I n t e r n a t i o n a l   J o u r n a l   o f   E l e c t r i c a l   a n d   C o m p u t e r   E n g i n e e r i n g   ( I J E C E )   V o l . 2 ,   N o . 5 ,   O c t o b e r   2 0 1 2 ,   p p .   6 3 2 ~ 6 3 8   I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8             6 3 2     J o u r n a l   h o m e p a g e :   h t t p : / / i a e s j o u r n a l . c o m / o n l i n e / i n d e x . p h p / I J E C E     M o d e l   S t u d y   f o r   T e m p e r a t u r e   M i c r o c h a n g e   b y   W S N   T e c h n o l o g y       C h i n - Y u a n   H s i e h   D e p t .   o f   I n f o r m a t i o n   T e c h n o l o g y ,   K a o   Y u a n   U n i v e r s i t y ,   T a i w a n   8 2 1 5 1   E m a i l :   c y h s i e h @ c c . k y u . e d u . t w       A r t i c l e   I n f o     A B S T R A C T     A r t i c l e   h i s t o r y :   R e c e i v e d   J u l   2 2 ,   2 0 1 2   R e v i s e d   S e p   1 5 ,   2 0 1 2   A c c e p t e d   S e p   2 7 ,   2 0 1 2       T h e   f o r e s t   t e m p e r a t u r e   m i c r o c h a n g e   b e c o m e s   c r i t i c a l l y   i m p o r t a n t   d u e   t o   t h e   s t u d y   o f   g l o b a l   c h a n g e .   I n   t h i s   p a p e r   w e   d e v e l o p   a   m o d e l   t o   s t u d y   t h e   m i c r o c h a n g e   o f   f o r e s t   t e m p e r a t u r e   b y   t h e   w i r e l e s s   s e n s o r   n e t w o r k   ( W S N )   t e c h n o l o g y .   T h e   m o d e l   i s   d e v e l o p e d   b y   a   p a i r s   o f   m o d i f i e d   i n t e g r a l   e q u a t i o n s .   T h e   m e a s u r e m e n t   s y s t e m   i n c l u d e s   t h e   t e m p e r a t u r e   s e n s o r ,   Z i g Be e   a n d   T m o t e   S k y   w i r e l e s s   s e n s o r   n e t w o r k   s y s t e m .   T h e   m e a s u r e d   t i m e   i n t e r v a l   i s   1   h o u r .   F r o m   t h e   m e a s u r e m e n t   a n d   m o d e l   a n a l y s i s ,   w e   f o u n d   t h e   t e m p e r a t u r e   r e a c h e s   m a x i m u m   p e a k   a t   d i f f e r e n t   t i m e   d u e   t o   t h e   d i f f e r e n t   d i e l e c t r i c   c o n s t a n t   o f   t r e e   s k i n .   T h e   d i f f e r e n t   d i e l e c t r i c   c o n s t a n t   o f   t r e e   s k i n   h a s   d i f f e r e n t   e l e c t r o m a g n e t i c   w a v e   r e s i s t a n c e   a n d   w i l l   c a u s e   t h e   d i f f e r e n t   s c a t t e r   s t r e n g t h   o f   e l e c t r o m a g n e t i c   w a v e .   T h e   s c a t t e r   s t r e n g t h   a l o n g   t h e   a z i m u t h   a n g l e   i s   c o m p l i c a t e d .   A f t e r   c o m p l i c a t e d   c a l c u l a t i o n   w e   c o m p a r e   t h e   m o d e l   p r e d i c t i o n   a n d   t h e   m e a s u r e m e n t   a n d   f o u n d   t h e   d i f f e r e n c e   b e t w e e n   t h e m   i s   l e s s   t h a n   1   d B.   I n   m o d e l   d e v e l o p m e n t   w e   a l s o   f o u n d   t h e   d i s t r i b u t i o n   o f   t e m p e r a t u r e   m i c r o c h a n g e   h a s   a n   e x p o n e n t i a l   f u n c t i o n   d i s t r i b u t i o n .   A f t e r   c o m p a r i s o n s   o f   m o d e l   p r e d i c t i o n   w i t h   t h e   m e a s u r e d   d a t a   t h e   c o r r e l a t i o n   c o e f f i c i e n t   b e t w e e n   t h e m   i s   0 . 9 3 5 7 3 6 .   T h e   e x c e l l e n t   p r e d i c t i o n   r e a c h e s   i n   t h i s   m o d e l   s t u d y .   K e y w o r d :   G l o b a l   c h a n g e   T m o t e   S k y   W i r e l e s s   s e n s o r   n e t w o r k   Z i g B e e   Co p y r i g h t   ©   2 0 1 2   I n s t i t u t e   o f   A d v a n c e d   E n g i n e e r i n g   a n d   S c i e n c e .     A l l   r i g h t s   r e s e r v e d .   