农田土壤无线地下传感器网络节点设计与通信试验

为了揭示电磁波信号在农田土壤中的传输特性、科学部署传感器节点,以关中地区农田土壤为研究对象,采用模块化设计思想,将传感器、无线数传、处理器和能量供应等模块集于一体,设计了无线地下传感器网络(Wireless underground sensor networks,WUSN)节点和汇聚节点。采用单因素试验方法,分析了土壤含水率、WUSN节点埋深、节点间水平距离对WUSN节点信号传输的影响,建立了接收信号强度和误码率预测模型。结果表明,当WUSN节点信号在地下垂直方向上传输时,土壤含水率增加2.5个百分点,接收信号强度降低4~6 dBm,通信误码率增加3~5个百分点;WUSN节点埋深增加5 cm,接收信号强度降低3~5 dBm,通信误码率增加3~4.5个百分点。当WUSN节点信号在地下水平方向上传输时,土壤含水率增加2.5个百分点,接收信号强度降低5~7 dBm,通信误码率增加4~5个百分点;节点间水平距离在10~90 cm范围内,节点间水平距离增加10 cm,接收信号强度降低6~8 dBm,通信误码率增加6.5~8个百分点;节点间水平距离在90~190 cm范围内,节点间水平距离增加10 cm,接收信号强度降低约1 dBm,通信误码率增加1~1.5个百分点。WUSN节点信号在垂直、水平两种传输方向上误码率和接收信号强度预测模型拟合优度R^(2)最高为0.982,均方根误差RMSE为1.7%,拟合优度R^(2)最低为0.942,均方根误差RMSE为5.136 dBm。WUSN节点信号在土壤中传输受到土壤含水率、WUSN节点埋深和节点间水平距离的严重影响。