指示值(link quality indicator,LQI),并对试验数据进行分析。结果表明LQI值随着距离的变化呈正弦曲线式衰减趋势。萌芽期时子节点和汇聚节点的高度均位于冠层顶部时,节点间距38 m时是最佳位置;幼叶期时子节点和汇聚节点的高度均位于冠层顶部,节点间距32 m时是最佳位置;花期时子节点和汇聚节点的高度均位于冠层顶部时,节点间距26 m时是最佳位置。通过对3次数据进行曲线拟合分析分别建立了在2.4 GHz信道下信号衰减模型,其中3种生长时期下均是三次多项式模型决定系数R2最大,为最适模型。果园中无线传感器网络信号传输损耗的研究为在果园中无线传感器网络节点部署提供了技术基础。     

兰花大棚内无线传感器网络433MHz信道传播特性试验

不同的应用环境对无线传感器网络的性能有一定的影响。该文针对兰花大棚环境中无线传感器网络节点部署的要求及其应用环境的特性,以433 MHz为载波频率,研究了无线射频信号的传播特性和无线信号与影响因素之间的关系,影响因素包括发射功率、数据包长度、距离、发射端位置等参数,获得了接收信号强度、丢包率等数据,并进行了统计分析。试验结果表明,该无线传感器网络信号的衰减符合对数模型,其决定系数R2最大为0.9246,最小为0.8753;发射功率为0和-5 dBm时,信号较强、通信成功率较高;发射功率处在0和-20 dBm时接收信号强度波动较大;在数据传输速率为1.2 kbps、和调制扩频为高斯频移键控方式等参数确定的情况下数据包的长度对丢包率的影响很小。在上述试验研究的基础上,建立了发射功率和接收信号强度之间的关系模型,模型参数与发射功率之间、传播环境因子n与发射功率之间成二次多项式关系,相关系数分别达到0.9967和0.8686;验证试验结果表明：该模型可以较好地预测不同发射功率不同通信距离的接收信号强度,为兰花大棚无线传感器网络的组建提供支持。此外,设计了接收信号强度三维曲面图和等高曲线图,可直观反映兰花大棚环境下无线信号的传播特性,为今后无线节点布置与组网提供依据。     

人工林内射频信号传输绕射规律分析

为解决无线传感器信号在人工林内传输时节点接收不到信号或通信质量差的问题,该文根据人工林的特点,采用4层独立介质简化方法,将人工林内场强模型简化成自由空间模型、衰减屏模型、吸收屏模型3个独立模型,基于波传播的局部性原理和过渡区一致性劈绕射理论,应用Kirchhoff-Huygens近似,推导了吸收屏绕射场强模型。并以白杨木人工林为采样区域采集数据,将90组实测样本平均分为9组,分别用3种模型计算各组的预测值并与实测值进行t检验,结果表明:绕射场强理论预测t值[0.242,2.193]小于t0.05,无显著性差异,可以用理论预测值代替实测值进行信号的分析和计算,距离越近可信度越高,而经验模型和半经验模型存在显著性差异,不适合用于人工林内绕射场强预测。研究结果为无线传感器网络林内优化布置策略提供了一个新思路,成果也可为林区的其他射频信号通讯技术开发提供理论支撑。     

