温室高湿环境下433MHz无线信道传播特性研究

苏光灿，毛罕平，邢高勇，眭 旸

(江苏大学 现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏 镇江 212013)

0 引言

无线传感器网络是当前国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式技术、现代网络、无线通信及分布式信息处理技术等，广泛应用于军事国防、工农业、城市管理、生物医疗及环境监测等领域，具有灵活性好、可靠性强、精确度高等特点，非常适合在农业信息采集方面的应用，可提高自动化水平、降低劳动力成本[1-3]。

农业环境复杂多变，尤其是温室环境，环境因子众多，无线信号的传播会受到植株、立柱、金属材料等因素影响，存在着因距离变化产生的大尺度衰落，以及因周围局部散射体产生的小尺度衰落[3-7]。因此，有必要研究温室环境下的无线信号传播特性。

目前，国内外学者对无线信号在温室环境下的传播特性进行了相关研究，李小敏、韩文霆、李萍萍、Raheemah A等人分别在兰花大棚、西红柿温室、青椒温室及芒果温室等环境下进行了无线信道传播特性试验，为温室内部无线传感器网络的规划和部署提供了基础[8-11]；但以上研究均未考虑温室内部高湿环境对无线信号的影响。

温室环境相对封闭，在阴雨天或寒冷的冬季，内部湿度可达90%，甚至更高，信号遇到空气中的水蒸气会发生散射，也会被植株叶片上凝结的水珠吸收。因此，研究温室高湿环境下无线信号的传播特性对于为无线传感器网络的规划和部署具有重要意义。

1 设备与方法

1.1 试验设备与场地

试验地点位于江苏农业科学院的一座连栋温室，该温室为5跨连栋钢结构，温室东西长为40m，南北长为32m，顶高3.8m，跨度8m，开间4m。温室内种植着甜椒，平均株高60cm，平均冠幅50cm，平均株距25cm，平均行距65cm。试验时，正值甜椒结椒期，植株生长茂盛，此时的温室环境为无线信号所遇的最恶劣环境。

试验设备选取美国德州仪器公司(Texas Instruments，TI)生产的CC1101射频芯片，其载波频率为433MHz，通讯码率选择250kb/s，接收灵敏度为-99dBm。将SmartRF04EB调试器与计算机相连，每次接收100个数据包，使用TI的SmartRF Studio 7获取无线信号的接收信号强度与丢包率。

1.2 试验方法

文献[10]表明：温室内同一高度下无线信号的衰减速率是一个比较固定的值，只会因为传播环境的变化而变化，不会受到来自传播方向的影响。

如图1所示：以温室整体区域为研究对象，重点考虑无线信号衰减严重区域特点。结合温室自身特点，以西南角为坐标原点，并在此位置放置发射节点，不间断发射数据包，东、北分别为x轴与y轴正方向，南北方向每6m设置一个接收节点，东西方向每8m设置一个接收节点，对角线方向每10m设置一个接收节点，并标注相应坐标点，共布置24个接收节点，对在相同收发距离下的不同坐标点所获取的数据取其平均值表征该距离下的信号质量。使用5台三路温度一路湿度记录仪，分别布置在温室东南西北角及中心位置，取其平均值代表温室内部湿度，并通过开关天窗调整温室内部湿度，确保湿度与标准值差在2%以内。发射和接收功率均固定为0，天线增益为12dBi。

图1 无线信道传播特性试验设计方案Fig.1 Experiment scheme used for testing radio channel propagation characteristics

1)三高度水平试验：在6个湿度水平(45%、55%、75%、85%、90%、95%)与3个高度水平(20、50、150cm)下分别进行收发试验，收发节点均固定在可调节高度的三脚架上。保持天线高度一致，在每个接收节点每次接收100个数据包，记录接收信号强度及丢包率，每种高度水平获取共计144组数据。建立无线信号在不同高度、不同湿度及不同收发距离下的接收信号强度及丢包率变化曲线，比较不同湿度水平下接收信号强度及丢包率，建立湿度与路径损耗指数之间的关系模型，并建立以湿度、距离为自变量接收信号强度为因变量的相关模型。

2)定点定高试验：选取(2,2)坐标，即A点，天线高度为150cm，每次接收100个数据包，记录实时湿度与相应的接收信号强度，湿度范围为35%～90%，探究空气湿度这一单一因素对无线信号传播特性的影响。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

2.1.1 接收信号强度

选取45%、75%、95% 3种湿度下所测取的数据，对相同收发距离的不同接收节点的接收信号强度进行均值处理后，结果如图2所示。

(a) 天线高度20cm

(b) 天线高度50cm

(c) 天线高度150cm图2 不同收发距离、不同高度和不同湿度下的接收信号强度Fig.2 Received signal strength indicator at different distance between nodes at different humidity and heights

接收信号强度在不同高度及不同湿度下表现出相似的传播特性，在0～10m时衰减较快，随后其衰减速率逐渐放缓，直至衰减到其接收灵敏度。

天线高度在20cm时，即无线信号在植株根部及地面传播时：45%与75%曲线交叉下降，95%曲线整体低于其他两条曲线；45%曲线与95%曲线接收信号强度最大差值发生在40m处，约为12dB，说明在这一高度水平下，湿度对无线信号影响较大。

