无线地下传感器网络电磁波在耕作层土壤的传输机理及模型研究

This project aims at studying wireless underground sensor network, works to research the general characteristics of fixed frequency electromagnetic wave through-the-earth and underground transmission in cultivated horizon soil by using the developed low power wireless underground sensor network nodes, and the effect of the soil water content and the inter-nodes distance on the transmission characteristics. On the basis, wireless underground sensor network electromagnetic wave transmission models in the soil and air are established by adopting the combination of the experimental analysis and numerical simulation methods according to the theory of electromagnetic wave transmission, which provides technical support for wireless underground sensor network deployment in soil environment and the establishment of the system.

本项目以无线地下传感器网络（Wireless Underground Sensor Network, WUSN）为研究对象，旨在利用所开发的低功耗无线地下传感器网络节点，研究不同频率电磁波在耕作层土壤透地传输和地下传输的一般特性，以及土壤含水率和节点间距离对传输特性的影响规律。在此基础上，依据电磁波传输的理论，采用实验分析与数值仿真相结合的方法，建立无线地下传感器网络电磁波在土壤和空气中传输的模型，为土壤环境中无线地下传感器网络的部署和系统的建立提供了技术支持。

项目利用所开发的低功耗无线地下传感器网络节点，通过小麦大田试验和计算机模拟，对不同节点射频频率、土壤含水率、传感器节点在地下埋藏深度与水平距离等条件下电磁波的传输特性进行了研究，建立了接收信号强度和丢包率的关系模型，提出了小麦四个生育期下农田土壤信息采集传感器节点在土壤中的传输特性。项目取得以下初步研究成果：.（1）明确了电磁波在土壤中传输的主要影响因素. 确定了在无线地下传感器网络节点频率为240MHz、433MHz和868MHz、节点埋藏深度在10cm至100cm范围、节点间水平距离在100cm至1000cm之间、土壤含水率在5%至30%之间变化的情况下，无线地下传感器网络电磁波在土壤介质中的通信是可行的。.（2）建立了WUSN节点透地传输的基本特性参数关系. 针对地上汇聚节点不同布置情况下的地上-地下和地下-地上透地通信方式，分析了节点埋藏深度和土壤含水率对通信的综合影响，得出了水平节点间距离和土壤含水率与通信接收信号强度和丢包率的二维关系。.（3）建立了WUSN节点之间地下传输的基本特性参数关系. 无线地下传感器网络节点间的地下通信中，在大田冬小麦四个主要生育期下，不同节点频率、土壤含水率、水平节点间距离变化对接收信号强度的影响均呈二次关系、通信丢包率在不同情况下呈指数、线性和二次关系变化。.（4）建立了RSSI变化的三维曲面模型并对模型进行了验证. 通过Matlab建立接收节点高度和节点间水平距离对接收信号强度和丢包率影响的三维曲面，得出接收信号强度和丢包率的拟合模型和拟合优度，并采用SPASS软件对能较好反映数据波动的拟合优度R2和均方根误差RMSE进行了分析。. 基于无线地下传感器网络的农田土壤信息传感器节点通信是一个新的研究方向，关于电磁波在农田地下土壤中的透地传输、地下传输以及地下组网的研究尚处于初步阶段，尤其是无线地下传感器网络电磁波在土壤介质中的传输特性及多因素综合影响规律可供研究的内容很多，本项目对此仅是探索性研究，今后需要进行进一步的研究。