C o r r e s p o n d i n g   A u t h o r :   C h i n - Y u a n   H s i e h   D e p a r t m e n t   o f   I n f o r m a t i o n   T e c h n o l o g y ,   K a o   Y u a n   U n i v e r s i t y ,   1 8 2 1   C h a n g s h a n   R o a d ,   L U Z u   D i s t . ,   K a o h s i u n g ,   T a i w a n   8 2 1 5 1   e - m a i l :   c y h s i e h @ c c . k y u . e d u . t w       1 .   I N T R O D U C T I O N     T h e   t e m p e r a t u r e   m i c r o c h a n g e   o f   f o r e s t   t r e e   c a n n o t   b e   m e a s u r e d   b y   t h e   t r a d i t i o n a l   t h e r m o m e t e r   a n d   n e e d   t o   b e   s t u d i e d   b y   t h e   w i r e l e s s   s e n s o r   n e t w o r k   t e c h n o l o g y .   T h e   m i c r o c h a n g e   o f   f o r e s t   t e m p e r a t u r e   i s   a   c r i t i c a l   f a c t o r   t o   t h e   g r o w t h   a n d   t h e   t y p e   o f   t r e e ,   t h e r e f o r e   t h e   d i s t r i b u t i o n   a n d   t h e   f o r e s t   t e m p e r a t u r e   c a n   a f f e c t   t h e   g l o b a l   t e m p e r a t u r e   c h a n g e .   I n   g e n e r a l ,   f o r e s t s   a r e   s e n s i t i v e   t o   t h e   v a r i a b i l i t y   a n d   c h a n g e   o f   c l i m a t e .   T h e   C l i m a t i c   f a c t o r s   i n f l u e n c e   f o r e s t   h e a l t h - t e m p e r a t u r e ,   r a i n f a l l ,   a t m o s p h e r i c   l e v e l s   o f   c a r b o n   d i o x i d e ,   o t h e r   g r e e n h o u s e   g a s e s   a n d   e x t r e m e   w e a t h e r .   D u e   t o   t h e   v a s t   p o t e n t i a l   o f   W S N   t e c h n o l o g y   t o   e n a b l e   t h e   a p p l i c a t i o n s   t o   b e   a b l e   t o   c o n n e c t   t h e   p h y s i c a l   w o r l d   s u c c e s s f u l l y .   T h e   d e s i g n   a n d   i m p l e m e n t a t i o n   o f   W S N   t e c h n o l o g y   h a s   b e c o m e   a   p o p u l a r   r e s e a r c h   i n   r e c e n t   y e a r s ,   B y   c o n n e c t i n g   a n d   n e t w o r k i n g   l a r g e   n u m b e r s   o f   t i n y   s e n s o r   n o d e s ,   i t   i s   p o s s i b l e   t o   o b t a i n   d a t a   a b o u t   p h y s i c a l   p h e n o m e n a   t h a t   w a s   d i f f i c u l t   o r   i m p o s s i b l e   t o   o b t a i n   i n   c o n v e n t i o n a l   w a y s .   P o t e n t i a l   a p p l i c a t i o n s   f o r   s u c h   l a r g e - s c a l e   w i r e l e s s   s e n s o r   n e t w o r k s   e x i s t   i n   a   v a r i e t y   o f   e l d s ,   i n c l u d i n g   e n v i r o n m e n t a l   m o n i t o r i n g   [ 1 - 2 ] ,   m e d i c a l   m o n i t o r i n g   [ 3 - 4 ] ,   a n d   i n d u s t r i a l   m a c h i n e   m o n i t o r i n g .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8         M o d e l   S t u d y   f o r   T e m p e r a t u r e   M i c r o c h a n g e   b y   W S N   T e c h n o l o g y   ( C h i n - Y u a n   H s i e h )   6 3 3 T h e   W S N   t e c h n o l o g y   i s   a n   e m e r g i n g   t e c h n o l o g y ,   w h i c h   c o n s i s t s   o f   l a r g e   n u m b e r s   o f   t i n y   s e n s i n g   d e v i c e s   d i s t r i b u t e d   o v e r   p h y s i c a l   s p a c e .   E a c h   d e v i c e   i s   c a p a b l e   o f   l i m i t e d   c o m p u t i n g ,   r a d i o   c o m m u n i c a t i o n   a n d   s e n s i n g .   I n   t h e   p a s t   c o u p l e   o f   y e a r s ,   w i r e l e s s   s e n s o r   n e t w o r k s   h a v e   f o u n d   a   w i d e   r a n g e   o f   a p p l i c a t i o n s   s u c h   a s   e n v i r o n m e n t a l   m o n i t o r i n g .   T h e   W S N   t e c h n o l o g y   i s   u s e d   i n   a g r i c u l t u r e   t o   m o n i t o r   a n d   c o n t r o l   t h e   e n v i r o n m e n t s   o f   t h e   g r e e n h o u s e s   a n d   p r o v i d e   c o n v e n i e n t   s e r v i c e s   t o   u s e r s   w i t h   h a n d - h e l d   d e v i c e s   s u c h   a s   P D A .   