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。

小麦不同生育期的无线传感器网络透地通信特性研究

为了在小麦大田中合理布置无线地下传感器网络节点,研究了433 MHz无线地下传感器网络在小麦四个主要生育期的传输特性,通过MATLAB建立小麦4个生育期中RSSI变化的三维曲面模型,得出RSSI拟合模型和拟合优度,并采用SPASS对模型进行了验证。分蘖期试验中,拟合优度R^2最小为0.714,最大为0.927,RMSE在1.518~3.372 dBm之间。拔节期试验中,拟合优度R^2最小为0.664,最大为0.986,RMSE在0.571~3.491 dBm之间。抽穗期试验中,拟合优度R^2最小为0.673,最大为0.888,RMSE在1.569~4.372 dBm之间。灌浆期试验中,拟合优度R^2最小为0.665,最大为0.784,RMSE在4.062~4.842 dBm之间。该模型可以较好地预测不同条件下透地通信中的RSSI,为土壤信息采集中传感器网络的节点部署和系统的建立提供了技术支持。