天线高度为50cm时，即无线信号在植株冠层中传播时：3条变化曲线交替下降，95%曲线在0～15m与30～50m范围内低于其他两条曲线，最大差值出现在40m处，约为9dB，说明在这一高度水平下，湿度对无线信号影响明显。

天线高度为150cm时：3条曲线交替变化，95%曲线略低于其他两条曲线，最大差值出现在30m处，约为7dB，说明在这一高度水平下，湿度对无线信号有一定影响。

2.1.2 丢包率

对相同收发距离的不同接收节点的丢包率进行均值处理后，结果如图3所示。

(a) 天线高度20cm

(b) 天线高度50cm

(c) 天线高度150cm图3 不同收发距离、不同高度和不同湿度下的丢包率Fig.3 Packet loss rate at different distance between nodes at different humidity and heights

丢包率在不同湿度条件下变化较为复杂。当天线高度为20cm时，45%曲线与75%曲线变化相似，接收节点在42m处开始出现大规模的丢包现象，并在48m接近100%；而对于95%曲线，接收节点在39m处开始出现大规模的丢包现象，在42m接近100%，并在28m处发生小规模跳变，说明在这一高度水平下，湿度对丢包率有一定影响。

在天线高度为50cm时，45%曲线与75%曲线变化相似，接收节点在41m处开始出现大规模的丢包现象，并在46m接近100%；对于95%曲线，接收节点在35m处已经开始出现大规模的丢包现象，并在40m接近100%；在湿度为95%时，433MHz丢包率的跳变现象严重，说明在这一高度水平下，湿度对丢包率影响明显，高湿环境增加了在冠层传播的无线信号的不确定性。

相比于20cm与50cm的天线高度，150cm天线高度下的无线信号表现较好。湿度为45%时，接收节点在48m处开始出现大规模的丢包现象；75%湿度与95%湿度变化相似，接收节点在40m处就已经开始出现大规模的丢包现象，并在49m接近100%。这说明在这一高度水平下，湿度对丢包率有一定影响。

2.1.3 定点定高接收信号强度

图4为在天线高度150cm，收发距离20m处的接收信号强度与湿度变化关系图。由图4可知：当湿度在35%～80%之间时，接收信号强度降低缓慢，从-72.4dBm减少到-74.6dBm；但在80%～90%的湿度范围内，接收信号强度下降较为迅速，从-74.6dBm减少到-76.8dBm，说明80%以上的高湿环境对无线信号影响较大。

图4 定点定高接收信号强度与湿度关系图Fig.4 Received signal strength indicator at the same humidity and height

2.2 试验结果分析

2.2.1 路径损耗模型

路径损耗模型公式为

Pr=A-10nlgd

(1)

式中Pr—接收信号平均强度(dBm)；

A—回归分析模型参数，通常以1 m 处的平均接收信号功率表示(dBm)；

n—路径损耗指数，大小取决于无线信号的传播环境；

d—传播距离(m)。

其中，A和n值决定了接收信号强度和传输距离的关系。

2.2.2 定点定高试验模型参数分析

利用MatLab软件对在(2,2)坐标点获取的湿度及接收信号强度数据进行拟合，建立以湿度为自变量的一元二次方程，即

Pr=-0.001309x2+0.1008x-74.46

(2)

Pk=-0.002618x+0.1008

(3)

式中x—湿度(%RH)；

Pk—斜率。

其决定系数为0.906，此模型(见图5)可以有效预测天线高度150cm收发距离为20m处不同湿度下的接收信号强度。式(3)为其斜率模型，在40%以上湿度时，斜率的绝对值随湿度增大而增大，印证了高湿环境下无线信号衰减速率随着湿度增加而增加这一结论。

2.2.3 不同湿度下的模型参数分析

用MatLab软件对3个高度水平及6个湿度水平下的接收信号强度数据进行拟合，得到相应的A、n和R2。

图5 定点定高下接收信号强度与湿度关系模型Fig.5 Model of received signal strength indicator at same humidity and heights

3种天线高度在不同湿度下的路径损耗模型回归参数见表1～表3。由表1～表3可知：在不同湿度及高度情况下，433MHz衰减规律符合路径损耗模型，决定系数最大值为0.965 8，最小值为0.892 0，因此可用此模型预测其接收信号强度。

表1 20cm天线高度在不同湿度下的路径损耗模型回归参数Table 1 Regression parameters of path loss model in different humidity under 20cm antenna height

表2 50cm天线高度在不同湿度下的路径损耗模型回归参数Table 2 Regression parameters of path loss model in different humidity under 50cm antenna height

续表2

表3 150cm天线高度在不同湿度下的路径损耗模型回归参数Table 3 Regression parameters of path loss model in different humidity under 150cm antenna height