T h e   W S N   t e c h n o l o g y   i s   p r o v e d   t o   b e   a v a i l a b l e   a n d   u s e f u l   i n   a u t o m a t e d   a g r i c u l t u r e   f i e l d .   F o r   l o w   p o w e r   c o n s u m p t i o n ,   t h e   s l e e p   s c h e m e   i s   p r o p o s e d   t o   p r o l o n g   t h e   m e a s u r e d   t i m e   p e r i o d   [ 5 - 6 ] .   P r e c i s i o n   a g r i c u l t u r e   n e e d s   t h e   o p t i m a l   t r e a t m e n t   f r o m   t h e   i n f o r m a t i o n   o f   s o i l   a n d   c r o p   s t a t u s e s .   T h e   i n f o r m a t i o n   c a n   b e   d e l i v e r e d   b y   W S N   t e c h n o l o g y   b a s e d   o n   t h e   d e v e l o p m e n t   o f   S m a r t   D u s t .   T h e   S m a r t   D u s t     i n c l u d e s   a   s e n s o r ,   a   p r o c e s s o r   a n d   a   m e a n s   o f   c o m m u n i c a t i o n .   S u c h   w i r e l e s s   s e n s o r   s y s t e m s   c a n   f o r m   a   d e n s e   n e t w o r k   t o   p r o v i d e   t h e   c o n t i n u o u s   m o n i t o r i n g   o f   r e l e v a n t   p a r a m e t e r s   i n   a   d e n s e   a g r i c u l t u r e   g r i d   [ 7 - 8 ] .   A l l   t h e   u p d a t e   a p p l i c a t i o n s   o f   W S N   t e c h n o l o g y   i s   a v a i l a b l e   t o   m o n i t o r   t h e   e n v i r o n m e n t s   o f   t h e   g r e e n h o u s e s   a n d   t h e   s t a t u s   o f   s o i l   a n d   c r o p .   I n   t h i s   p a p e r   w e   a p p l y   t h e   W S N   t e c h n o l o g y   t o   m o n i t o r   t h e   t e m p e r a t u r e   o f   t r e e   s k i n   i n   t h e   f o r e s t .   T h e   m e a s u r e d   d a t a   o f   t h e   t e m p e r a t u r e   m i c r o c h a n g e   o f   t h e   t r e e   s k i n   i s   a p p l i e d   t o   p r e d i c t   t h e   g l o b a l   t e m p e r a t u r e   c h a n g e .   C o m p a r e d   w i t h   t h e   c o n v e n t i o n a l   t e c h n i q u e s   o f   t e m p e r a t u r e   c h a n g e   d e t e c t i o n ,   a   w i r e l e s s   s e n s o r   n e t w o r k   p a r a d i g m   b a s e d   o n   a   Z i g B e e   t e c h n i q u e   w a s   p r o p o s e d .   T h e   p r o p o s e d   t e c h n i q u e   i s   i n   r e a l   t i m e ,   g i v e n   t h e   c h a n g e   r a t e   o f   f o r e s t   t e m p e r a t u r e .   T h e   a r c h i t e c t u r e   o f   a   w i r e l e s s   s e n s o r   n e t w o r k   f o r   f o r e s t   t e m p e r a t u r e   m i c r o c h a n g e   d e t e c t i o n   i s   d e s c r i b e d .   T h e   h a r d w a r e   c i r c u i t r y   o f   t h e   n e t w o r k   n o d e   i s   d e s i g n e d   b a s e d   o n   a   T m o t e   S k y   c h i p .   T h e   p r o c e s s   o f   d a t a   t r a n s m i s s i o n   i s   d i s c u s s e d   i n   d e t a i l .   E n v i r o n m e n t a l   p a r a m e t e r s   s u c h   a s   t e m p e r a t u r e   a n d   h u m i d i t y   i n   t h e   f o r e s t   r e g i o n   c a n   b e   m o n i t o r e d   i n   r e a l   t i m e .   F r o m   t h e   i n f o r m a t i o n   c o l l e c t e d   b y   t h e   s y s t e m ,   t h e   m o d e l i n g   f o r   t e m p e r a t u r e   m i c r o c h a n g e   i s   s t u d i e d   b y   t h e   m a t h e m a t i c a l   s e c o n d - o r d e r   d i f f e r e n t i a l   e q u a t i o n .   I n   l a s t   s e c t i o n   w e   s t u d y   t h e   d i f f e r e n c e   o f   m o d e l i n g   p r e d i c t i o n   a n d   t h e   m e a s u r e d   t o   e v a l u a t e   t h e   p r e d i c t i o n   o f   m o d e l .   