基于神经网络预测的无线传感器网络田间射频信号路径损耗

基于神经网络预测的无线传感器网络田间射频信号路径损耗 基于神经网络预测的无线传感器网络田间射频信号路 径损耗 第卷第期 农业工程学报 . . 年 月 . 基于神经网络预测的无线传感器网络田间射频信号路径损耗 李震,一,洪添胜瞅, ,洪涯,文韬,李加念 .华南农业大学工程学院“南方农业机械与装备关键技术”省部共建教育部重点实验室,广州;. ,, 摘要:为解决应用无线传感器网络技术监测农田信息时无法快速预测射频信号路径损耗的问题,基于神经网络理论研 究了田问路径损耗与其影响因素间的关系。试验中选取和 个载波频率,在冬小麦的不同牛长阶段测量 射频信号在田间各影响因素作用的路径损耗,建立和验证基于神经网络的射频信号田问路径损耗预测模型。所建立模 型模拟值与实测值的相关系数为.,应用建立的神经网络预测田间射频信号路径损耗并与实测值对比,最大预测误差 绝对值为. ,最大预测标准差为. ,预测准确度为.%。所建立的网络可以对田间射频信号路径损耗 进行预测。 关键词:无线传感器网络,神经网络,损耗,射频信号,精细农业 :.,..?... 中图分类号: 文献标识码: 文章编号:?一 李震,洪添胜, ,等.基于神经网络预测的无线传感器网络田间射频信号路径 损耗.农业工程学报,, :?. .?, , , . ,,:?.无线传感器网络射频信号的路径损耗与各影响冈素之间 引言 的关系,建立路径损耗预测模型,对田间尢线传感器网 ,由 无线传感器网络 络节点的快速、合理部署及保障田间网络的稳定通信具 于其传感器节点无监督式的组织、配置和愈合能力,出 有重要的指导意义。 色的安装灵活性、移动性以及极低的维护复杂性等优势, 人:神经网络 ,由大 在军事侦查、交通管理、建筑物监测等领域得到广泛应 量的神经元相互连接,通过模拟人类大脑神经信息处理 用。在农业领域,的应用尚处于起步阶段,经常需 方式进行复杂信息的并行处理和非线性转换。其中,反 要根据应用环境进行系统的规划与配置【。应用获 ,利用误差反 向传播网络 取农田信息时,田问射频信号 ,的 向传播算法对网络进行训练,具有结构简单、可塑性强 传播受植被高度、大气温度、风向和风力、太阳辐射、 等特点,在水文预测、农产品检测等发面得到广泛应 发射和接收节点高度等众多因素的共同影响,网络规划 用【. 。 过程中无法快速确定各影响冈素的综合作用,导致节点 本研究的内容是:选取应用中 和 分布不合理、通信不稳定等问题。. 以 为代表个 无线电信号传输过程中受不同地形地貌及植被吸收 载波频率,基于连续无线电波 , 等因素影响而产生衰减,其方式可以通过路径损耗模型 在冬小麦的不同生长阶段分别测量田问射频 进行描述,如自由空间模型【、近地模型【等。但是,这 信号在各影响因素作用下的窄带路径损耗,采用神经 些模型没有考虑植被的影响,不能直接用于描述田『白无 网络法建立和验证基于神经网络的射频信号田问 线电信号衰减。有些模型虽然描述了无线电信号在小麦、 路径损耗预测模型。 大豆和马铃薯等种植区以及森林内受植被影响而导致的 衰减情况引,但所考虑的信号载波频率范围、发射功率 试验设计 及障碍物等不适应在田间的应用。因此,研究田间 .影响因素的选择 本研究考虑的影响因素有:植被高度、发射节点高 收稿日期:.. 修订日期: 度、接收节点高度、发射和接收节点天线增益、载波频 基金项目:国家自然科学基金项目 率、通信距离等。为了冬小麦在不同生长阶段对路 作者简介:李震一。男,博士.研究方向为电子信息技术应用。 广州 华南农业大学南方农业机械与装备关键技术省部共建教育部重点实 径损耗的影响,根据冬小麦的植被高度,采用瑞利反射 验事。:.鼠 及菲涅尔区通畅法则 法则 ※通信作者:洪添胜一,男,教授,博士生导师,中国农业工程学 将冬小麦的生长分为个阶段【,如表 会高级会员。广州 华南农业大学南方农业机械与装备关 所示:其他影响因素的取值如表所示。 键技术省部共建教育部重点实验室,。:协窖.? 万方数据 第期 李震等:基于神经网络预测的无线传感器网络田问射频信号路径损耗 表 冬小麦不同生长阶段的划分阈值及各阶段信号衰减模式 信号衰减模式 冬小麦生长阶段 植被高度范围/ 口信号接收点州络训练用信号发射点?叫络测试【信号发射点 图试验田采样点部署.表除小麦高度外其余影响因素取值.数据集组织 在表所述的个植被生长阶段,按照表配置发 射和接收节点高度,改变通信距离,利用频谱分析仪分 别测量并存储由 及发射节点产生的信 号强度,根据式及预先测得的近地参考点接收信号 强度计算不同影响因素作用下信号在田问的路径损 .田问路径损耗的计算 耗。个路径损耗样本由个影响因素特征参数来表征, 路径损耗定义为无线电信号的有效发射功率和接收 即:植被生长阶段、通信距离、发射节点高度、接收节 功率之间的差值【 。本研究选择近地参考点凶处的接收 点高度、载波频率及天线增益。网络 训练集由来自 信号强度作为路径损耗计算时的有效发射功率【”】,路径 的路径损耗组成,初始为个样本,采用箱线图法 损耗计算如式 .剔除奇异点后,剩余个样本用于网络 练;测试集由来自的路径损耗组成,共个样 瞄一岛 本。为减少不同参数取值范围对建模的影响,建模前先 式中,为通信距离为时的路径损耗,;盔为近 将数据进行归一化,经归一化后样本取值范围在,】 地参考距离,,本研究中为 ;,咖为近地参考点的 之间,训练集样本数为个,测试集样本数为个。 