水产养殖参数无线测量网络的长生命周期研究

在水产养殖参数的无线测控网络中,测量节点能耗不均匀,个别节点由于能耗大过早失效,降低了网络的有效生命周期。该文对采用平面路由协议和低能量自适应分群分层路由协议(LEACH)的测控网络进行对比试验,发现采用LEACH协议网络的有效生命周期延长19%以上。在LEACH协议的水质参数测量网络中存在2个缺陷:一方面无线测控网络中每个簇的簇首功耗远远大于普通节点,LEACH协议通过等概率随机选择簇首部分改善了节点能耗的均衡性,但水产养殖参数监控中每个簇首功耗不同,为此在LEACH优化协议中依据节点剩余能量的多少选择簇首,使节点的剩余能量更趋均衡;另一方面水产养殖池中距离基站较远的节点容易提前失效,主要是因为监控面积大,簇首节点与基站采用单跳通信,远距离节点被选为簇首后向基站发送数据通信距离远,路径损耗采用多路径衰落信道模型,衰减指数为4。在优化协议中,对远距离簇首与基站通信采用双跳通信,使路径损耗采用自由空间信道模型,衰减指数为2。试验表明,无线传感网络有效生命周期延长了8%,各节点失效时间更趋接近。     

玉米田环境中915MHz直接序列扩频系统性能仿真

在面向农业应用的无线传感器网络中,用于裸地和草地的直接序列扩频收发器能否适应农田环境,需要进一步的研究探索。该文用Simulink 仿真了915MHz直接序列扩频系统与农田环境下的无线信道,多径衰落模型根据 Saleh-Valenzuela模型修改而得,路径损耗模型是根据成熟期玉米地实地测量得到的数据分析拟合而得。仿真结果表明,小尺度多径衰落对系统性能的影响较大,直接序列扩频系统可以在一定程度上补偿多径衰落的影响,但在多径现象严重的玉米田环境中,补偿能力非常有限,仅在很短的传输范围内（＜80 m）系统性能良好,很难满足面向广域空间农田信息采集的无线传感器网络的要求。扩频技术虽然在无线传感器节点设计中被广泛应用,但在传输环境恶劣的农田环境中,并不是一个最优的解决方案。     

基于Ecotect的不同墙体材料猪舍光热环境和热性能分析

北方地区冬季寒冷漫长,为探究北方冬季养猪的采光及保温问题,该文基于Ecotect软件,以吉林省内某大型猪场的典型猪舍为对象,等比例建模仿真,研究猪舍的光热环境及猪场生产区光环境,探究猪舍内不同高度的采光系数及猪场生产区采光情况,分析4种形式不同墙体材料猪舍的保温性能。结果表明,试验猪舍各研究高度采光系数均高于2%,满足绿色建筑标准;猪场生产区采光良好,在大寒日的太阳辐射量可达5.38 MJ/(m2·d),日照充足无遮挡;通过对比4种形式不同墙体材料猪舍的逐月能耗值,计算出4种形式猪舍中黏土多孔砖猪舍、泡沫混凝土猪舍、酚醛夹芯板彩钢猪舍和低密度聚乙烯薄膜温室大棚猪舍的保温性能最好,考虑成本后更推荐炉渣砖砌体猪舍、粉煤灰加气砌块猪舍、聚苯夹芯板彩钢猪舍和低密度聚乙烯薄膜温室大棚猪舍;通过将试验实测值与软件模拟值进行数据对比,计算得出相对误差范围为0.74%～8.62%,验证了模型的可靠性。该文可以为探究北方猪舍的光热环境提供理论依据,为建筑设计师在方案实施前提供更多优化设计方案的思路。     

农业生态环境监测中无线传感节点信号有效传输距离的确定

农业生态环境的物理形态和结构复杂多样,对WSN（wireless sensor networks）的无线信号传输造成不同衰减影响。为确保无线传感器网络在农业环境中经济、合理、高效部署,有必要明确典型农业环境中无线传感节点间的有效传输距离。该文基于Shadowing信号衰减模型,利用当前通用的CC2530和CC2591无线通信模块,分别选定4种不同农业环境（湖泊、草地、农田、树林）开展单跳组网试验,通过设定不同距离测试传感器节点的接收信号强度指标（received signal strength indication,RSSI）,分析不同环境中RSSI与传输距离间的变化特征。试验结果表明,所有测试环境获得的RSSI值与有效距离遵从Shadowing模型,其拟合度在0.9232～0.9846之间。通过对实测数据建立拟合模型,以接收节点的灵敏度为临界值,计算出湖泊、草地、农田、树林4种环境的理论传输距离分别为663.3,419.3,208.0和79.5 m,而实测有效传输距离与理论值之间的相对误差在22%～34%之间。从误差分布看,复杂环境的实测值更接近理论值,而特殊结构的复杂环境似对实际信号传输有增强作用。该文的研究方法和模型估算获得的信号衰减系数可为实际环境监测组网提供有益参考。     