T h e   a n a l y s i s   o f   c h a r a c t e r i s t i c s   a n d   c o n t r i b u t i o n s   c o u l d   b e   u s e f u l   f o r   r e l e v a n t   r e s e a r c h   o p p o r t u n i t i e s   o f   n e w   a p p l i c a t i o n s .       2 .   R E S E A R C H   M E T H O D       T h e   a i m   o f   t h e   p a p e r   i s   t o   a p p l y   t h e   w i r e l e s s   s e n s o r   t e c h n o l o g i e s   a n d   t e c h n o l o g y   o f   w i r e l e s s   c o m m u n i c a t i o n s   i n   t h e   f o r e s t   t e m p e r a t u r e   m e a s u r e m e n t .   T h e   p a p e r   f o c u s e s   o n   Z i g B e e   b a s e d   W i r e l e s s   S e n s o r   N e t w o r k s .   A   g e n e r a l   W S N   p r o t o c o l   c o n s i s t s   o f   t h e   a p p l i c a t i o n   l a y e r ,   t r a n s p o r t   l a y e r ,   n e t w o r k   l a y e r ,   d a t a   l i n k   l a y e r ,   p h y s i c a l   l a y e r ,   p o w e r   m a n a g e m e n t   p l a n e ,   m o b i l i t y   m a n a g e m e n t   p l a n e   a n d   t h e   t a s k   m a n a g e m e n t   p l a n e   [ 9 ] .   I n   t h e   p a p e r   w e   a p p l i e d   t h e   s t a n d a r d   W S N   w i t h   Z i g B e e   t e c h n o l o g y   o p e r a t i n g   i n   t h e   I n d u s t r i a l   S c i e n t i f i c   a n d   M e d i c a l   ( I S M )   f r e q u e n c y   b a n d   o f   2 . 4   G H z .   T h e   I S M   f r e q u e n c y   b a n d   p r o v i d e s   l i c e n s e   f r e e   o p e r a t i o n s ,   h u g e   s p e c t r u m   a l l o c a t i o n   a n d   w o r l d w i d e   c o m p a t i b i l i t y .   F o r   m o n i t o r i n g   t h e   l o n g   d i s t a n c e   d a t a   t h e   W S N   t e c h n o l o g y   u s i n g   W i - F i   ( I E E E   8 0 2 . 1 1 )   a n d   P C - b a s e d   s y s t e m s   i s   d e v e l o p e d   i n   F i g u r e   1 .           F i g u r e   1 .   T h e   l a y o u t   s t r u c t u r e   o f   m u l t i - h o p   i n   w i r e l e s s   s e n s o r   n e t w o r k   t e c h n o l o g y   s y s t e m       I n   t h i s   s t u d y   w e   i n s t a l l   t h e   Z i g B e e   s e n s o r   n o d e   i n   t h e   f i r   a n d   g i n g k o   t o   c o l l e c t   t h e   d a t a   b y   t h e   w i r e l e s s   s e n s o r   n e t w o r k   t e c h n o l o g y .   T h e   d a t a   r e t r i e v e s   a n d   p r o c e s s e d   a n d   t r a n s m i t t e d   f o r   t h e   r e a l   t i m e   m o n i t o r i n g .   F o r   a v o i d i n g   t h e   h u m a n   i n t e r f e r e n c e   t h e   h e i g h t   o f   s e n s o r   n o d e   i s   i n s t a l l e d   i n   3   m e t e r s   f a r   f r o m   t h e   g r o u n d .   M e a n t i m e   w e   c o n s i d e r   t h e   s u n l i g h t   w i l l   a f f e c t   t h e   d a t a   t r a n s m i s s i o n   s i t u a t i o n   t h e   d i r e c t i o n s   o f   s e n s o r   n o d e s   f a c e s   t h e   n o r t h   d i r e c t i o n .   F o r   t h e   t r e e   r o u t i n g   o f   Z i g B e e ,   w h e n   a   n o d e s   w e n t   t o   t r a n s m i t t i n g   a   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8     I J E C E   V o l . 2 ,   N o . 5 ,   O c t o b e r   2 0 1 2 ,   p p .   6 3 2 ~ 6 3 8   6 3 4 p a c k e t   t h a t   w i l l   f o l l o w   t h e   t r e e   t o p o l o g y   t o   t h e   d e s t i n a t i o n   e v e n   i f   t h e   d e s t i n a t i o n   i s   l o c a t e d   n e a r b y .   T h e   d i r e c t i o n   o f   Z i g B e e   a n t e n n a   i s   d i r e c t i o n a l   r a d i a t i o n   p a t t e r n .   A l l   t h e   n o d e s   a r e   d i s t r i b u t e d   a n d   i n s t a l l e d   a l o n g   t h e   z i g z a g   p a t h   t o   e n h a n c e   t h e   s u c c e s s f u l   t r a n s m i s s i o n   r a t e .   