接收信号强度,:,耐为通信距离为时的接收信号 强度,。采用和载波频率时的近 基于神经网络的路径损耗预测模型 。 地参考点接收信号强度分别为一.和. 本研究基于网络训练集样本建立了一个层神经 .试验场地及设备 网络,训练函数为变学习率动量梯度下降函数“”, 田间试验地点位于美国俄克拉荷马州立大学试验 输入层与隐含层之间采用型激活函数“”,隐含层 田,试验时间为年月日起至年月日 与输出层之间采用线性激活函数“”,输入层、输 止,涵盖了当地冬小麦从出芽到成熟的整个生长阶段。 出层神经元节点数分别为、,最大迭代次数定为, 试验场地划分如图,场地中包括类测试点:个 误差拟合熟练目标为.,学习函数为“”,学 信号接收点 ,、个网络训 习率为.,隐含层初始节点数由式确定【 练用信号发射点 九 ,及个网络测试用信号发射点 ”平// ,。位于试 式中,嘞为隐含层节点数;胛为输入层样本数,‰为输出 , 验田边缘,第一个距离的距离为士. 层节点数。本研究中,疗,。,算得咒。选 其余以:. 远离;第一个距离 取隐含层节点数为、、、、、分别重复训 ,其余以:. 的距离为士. 远离 练网络,最终确定隐含层节点数为。进行次网络 。 训练,选择相关系数最高的网络。训练结果为,模型的 ~台手持式频谱分析, 决定系数.,通过 次迭代得到。 作为接收节点放置在,测量并存储来自各 路径损耗预测结果与分析 或的无线信号强度 ,。频谱分析仪通过特制的底座安装在旗杆 应用所训练的网络,以表中测试集样本影响因 上,实现接收节点高度的自由调节。发射节点包括: 素特征参数取值为输入变量预测田问路径损耗。预 基于 ,,的 测分组,每组个样本,共个样本,与训练样本相 节点,发射 射频信号: ,样本所覆盖的最大 对应,测试样本的采样间距也为 ,,节点,发射 通信距离为 。预测与实测路径损耗对比如图所示。 射频信号。发射节点安装于一个高度可调的三角架上, 在同一试验田进行的 田间低功耗数据包传输 率试验结果表明,节点间距为 时,在植被生长的各 并随此三角架在田间各或移动。 万方数据 焦 农业工程学报 个阶段数据包一次正确传输率均高于%;综合考虑节 对测试集中的实测路径 损耗和预测路径损耗进行 点能耗及重传等因素,将 定为小麦田低功耗 配对样本检验,结果如表。其中,残差均值的绝对值 应用的有效通信距副。测试样本覆盖的最大通信距离 范围为.~. ,即最大的 路径损耗预测误差为 为 . :最大预测标准差为. ;以有效通信距离 ,超过实际应用中的有效通信距离。 时的平均测量路径损耗. 为标准,网络的 表 测试集样本影响因素特征参数取值? 预测准确率为.%。表实测路径损耗与 预测路径损耗配对样本检验结果 用统计软件 , ,, ??~实测值 预测值 舒 ; ; ? ? 加 兽 曼 \ 努 : : 鬻 鬈 疆 疆 如 ? ? 碰 碰 馥 ?/搿器挝菠 瀣 舒 ” ” 柏 ? 卯 舳 ? 加 柏腑距离 ?肺 通信距离/ 通信距离 ? 分组 髓 .分组 ? : 佰 ” ? 加 盘 ? ? 勺 \ 乏加 :合 芸 疆 童 疆 : ? 如 程 也 出 篷 虢 兹 ? 盯 ” 帕 如 通信距离/ 通信距离/ 通信距离/ .分组 .分组 分组 图测试集网络预测值与实测值对比. 与实测值相比,最大预测误差绝对值为. ,最大预测 结论与讨论 标准差为. ,预测准确度为.%。结果表明,所建 本研究选取应用中和 两个 立的网络可以对田间信号路径损耗进行预测。 载波频率,基于连续无线电波在冬小麦的不同生长 进一步研究的方向包括:扩大影响因素的选择范 阶段分别测量田问射频信号在植被高度、发射端高 围,细化各影响因素水平 的划分,在条件相近的农田中 度、接收端高度、通信距离、载波频率、天线增益等影 开展重复试验以增 练和测试样本数量,完善神经网 络模型。 响因素作用下的窄带路径损耗,建立和验证了基于多层 前馈神经网络的射频信号田问路径损耗预 参考文献】 测模型。所建立模型的预测决定系数为.。 .【】 , , 鲫应用建立的网络预测田间信号路径损耗并 : 万方数据 第期 李 震等:基于神经网络预测的无线传感器网络田间射频信号路径损耗 . . , 。 。 , . ,:一. . . 】 // ., ,. ,,:~.. ,. 】】 .. ./..://.. . ,,:? . ////.. . . 【, , 】 . :把 . . 】. 。, :?. ,,:?..『 , 。 .【】 , ’ . . ? //.,,:【】 , , , . 、‘,,气,:. . 【】 , , , // ,, .. ,。, // ,,: ~. 【】夏克文,李昌彪,沈钧毅.前向神经网络隐含层节点数的】 , . 一种 优化算法【】.计算机科学,,:?. . . . 。,,. 一. 。. : . . :?. . 【】 , , // 【 】胡振琪,张学礼.基于的复垦土壤水分特征曲线的. 预测研究阴.农业工程学报,,:?. . . . , , 】 . . ,,:?.. 谢.,:. .】 【】刘树文,王庆伟,何东建,等.基于模糊神经网络的葡萄.: . 病害诊断系统研究【】.农业工程学报,,:一 ? ’ ? 一 ?一 ??? ? 一 蠊, , , , ,一, .励 ;,; , , .: ?, , . . .?? , . .,. . , 【.