张佳薇, 张晓东, 李明宝, 赵永政

(1.东北林业大学机电工程学院， 哈尔滨 150040； 2.东北林业大学土木工程学院， 哈尔滨 150040)

林业环境监测[1-2]是森林资源保护与管理的基础，是建设现代林业[3]、实现智慧林业[4]的重要保障。传统的林业监测难度较大，部署成本高，监测数据分散且管理困难。无线传感器网络(wireless sensor networks， WSN)由大量部署在监测区域内的廉价微型传感器节点组成。这些传感器节点通过无线通信的方式，实现采集、传输和处理监测区域中监测对象信息的功能。无线传感器网络作为一种信息获取和处理技术，具有实时监测、智能化自组织、可靠性强、低功耗和低成本等特点，是一个有效解决林业监测的可行方案。

无线传感器网络发射功率、接收灵敏度低的特点，其信号传播易受环境的影响。尤其应用于农业、林业等环境复杂的领域，探究信号在复杂环境中的传播特性尤为重要。韩文霆等[5]研究了西红柿温室环境中2.4 GHz频段信号传播特性和通信距离、天线高度、传输路径等影响因素间的关系，并建立了衰减模型；李萍萍等[6]研究了种植青椒的温室中2.4 GHz无线信号在不同方向和高度下的传播特性；苏光灿等[7]以433 MHz为载波频率,研究无线信号在不同湿度及不同高度下的传播特性，建立了路径损耗指数与湿度之间的二次多项式关系模型；Meng等[8]研究了高频和特高频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。现阶段，面向林业监测无线传感网信号传播损耗模型的研究较少，且大多是集中于某单一环境针对单一频段信号损耗模型的研究，缺少在同一环境中针对不同波段信号传播特性的研究，以及针对不同树种对信号衰减的影响研究。

选用常用的433 MHz和2.4 GHz频段的无线信号收发器，针对水曲柳(FraxinusmandshuricaRupr.)林、兴安落叶松[Larixgmelinii(Rupr.)Kuzen]林、黄檗(PhellodendronamurenseRupr.)林、蒙古栎(QuercusmongolicaFisch.exLedeb)林以及胡桃楸(Juglansmandshurica)林5种环境，以信号在林中传播的衰减作为研究对象，研究不同频率无线传感器网络信号在不同林区环境下的传播特性。用接收信号强度(received signal strength indication，RSSI)值作为信号衰减程度的指标进行测量和分析，拟合5种环境中两频率的RSSI值和通信距离之间的模型曲线。根据试验结果分析不同频率无线信号在不同环境下的传播特性，为进一步研究无线传感器网络在不同林业生态环境监测中节点部署和整合组网提供参考。

1 无线信号传播模型

无线信号在传输过程中容易受到环境的影响而存在多种损耗，最常见的为由于电磁波辐射向外扩散导致的能量消耗以及信道传输特性造成的路径损耗(path loss)；由于在发射端和接收端间存在障碍物，电磁波被障碍物吸收、反射和散射等作用导致信号在到达接收端时功率减弱的阴影效应(shadowing)；电磁波会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，从而产生由波形的相位不同出现多径效应(multipath)等。随着传输距离的增加，无线信号传输过程的损耗也会增加，一般认为无线信号的损耗与传播距离的对数成正比关系[9-12]，如式(1)所示：

PL∝10ηlgd

(1)

式(1)中：PL为电磁波衰减值，dBm；η为衰减指数；d为发射端到接收端的距离，m。

比较常用的传播模型有Hata模型、LEE模型、Walgish-Ikegami模型、Longley-Rice模型、Durkin模型等。这些模型大多是针对特定的信号，在特定的应用场景以及网络结构下通过测试建立的。针对无线传感器网络等低功率的信号，目前应用比较广泛的是简化的对数距离损耗模型[13-15]，如式(2)所示：

PR(d)=A-10ηlgd

(2)

式(2)中：PR为接收信号强度，dBm；A为距发射源1 m处的接收信号强度，dBm。

A主要由发射模块的功率决定，由式(2)可知，接收模块的信号强度PR和距离d之间关系主要由衰减指数η决定。在不同林区环境下，测试不同频率无线信号的接收强度，用式(2)对测得的数据做拟合，用η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 材料与方法

2.1 试验装置

针对不同树种，采用课题组自主设计的GreenLab节点模块、分别测量433 MHz和2.4 GHz频段的无线信号衰减。GreenLab节点结构框图及实物图如图1所示，该节点由主控制器模块、收发器模块和人机交互模块三部分构成。

图1 GreenLab节点结构框图及实物图Fig.1 GreenLab node structure block diagram and physical diagram