T h e   T m o t e S k y   w i r e l e s s   s e n s o r ,   p r o d u c t   o f   M o t e i v   C o r p . ,   i s   d e v e l o p e d   b y   t h e   T i n y O S   o p e r a t i o n   s y s t e m   p l a t f o r m .   T h e   o p e r a t i n g   v o l t a g e   i s   i n   t h e   r a n g e   o f   2 . 1 V   t o   3 . 6 V .   T h e   T m o t e S k y   w i r e l e s s   s y s t e m   c a n   t r a n s m i t   t h e   p o w e r   c o n s u m p t i o n   s t a t u s   b y   w i r e l e s s   a t   a   c o n s t a n t   t i m e   p e r i o d .   T h e   t i m e   i n t e r v a l   c a n   b e   a d j u s t e d   a s   r e q u i r e m e n t .   T o   s a v e   t h e   c o n s u m p t i o n   o f   p o w e r   t h e   t r a n s m i s s i o n   r a t e   i s   s e t   5   m i n u t e s .   T h e   m e m o r y   f o r   t h e   d a t a   s t o r a g e   i s   1 M B .   T h e   s y s t e m   i s   b u s y   t h e n   t h e   d a t a   t o   b e   t r a n s m i t t e d   w i l l   b e   s t o r e d   i n   a   s h o r t   t i m e .   T h e   Z i g B e e   i s   a   w i r e l e s s   n e t w o r k   s t a n d a r d   b a s e d   o n   I E E E   8 0 2 . 1 5 . 4 .   I t   i s   a   w i r e l e s s   s e n s o r   n e t w o r k   t e c h n o l o g y   t h a t   t h e   m a i n   c h a r a c t e r i s t i c s   a r e   l o w   t r a n s m i s s i o n   r a n g e ,   u s u a l l y   l e s s   t h a n   1 0 0   m e t e r s .   T h e   c h a r a c t e r i s t i c s   a r e   l o w   d a t a   r a t e ,   s h o r t   d i s t a n c e ,   l o w   p r i c e   a n d   l o w   p o w e r   c o n s u m p t i o n .   S i n c e   t h e   c h a r a c t e r i s t i c s   o f   Z i g B e e   a r e   l o w   p r i c e ,   l o w   c o m p l e x i t y ,   a n d   l i m i t e d   r e s o u r c e s ,   i t   h a s   l i m i t e d   c a p a b i l i t y   o f   c o m p u t e .   F o r   t h e   e l e c t r o m a g n e t i c   w a v e   s c a t t e r i n g   f r o m   r o u g h   s u r f a c e   o f   t r e e   i n   t h e   f o r e s t ,   t h e   s c a t t e r   e l e c t r i c   a n d   m a g n e t i c   f i e l d s   a r e   d e s c r i b e d   a n d   c a l c u l a t e d   b a s e d   o n   a   p a i r   o f   i n t e g r a l   e q u a t i o n s .   T h e   g o v e r n i n g   e q u a t i o n s   f o r   t h e   t a n g e n t i a l   s u r f a c e   f i e l d s   i n   m e d i u m   1   ( i n c i d e n t   p l a n e )   o n   a   d i e l e c t r i c   s u r f a c e   a r e   [ 7 ] .     s d E n E n E n i ¢ ¢ ¢ ´ - ´ = ´ r r r ˆ 4 2 ˆ 2 ˆ p                                                                         ( 1 )   s d H n H n H n i ¢ ¢ ¢ ´ + ´ = ´ r r r ˆ 4 2 ˆ 2 ˆ p           ( 2 )     I n   m e d i u m   2   ( b e n e a t h   t h e   t r e e   s u r f a c e ) ,   w e   h a v e     ¢ ² ´ - = ´ s d E n E n t t t t r r ˆ 4 2 ˆ p     s d H n H n t t t t ¢ ² ´ = ´ r r ˆ 4 2 ˆ p             ( 3 )     w h e r e   G E n G E n G H n j k E Ñ ¢ ¢ × ¢ - Ñ ¢ ´ ¢ ´ ¢ - ¢ ´ ¢ = ¢ ¢ ) ˆ ( ) ˆ ( ) ˆ ( r r r r h   G H n G H n G H n j k H Ñ ¢ ¢ × ¢ + Ñ ¢ ´ ¢ ´ ¢ + ¢ ´ ¢ = ¢ ¢ ) ˆ ( ) ˆ ( / ) ˆ ( r r r r h     T h e   f i e l d s   i n   t h e   l o w e r   m e d i u m   c a n   b e   w r i t t e n   i n   t e r m s   o f   t h e   f i e l d s   i n   t h e   u p p e r   m e d i u m   b y   a p p l y i n g   t h e   b o u n d a r y   c o n d i t i o n s   o n   t h e   c o n t i n u i t y   o f   t h e   t a n g e n t i a l   f i e l d s   a s   f o l l o w s :       t t t t t t t t t t t G E n G E n G H n j k E Ñ ¢ ¢ × ¢ - Ñ ¢ ´ ¢ ´ ¢ - ¢ ´ ¢ = ² ) ˆ ( ) ˆ ( ) ˆ ( r r r r h     t t t t t t t t t t t t G H n G H n G E n j k H Ñ ¢ ¢ × ¢ + Ñ ¢ ´ ¢ ´ ¢ + ¢ ´ ¢ = ² ) ˆ ( ) ˆ ( / ) ˆ ( r r r r h     ( 4 )     T h e   s p e c t r a l   r e p r e s e n t a t i o n   f o r   t h e   G r e e n ' s   f u n c t i o n   a n d   i t s   g r a d i e n t   a r e           G = ( - 1 2 p ) j q e x p [ j u ( x - ¢   x   ) + i v ( y - ¢   y   ) - j q z - ¢   z   ] d u d v      ¢   Ñ   G = ( - 1 2 p ) g   q e x p [ j u ( x - ¢   x   ) + i v ( y - ¢   y   ) - j q z - ¢   z   ] d u d v     ( 5 )     w h e r e   2 2 2 v - u - k = q   a n d   q z v y u x g ˆ ˆ ˆ ± + = r .