基于780MHz频段的温室无线传感器网络的设计及试验

针对以往农用无线传感器网络(wireless sensor network,WSN)能耗与成本较高、传输性能不理想等问题,该文选用无线射频芯片AT86RF212、单片机C8051F920等,设计了一种工作在780 MHz中国专用频段且与IEEE802.15.4c标准兼容的无线传感器网络。该文简述了无线传感器网络节点结构,重点介绍了780 MHz无线传感器网络的硬件设计,并选择北方典型的日光温室作为试验研究环境,通过改变无线收发距离,对780、433和2 400 MHz频段的无线传感器网络节点的接收信号强度值(RSSI,received signal strength index)和平均丢包率(PLR,packet loss rate)进行了测试与分析。试验结果表明,3种不同频段的无线收发模块的接收信号强度值RSSI都随着收发距离的增大而减小。在温室内测试,收发距离小于20 m时,3种无线模块的RSSI值相近;收发距离为40~90 m时,7803 MHz模块比433 MHz模块的RSSI值略大,2.4 GHz的RSSI值最小。在温室内收发距离小于90 m的范围内,780 MHz模块和433 MHz模块的丢包率均为0,2.4 GHz模块的最高丢包率不超过5%。在温室间测试,收发距离为50~90 m时,780 MHz模块和433 MHz模块的RSSI值相近;收发距离大于90 m时,780 MHz模块比433 MHz模块的RSSI值大;2.4 GHz模块在温室间收发距离为50~140 m时的RSSI值均小于433、780 MHz。2.4 GHz模块在收发距离大于70 m时出现丢包现象,收发距离大于135 m时丢包率达到100%;温室间收发距离为140 m时,433 MHz模块的最大丢包率为11%,780 MHz的最大丢包率不超过6%。因此,在温室环境监测的应用中,780 MHz频段的无线传感器网络的传输性能表现最佳,且与433 MHz都明显优于2.4 GHz。     

基于无线传感器网络的农田信息采集节点设计与试验(简报)

研究基于ZigBee协议的无线传感器网络技术,结合嵌入式处理器开发了无线传感器网络节点和汇聚节点。网络节点规则分布在被监测区域,负责采集土壤水分信息,并自组成网,将信息发送给汇聚节点,实现对信息的动态显示和大容量存储;节点天线分别在0.5、1.0、1.5和2.0 m 4个高度下,对小麦苗期、拔节期和抽穗期3个典型的生长时期进行试验,得出无线电信号在小麦不同生长时期,最佳天线高度下的有效传输距离,为无线传感器网络在农业中的应用提供技术支持。     

钾肥生产原卤井无线传感器网络监测系统

针对钾肥生产中原卤井位置分散、人工巡检不及时、工作环境恶劣和采卤泵故障率高的现状,设计了基于无线传感器网络(wireless sensor network,WSN)的钾肥生产原卤井监测系统。系统包括集成CC2530和传感器构成的采集终端,结合ZigBee与GPRS技术完成数据汇总和远距离传输的汇聚终端和利用PHP与My Sql开发的用于数据接收、存储、显示,管理和决策支持的远程管理系统。系统测试表明监测系统能够可靠地监测采卤井,准确地反映采卤泵运行状态和采卤井液位。可靠性测试表明传感器节点有13.5个月的有效生存时间;在30 m通信范围内,发射功率大于1 d Bm时,节点丢包率小于3.6%,具有较高的通信可靠性。