节点主控制器采用STM32L151C8T6低功耗ARM Cortex-M3内核微处理器，433 MHz频段收发器模块使用Semtech公司的SX1278收发器芯片，2.4 GHz频段收发器模块使用TI公司的CC2530和CC2592芯片[16-17]。本节点通过设置SX1278芯片的寄存器，使其工作在433 MHz，发射功率+10 dBm，并使用LoRaTM调制解调方式，设置扩频因子为12，RSSI数据通过读取RegPktRssiValue寄存器的值并根据芯片手册的公式将其转化成dBm单位的值得到。2.4 GHz频段收发器模块使用CC2530芯片的Z-Stack协议栈控制数据收发，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 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”变量并根据手册将其转化成dBm单位的值得到。为提高节点的信号收发能力，为两种收发器模块配备了5 dBi增益的全向天线，两种收发器模块的具体参数如表1所示。

表1 两种收发器模块主要参数

2.2 试验环境

试验主要在中国黑龙江省哈尔滨市东北林业大学实验林场(126°63′13″E，45°72′24″N)进行，林场中有不同树种的实验林。选取了实验林中常见的东北树种：水曲柳、兴安落叶松、黄檗、蒙古栎以及胡桃楸5类树种进行试验。其中水曲柳林平均树高20 m，平均胸径18 cm，最大胸径38 cm，林分密度880 株/hm2，混有较多灌木，林分郁闭度在0.8以上；兴安落叶松平均树高20 m，平均胸径18 cm，最大胸径24 cm，林分密度864 株/hm2，林下有水曲柳、黄檗、榆树等幼树，灌木可见金银忍冬、乌苏里鼠李和层外植物山葡萄、刺南蛇藤等藤本植物，林分郁闭度达0.8；黄檗平均树高14 m，平均胸径14 cm，最大胸径26 cm，林分密度770 株/hm2，林下有樟子松、白桦、蒙古栎、榆的幼苗，灌木可乌苏里鼠李、暖木条荚蒾，林分郁闭度大于0.7；蒙古栎平均树高14 m，平均胸径14 cm，最大胸径18 cm，林分密度2658 株/hm2，无灌木层，林分郁闭度在0.8以上；胡桃楸林平均树高18 m，平均胸径20 cm，最大胸径32 cm，林分密度400 株/hm2，其中伴生有少量的水曲柳、黄檗以及低矮灌木，林分郁闭度在0.7 左右。试验时间选为2019年8月29日，此时林场中树木较为茂盛，对无线传感网信号干扰较大。试验林树种主要参数如表2所示，试验环境如图2所示。

表2 试验林树种主要参数

图2 试验环境图Fig.2 Experimental environment diagram

2.3 试验方法

由于试验林场面积的限制，仅测量信号在林场内0～100 m范围内的衰减情况，为了保证试验信号始终在有效的测试环境中，试验用的节点均安置在距离地面高度为1 m，距离林场边缘大于10 m的林场内进行，如图3所示。试验步骤如下。

(1)将试验用的收发节点设置在433 MHz频段的工作模式下。

(2)将发射节点固定在合适位置，保证发射的信号沿某一方向传输100 m均在有效测试环境中。

(3)测试距离发射节点1 m处的RSSI值，并取均值作为该环境的A值。

(4)以发射节点为原点，沿某一确定方向，每隔2 m测量一次RSSI值，每次测量记录20组数据，测量到距离原点100 m处停止。

(5)将收发节点设置在2.4 GHz频段的工作模式下。

(6)重复步骤(3)和步骤(4)。

图3 试验设计方案示意图Fig.3 Schematic diagram of the experimental scheme

3 结果与分析

3.1 试验结果

在5个不同树种试验场地中按照2.3节所述，分别测得双频段下每个位置的20组信号RSSI值，为减小试验误差，用第二套收发节点再进行测量，然后将每个频段下每个位置测得的40组RSSI值取平均值绘制曲线，如图4所示。

从图4可以看出，在5个不同树种试验场地中，433 MHz和2.4 GHz信号的RSSI值都呈现出随着距离的增加而逐渐衰减的趋势，并且在10 m处衰减最快，随着距离的增加，在40 m处往后衰减趋势逐渐趋于稳定，符合对数距离损耗模型的信号衰减趋势。不同树种的林场植被覆盖密度不同、林分郁闭度不同，信号的衰减程度也存在差异，林分郁闭度越大，林场伴生有灌木等障碍物多的，信号衰减程度大，反之衰减程度小。在图4(a)水曲柳林的2.4 GHz均值曲线中，受到林场中障碍物干扰以及节点自身灵敏度问题，80 m以后2.4 GHz频段接收节点采集的信号值波动较大，存在较大的误差，为保证试验数据的准确性，在绘制曲线时舍弃了该类数据，同理，还有图4(b)兴安落叶松林82 m往后的数据、图4(c)黄檗林72 m往后的数据。从均值曲线可以看出，水曲柳林、兴安落叶松林和黄檗林RSSI均值曲线衰减较为明显，因为此3种树木林场较为茂密，林分郁闭度均在0.8左右，且都伴生有低矮灌木，林场中障碍物多，蒙古栎林跟胡桃楸林信号衰减程度相对较小，因为两树种林场内障碍物少。在图4(d)中，虽然蒙古栎林林分郁闭度大于0.8，但蒙古栎胸径较小，且林中无伴生灌木，障碍物遮挡面积少，蒙古栎林的信号衰减程度相对较小。在同一林场环境中，比较不同频段的信号的衰减曲线，得出在灌木等障碍物较多，林分郁闭度较高的密林中，2.4 GHz信号比433 MHz信号整体衰减的幅度大；在信号衰减较小的蒙古栎林以及胡桃楸林中，2.4 GHz信号整体衰减幅度较433 MHz信号小。