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8         M o d e l   S t u d y   f o r   T e m p e r a t u r e   M i c r o c h a n g e   b y   W S N   T e c h n o l o g y   ( C h i n - Y u a n   H s i e h )   6 3 5 T h e   t a n g e n t i a l   s u r f a c e   f i e l d   i n c l u d e s   t w o   c o m p o n e n t s ,   t h e   K i r c h h o f f   c o m p o n e n t   ( s c a t t e r   f i e l d )   a n d   i t s   c o m p l e m e n t a r y   c o m p o n e n t   ( r e s c a t t e r   f i e l d ) ,   a n d   i s   d e s c r i b e d   i n   F i g u r e   2 .     T w o   c o r r e s p o n d i n g   c o m p o n e n t s   f o r   t h e   s c a t t e r e d   f i e l d s   a r e   [ 8 ]     E s q p = E k q p + E c q p                                 ( 6 )     w h e r e   s   m e a n s   t h e   t a n g e n t i a l   s u r f a c e   f i e l d ,   k   m e a n s   t h e   K i r c h h o f f   f i e l d   a n d   c   m e a n s   t h e   c o m p l i m e n t a r y   f i e l d   i n   e q u a t i o n   ( 6 ) .   I n   t e r m s   o f   t h e   s u r f a c e   t a n g e n t i a l   f i e l d   f o r   t h e   d i e l e c t r i c   s u r f a c e s ,   t h e   f a r - z o n e   s c a t t e r e d   f i e l d s   c a n   b e   d e r i v e d .   C o n s e q u e n t l y   t h e   a v e r a g e   s c a t t e r e d   p o w e r   a n d   t h e   s c a t t e r i n g   c o e f f i c i e n t s   c a n   b e   f o u n d   i n   t e r m s   o f   t h e   f a r - z o n e   s c a t t e r e d   f i e l d .       F i g u r e   2 .   T h e   s c a t t e r   a n d   r e s c a t t e r   f i e l d s   f r o m   r a n d o m   r o u g h   s u r f a c e s   o f   a   t r e e       W i t h   t h e   f i e l d   e x p r e s s i o n   t h e   a v e r a g e   s c a t t e r e d   p o w e r   i s   g i v e n   b y     E q p s E q p s * = E q p k E q p k * + 2 R e E q p c E q p k * + E q p c E q p c *     ( 7 )     w h e r e   R e   i s   t h e   r e a l   p a r t   o p e r a t o r   a n d   *   i s   t h e   s y m b o l   f o r   c o m p l e x   c o n j u g a t e .   T o   o b t a i n   t h e   c o h e r e n t   a n d   i n c o h e r e n t   p o w e r ,   w e   h a v e   t o   s u b t r a c t   t h e   m e a n - s q u a r e d   p o w e r   f r o m   t h e   t o t a l   p o w e r .   T h a t   i s ,     E q p s E q p s * - E q p s E q p s * = E q p k E q p k * - E q p k E q p k * + E q p c E q p c * - E q p c E q p c * + 2 R e [ E q p c E q p k * - E q p c E q p k * ]       ( 8 )     T o   c a r r y   o u t   t h e   e n s e m b l e   a v e r a g e   o p e r a t i o n   w e   m u s t   m a k e   a n   a s s u m p t i o n   t h e   s u r f a c e   w i t h   G a u s s i a n   h e i g h t   d i s t r i b u t i o n   i n   t h i s   r e s e a r c h .   A f t e r   t h e   o p e r a t i o n   o f   e n s e m b l e   a v e r a g e   a n d   i n t e g r a t i n g ,   t h e   i n c o h e r e n t l y   s c a t t e r e d   p o w e r   c a n   b e   o b t a i n e d .   T h e   b i s t a t i c   s c a t t e r i n g   c o e f f i c i e n t   i s   r e l a t e d   t o   t h e   a v e r a g e   p o w e r   e x p r e s s i o n   a s     s q p 0 = ( 4 p R 2 P q p ) / ( E 0 2 A 0 )             ( 9 )     W h e r e   E o   i s   t h e   i n c i d e n t   f i e l d ,   R   i s   t h e   d i s t a n c e ,   P q p   r e p r e s e n t s   t h e   p o l a r i z e d   a n d   d e p o l a r i z e d   s c a t t e r   p o w e r   a n d   A o   i s   t h e   i l l u m i n a t e d   a r e a   o f   a   t r e e .