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基于稻田监测的混合天线WSN组网模型研究 　　摘要 针对稻田环境特点与网络可靠性需求，在理论分析和实地测试全向天线和定向天线无线信号传输距离的基础上，设计了基于混合天线WSN分簇组网模型，分析其网络运行机制。经实地测试，与全向天线组网方法相比，混合天线WSN网络中簇头节点的寿命提高近45%，从而有效地提高了整个网络的存活时间。 　　关键词 无线传感器网络；组网；混合天线 　　中图分类号 S511 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）02-0335-03 　　Abstract According to the characteristics of the paddy field environment and network reliability requirements，on the basis of theoretical analyzing and field testing the wireless signal transmission distance of the omni-directional antennas and directional antenna，a hybrid antenna WSN clustering network model was designed，and its network operating mechanism was analyzed. By the field test，compared with the omni-directional antenna networking method，the life of cluster head nodes in hybrid antenna WSN network increased by nearly 45%，which could effectively improve the survival time of the entire network. 　　Key words wireless sensor network（WSN）；networking；hybrid antenna 　　我国主要的粮食作物是水稻，其种植面积和产量都居世界第1位，在中国粮食结构中处于举足轻重的地位[1-2]。但科技含量低、生产技术落后、生产规模小等因素，一直制约着水稻产业的发展[1]。 　　作为物联网关键技术之一，无线传感器网络（WSN）已引起国内外学者的广泛关注，被认为是21世纪最重要的技术之一，是可应用于农业领域的一种新型的信息获取和处理技术，在国内外已有很多成功应用实例[3-5]。WSN具有自组织、低功耗等特点，将其与农田参数传感器相结合，可实现大范围、多点农田参数的在线实时监测，对加快我国农业生产信息化程度、预测水稻旱情及病虫害有着重要意义。 　　天线在无线传感器网络通信中起着重要作用，目前大部分WSN系统都是基于全向天线技术设计的，但近年来定向天线在WSN中的应用已逐渐被关注[6-8]，因其具有节约能量消耗、增大网络覆盖区域、提高网络空间复用率等优点。 　　水稻作物具有种植面积广、周期长、生长过程易受光、温、水等天气因素影响等特点，天气因素的变化将直接影响水稻的产量。长期以来，农田信息检测多由人工完成，使用少量仪表。传统的检测方法耗时费力、检测范围小、检测周期长、反应滞后等方面的弊端。 　　基于此，该文在理论分析和实地测试全向天线和定向天线无线信号传输距离的基础上，设计了基于混合天线WSN分簇组网模型，分析其网络运行机制。经实地测试，与全向天线组网方法相比，混合天线WSN网络中簇头节点的寿命提高近45%，有效地提高了整个网络的存活时间。 　　1 不同天线通信距离分析与测试 　　天线是一种变换器，其基本功能是藕合自由空间与导引装置间的电磁能量[9]，在无线电通信、广播、雷达等工程系统中，信息的传递依靠电磁波时，正常工作开展依靠天线。按方向性天线可分为全向天线和定向天线2种，全向天线具有360°的水平辐射模式，对天线振进行不同方式的组合能够获得不同的馈电方式，在某一方向上积聚能量，相应减小其他方向的能量强度，但其有效覆盖角度相应减小。图1为一般定向天线的水平辐射模式[7]。 　　1.1 理论分析 　　为定量对比分析全向天线和定向天线的通信距离间关系，现假定两节点进行通信，其天线配置情况如表1所示。 　　由式（5）可知：当发射功率相同时，定向天线的通信距离是全向天线的3.324倍，从理论上验证了定向天线能够有效的增大节点通信距离，提高系统稳定性的结论。 　　1.2 稻田测试 　　水稻田具有植株茂密、面积广、含水量充足等特点，对无线射频信号传播存在较大干扰。针对稻田应用环境，为科