由其路径损耗指数变化图可知(见图6)：路径损耗指数与湿度成正相关关系，随着湿度的增加而增加；在湿度45%～75%之间时，路径损耗指数增加较为缓慢，湿度的增加对无线信号的传播影响不大。

图6 不同高度下湿度与路径损耗指数关系图Fig.6 Relationship between humidity and path loss exponent at different heights

在天线高度为20cm时，路径损耗指数增加了0.012，说明在这一高度水平，无线信号传播主要受到植物根部和地面的影响，而受湿度影响较小；在天线高度为50cm时，路径损耗指数增加了0.028，说明在这一高度水平下，无线信号传播主要受到植物冠层的影响，而受湿度影响不大；在天线高度为150cm时，路径损耗指数增加了0.071，说明在这一高度水平，无线信号传播受到了湿度的一定影响。而在75%～95%之间时，路径损耗指数增加较为迅速，湿度的增加对无线信号的传播影响较大。

在天线高度为20cm时，路径损耗指数增加了0.080，说明在这一高度水平，无线信号传播受湿度影响明显；在天线高度为50cm时，即无线信号在冠层中传播时，受湿度影响最为明显，路径损耗指数增加了0.162。由于在温室湿度为95%左右时，甜椒冠层处的叶片凝结了大量水珠，部分无线信号被水珠吸收，此外无线信号遇到空气中的水蒸气发生了散射和折射，两种因素共同导致接收信号强度的降低。在天线高度为150cm时，路径损耗指数增加了0.106，说明在这一高度水平，无线信号传播受到了空气湿度的一定影响，无线信号遇到空气中的水蒸气发生了折射和散射，从而导致接收信号强度的降低。

2.2.4 湿度系数修正模型

建立20、50、150cm 3种高度下湿度、路径损耗指数的关系模型，其决定系数分别为0.976 3、0.976 7、0.930 2，如表4所示。

表4 三高度水平下的湿度、路径损耗指数模型参数Table 4 Parameters of model between humidity and path loss exponent in three kinds of heights

n=P1x2+P2x+P3

(5)

根据以上3种模型，即湿度与路径损耗指数关系模型，将其带入路径损耗模型，可得3种高度水平下的湿度系数修正路径损耗模型。故3种高度下的路径损耗模型可依据湿度转化为

Pr20=A-10(0.0000646x2-0.00726x+3.389)lgd

(6)

Pr50=A-10(0.0001329x2-0.01525x+3.679)lgd

(7)

Pr150=A-10(0.0000577x2-0.00513x+2.987)lgd

(8)

3 模型验证

分别从距离、湿度两个角度对433MHz无线信号的湿度系数修正模型进行验证，分别将相关参数带入该模型，用MatLab进行拟合结果如图7所示。

(a) 湿度45%，天线高度50cm

(b) 通讯距离20cm,天线高度150cm图7 距离、湿度变化验证曲线Fig.7 Validation curve of distance and humidity change

选取17组天线高度为50cm，湿度为45%时的距离与接收信号强度数据，并利用MatLab中的corrcoef命令分别计算其相关系数，其为0.972 9。

选取25组收发距离为20m、天线高度为150cm的湿度与接收信号强度数据，其相关系数为0.968 1。

综上所述，该模型可在这3种高度水平下，有效预测温室中各点处的接收信号强度。相比传统路径损耗模型，本湿度系数修正模型可根据温室内部湿度对路径损耗指数进行调整，提高了传统模型的适用性及精度。

4 结论

1) 在不同湿度和高度下，温室环境下的433MHz无线信道传播特性符合对数路径衰减模型，拟合决定系数在0.892 0～0.965 8之间。

2) 在35%～80%范围内的湿度环境下，湿度的增加对无线信号影响不大；湿度在80%以上的湿度环境下，湿度的增加对无线信号影响明显，且高湿环境下，丢包率增加明显，易发生跳变现象。此外，本试验以温室整体区域为研究对象，各个坐标点的位置以及其所处环境的不同也是导致丢包率跳变现象的原因之一。同时，跳变现象也说明了温室环境的复杂性与多变性。

3) 当无线信号在植物冠层中传播时，高湿环境对无线信号影响最为明显，那是由于植株冠层处的叶片凝结了许多水珠，吸收了部分无线信号，也存在无线信号遇到水蒸气发生散射、折射等情况。

4) 当无线信号在空气中传播时，高湿环境对其传播影响有一定影响，因为无线信号在空气中传播时，遇到空气水蒸气时会发生了散射、折射。

5) 在3种高度水平下，本文根据路径损耗指数变化模型，提取了湿度系数，并将湿度系数带入路径损耗模型，从而建立了以实时湿度和收发距离为自变量，以接收信号强度为因变量的新路径损耗模型。从距离、湿度两个角度对模型进行验证分析可知：该模型可在这3种高度水平下，可有效地预测温室中各点处的接收信号强度。

6) 针对温室高湿环境及甜椒的生长特点，在部署无线传感器网络时，应将传感器节点部署在高于植株位置，以减少植株及高湿环境对无线信号的影响。