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8     I J E C E   V o l . 2 ,   N o . 5 ,   O c t o b e r   2 0 1 2 ,   p p .   6 3 2 ~ 6 3 8   6 3 6 3 .   R E S U L T S   A N D   A N A L Y S I S       F r o m   t h e   m e a s u r e d   d a t a   t h e   c h a n g e   r a t e   o f   t e m p e r a t u r e   i s   p r o p o r t i o n a l   t o   t h e   t i m e .   D u r i n g   t h e   t i m e   c l o s i n g   t h e   n o o n   t h e   c h a n g e   o f   t e m p e r a t u r e   i s   l a r g e   e a c h   d a y .   T h e   d a t a   m e a s u r e d   a m o n g   2 5   d a y s .   F r o m   F i g u r e   3   w e   f o u n d   t h e   c h a n g e   r a t e   o f   t e m p e r a t u r e   i s   p r o p o r t i o n a l   t o   t h e   s e c o n d - o r d e r   d i f f e r e n t i a t i o n   o f   t h e   t e m p e r a t u r e   m e a s u r e d .   F r o m   t h e   m e a s u r e d   d a t a   t h e   s e c o n d   d i f f e r e n t i a t i o n   o f   d a t a   c o l l e c t e d   s e e m s   p r o p o r t i o n a l   t o   t h e   d a t a   m e a s u r e d ,   i . e .   t h e   g e n e r a l   m o d e l   f o r   p r e d i c t i n g   t h e   t e m p e r a t u r e   m i c r o c h a n g e   w i l l   b e   t h e   f o r m a t   s t a t e d   b e l o w   t o   m e e t   t h e   r e a l   m e a s u r e d   d a t a .     2 2 / ) ( 1 k m t e k k T - - + =                 ( 1 0 )       T h e   c o r r e l a t i o n   c o e f f i c i e n t   a   c o n c e p t   f r o m   s t a t i s t i c s   i s   a   m e a s u r e   o f   h o w   w e l l   t r e n d s   i n   t h e   p r e d i c t e d   v a l u e s   f o l l o w   t r e n d s   i n   p a s t   a c t u a l   v a l u e s .   I t   i s   a   m e a s u r e   o f   h o w   w e l l   t h e   p r e d i c t e d   v a l u e s   f r o m   a   f o r e c a s t   m o d e l   " f i t "   w i t h   t h e   r e a l - l i f e   d a t a .   T h e   c o r r e l a t i o n   c o e f f i c i e n t   i s   a   q u a n t i t y   t h a t   g i v e s   t h e   q u a l i t y   o f   a   l e a s t   s q u a r e s   f i t t i n g   t o   t h e   o r i g i n a l   d a t a .   T h e   s q u a r e   o f   t h e   c o r r e l a t i o n   c o e f f i c i e n t     i s   g i v e n   b y     - - - = ) ) ( ( ) ( 2 2 2 2 2 2 t n t T n T t T n T t r             ( 1 1 )     W h e r e   T   i s   t h e   t e m p e r a t u r e   d a t a   m e a s u r e d   a n d   t   i n   t h e   m e a s u r e d   t i m e   i n t e r v a l .   I n   s t a t i s t i c s   t h e   c o e f f i c i e n t   o f   d e t e r m i n a t i o n ,   r 2 ,   i s   u s e f u l   b e c a u s e   i t   g i v e s   t h e   p r o p o r t i o n   o f   t h e   v a r i a n c e   ( f l u c t u a t i o n )   o f   o n e   v a r i a b l e   t h a t   i s   p r e d i c t a b l e   f r o m   t h e   o t h e r   v a r i a b l e .   T h e   c o e f f i c i e n t   o f   d e t e r m i n a t i o n   i s   a   m e a s u r e   t h a t   a l l o w s   u s   t o   d e t e r m i n e   h o w   c e r t a i n   o n e   c a n   b e   i n   m a k i n g   p r e d i c t i o n s   f r o m   a   c e r t a i n   m o d e l / g r a p h .   I n   t h i s   p a p e r   w e   u s e   t h e   c o e f f i c i e n t   o f   d e t e r m i n a t i o n   t o   e v a l u a t e   t h e   m o d e l   p r e d i c t i o n .   T h e   c o e f f i c i e n t   o f   d e t e r m i n a t i o n   i s   t h e   r a t i o   o f   t h e   e x p l a i n e d   v a r i a t i o n   t o   t h e   t o t a l   v a r i a t i o n .   T h e   c o e f f i c i e n t   o f   d e t e r m i n a t i o n   i s   s u c h   t h a t   0   <   r 2   <   1 ,   a n d   d e n o t e s   t h e   s t r e n g t h   o f   t h e   l i n e a r   a s s o c i a t i o n   b e t w e e n   t i m e   r a n g e   m e a s u r e d   a n d   t e m p e r a t u r e   m i c r o c h a n g e .   