图4 5种环境下实测的RSSI均值曲线Fig.4 The measured mean RSSI curves in five kinds of environment

3.2 试验分析

探究双频段信号在不同树种试验场地中的传输特性，在Origin数据分析软件环境下，用对数距离损耗模型[式(2)]对测得的数据进行拟合，分别拟合出不同树种试验场地中两种频段信号的η值，用来反映该频段信号在该环境下传播的特性。首先测定出不同频段信号在五种试验场地中的A值，即接收节点距发射节点1 m处的RSSI均值，如表3所示。

采用Origin数据分析软件，按照对数距离损耗模型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4所示。

图5 5种环境下实测的RSSI均值拟合曲线Fig.5 The measured mean fitting curve of RSSI under five kinds of environment

表3 5种环境下的A值

表4 5种环境下的衰减指数η值

由图5和表4可知，5种环境下不同频率的衰减指数η值介于2.297～2.853，胡桃楸林环境的η值最小，水曲柳林环境的η值最大，η值随着信号传播环境中障碍物的增加呈现增大趋势，说明环境复杂度和η值之间呈现正相关关系，环境越复杂，信号传播过程中受到的阻碍影响越明显，衰减指数也越大。在相同环境下不同频率信号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，因为2.4 GHz信号频率高，透射能力强，障碍物对信号的传输影响小，所以η值小；但在障碍物较多较密的环境中，例如在水曲柳林中，2.4 GHz频率信号的衰减指数大于433 MHz信号的衰减指，虽然高频信号透射能力强，但在在复杂环境中频繁穿透障碍物所造成的能量损失也大，低频信号因其优秀的绕射能力，在复杂环境中能量损失反而更小。

为了能更好地反映数据和模型之间的拟合关系，计算了5种环境下的均方根误差(root mean square error，RMSE)值和拟合优度，结果如表5所示。度量拟合优度的统计量是决定系数R2。R2最大值为1，R2的值越接近1，说明实测值和拟合曲线之间的拟合程度越好；R2的值越小，说明实测值和拟合曲线之间的拟合程度越差。由表5可知，5种环境下RSSI拟合曲线的决定系数R2介于0.907～0.967，RMSE值均小于4.500，说明测量数据与对数距离衰减模型拟合程度较好，而且环境越简单，拟合程度越好。

4 结论

研究了433 MHz和2.4 GHz频段的无线信号在水曲柳林、兴安落叶松林、黄檗林、蒙古栎林以及胡桃楸林5种林场环境中的传播特性，测量了在5种林场中433 MHz和2.4 GHz频段下的无线传感器网络节点的RSSI值，并与对数距离衰减模型做拟合，分析不同树种对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，得到如下结论。

(1) 试验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4.5，拟合度较好，说明433 MHz和2.4 GHz频段的无线信号，在5种试验林场环境中，传输过程中的损耗符合对数衰减模型。

(2)无线传感器信号的传播受到环境的影响明显，传输路径中障碍物越多，环境越复杂，同距离信号的衰减程度越明显，即衰减指数η值越大。不同树种的林场对无线传感器信号的传输有一定的影响，其主要的影响因素为林分郁闭度以及低矮灌木等林场中障碍物的多少。通过试验发现，在林分郁闭度、障碍物接近的不同林区中，信号的衰减程度接近，因此，树种不是影响信号衰减程度的决定性因素，传输路径上障碍物的密度是影响信号衰减的决定因素，因此在林场节点部署的过程中，应该尽量选在节点间障碍物少的位置上。

(3)不同频率的信号在相同的传输环境中，随着距离的增加，信号衰减趋势相似，但衰减程度略有区别。2.4 GHz信号在简单环境中衰减程度略小于433 MHz信号，分析是由于高频信号所携带的能量高，透射能力强；2.4 GHz信号在复杂环境中衰减程度略大于433 MHz信号，分析是由于高频信号在频繁穿透障碍物的过程中能量损失大，信号衰减也大，低频信号由于其绕射能力强等特点，信号衰减程度小。

表5 五种环境下的均方根误差RMSE值和R2值