%. . : ,,, , 万方数据基于神经网络预测的无线传感器网络田间射频信号路径损耗 作者: 李震, 洪添胜, Ning Wang, 洪涯, 文韬, 李加念, Li Zhen, Hong Tiansheng, Ning Wang, Hong Ya, Wen Tao, Li Jianian 作者单位: 李震,Li Zhen华南农业大学工程学院"南方农业机械与装备关键 技术"省部共建教育部重点 实验室,广州,510642;Department of Biosystems and Agricultural Engineering,Oklahoma State University,111 Ag Hall,Stillwater,OK,74078, 洪添胜 ,洪涯,文韬,李加念,Hong Tiansheng,Hong Ya,Wen Tao,Li Jianian华南农 业大学工程学院 "南方农业机械与装备关键技术"省部共建教育部重点实验室,广州,510642, Ning Wang,Ning WangDepartment of Biosystems and Agricultural Engineering,Oklahoma State University,111 Ag Hall,Stillwater,OK,74078 刊名: 农业工程学报 英文刊名: TRANSACTIONS OF THE CHINESE SOCIETY OF AGRICULTURAL ENGINEERING 年,卷期: 2010,2612 被引用次数: 1次 参考文献34条 1.Wang N.Zhang N.Wang M Wireless sensors in agricultureand food industry:recent developments and future perspective 20061 2.Wang N;Zhang N;Wang M Wireless sensors in agricultureand food industry:recent developments and future perspective[外文期刊] 200601 3.Friis H T A node on a simple transmission formula 1946 4.Friis H T A node on a simple transmission formula 1946 5.Wait J R Recent analytical investigations of electromagnetic ground wave propagation over inhomogeneous earth models 19748 6.Wait J R Recent analytical investigations of electromagnetic ground wave propagation over inhomogeneous earth models[外文期刊] 197408 7.Li L.Yeo P L K T.Leong M Radio wave propagation along mixed paths through a four-layered model of rain forest:An analytic approach 19987 8.Li L;Yeo P L K T;Leong M Radio wave propagation along mixed paths through a four-layered model of rain forest:An analytic approach[外文期刊] 199807 9.Dapper M.Wells J.Schwallie T RF propagation in short-range sensor communications 2003 10.Dapper M;Wells J;Schwallie T RF propagation in short-range sensor communications[外文会议] 2003 11.Richter J.Caldeirinha R F S.Al Nuaimi M O A generic narrowband model for radio wave propagation through vegetation 2005 12.Richter J;Caldeirinha R F S;Al Nuaimi M O A generic narrowband model for radio wave propagation through vegetation 2005 13.Vine D L;Karam M Dependence of attenuation in avegetation canopy on frequency and plant water content[外文期刊] 199605 14.Vine D L.Karam M Dependence of attenuation in avegetation canopy on frequency and plant water content 19965 15.Thelen J;Goense D;Langendoen K Radio wave propagation in potato fields 2005 16.Thelen J.Goense D.Langendoen K Radio wave propagation in potato fields 2005