T h e   c o e f f i c i e n t   o f   d e t e r m i n a t i o n   r e p r e s e n t s   t h e   p e r c e n t   o f   t h e   d a t a   t h a t   i s   t h e   c l o s e s t   t o   t h e   l i n e   o f   b e s t   f i t .     0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 M e a s u r e d   T i m e   s p o t T e m p e r a t u r e   M e a s u r e d - 2 5 - 2 0 - 1 5 - 1 0 - 5 0 2 n d - o r d e r   D i f f e r e n t i a t i o n   o f   T e m p e r a t u r e T e m p e r a t u r e S e c o n d - o r d e r   d i f f e r e n t i a t i o n   o f   t e m p e r a t u r e   m e a s u r e d   F i g u r e   3 .   T h e   c o m p a r i s o n s   o f   t e m p e r a t u r e   m e a s u r e d   w i t h   t h e i r   s e c o n d - o r d e r   d i f f e r e n t i a l   v a l u e       T h e   c o e f f i c i e n t   o f   d e t e r m i n a t i o n   r 2   i s   t o   m e a s u r e   h o w   w e l l   t h e   l e a s t   s q u a r e s   e q u a t i o n .   r 2   i s   u s e d   t o   m e a s u r e   t h e   r e l a t i v e   s i z e s   o f   S S T   a n d   S S E .   E s s e n t i a l l y ,   r 2   t e l l s   u s   h o w   m u c h   b e t t e r   w e   c a n   d o   i n   p r e d i c t i n g   y   b y   u s i n g   t h e   m o d e l   a n d   c o m p u t i n g   m o d e l   p r e d i c t i o n   t h a n   b y   j u s t   u s i n g   t h e   m e a n   v a l u e   a s   a   p r e d i c t o r .   T h e   h i g h e r   t h e   r 2 ,   t h e   m o r e   u s e f u l   t h e   m o d e l   i s .   T h e   r 2   t a k e s   o n   v a l u e s   b e t w e e n   0   a n d   1 .   T h e   s m a l l e r   S S E ,   t h e   m o r e   r e l i a b l e   t h e   p r e d i c t i o n s   o b t a i n e d   f r o m   t h e   m o d e l .   T h e   c o e f f i c i e n t   o f   d e t e r m i n a t i o n   i s   c o m p u t e d   a s :   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8         M o d e l   S t u d y   f o r   T e m p e r a t u r e   M i c r o c h a n g e   b y   W S N   T e c h n o l o g y   ( C h i n - Y u a n   H s i e h )   6 3 7 ) / ( 1 2 S S T S S E r - =               ( 1 2 )     W h e r e   S S E   m e a s u r e s   t h e   d e v i a t i o n s   o f   o b s e r v a t i o n s   f r o m   t h e i r   p r e d i c t e d   v a l u e s :       - = 2 ) ˆ ( i i y y S S E               ( 1 3 )     S S T   m e a s u r e s   t h e   d e v i a t i o n s   o f   t h e   o b s e r v a t i o n s   f r o m   t h e i r   m e a n :     - = 2 ) ( y y S S T i                 ( 1 4 )     T h e   y   m e a n s   t h e   m e a n   v a l u e   o f   t h e   m e a s u r e d   d a t a   o f   t e m p e r a t u r e   m i c r o c h a n g e ,   i y m e a n s   t h e   t e m p e r a t u r e   m e a s u r e d   a n d   y ˆ   m e a n s   t h e   m o d e l   p r e d i c t i o n .   I n   t h e   s t u d y   w e   c o m p a r e   t h e   t e m p e r a t u r e   d a t a   m e a s u r e d   f o r   g i n k g o   t r e e   w i t h   t h e   m o d e l   p r e d i c t i o n   o f   t e m p e r a t u r e   a n d   f o u n d   t h e   m o d e l   p r e d i c t i o n   i s   v e r y   g o o d .   F r o m   t h e   m o d e l   s i m u l a t i o n   a n d   t h e   c o m p a r i s o n s   o f   t h e   m e a s u r e d   t e m p e r a t u r e   w i t h   r e s p e c t   t o   t h e   t i m e   i n t e r v a l   o f   2 5   d a y s   i n   F i g u r e   3 ,   w e   f o u n d   t h e   m e a n   v a l u e   o f   t e m p e r a t u r e   i s   1 3 . 8 3 .   T h e   p r e d i c t e d   e x p o n e n t i a l   e q u a t i o n   ( 1 0 )   w i t h   k 1 = 1 0 ,   k 2 = 5 0   a n d   m o d i f i e d   b y   c o n s t a n t   k = 3 .   F r o m   e q u a t i o n   ( 1 2 ) ,   ( 1 3 )   a n d   ( 1 4 )   w e   f o u n d   t h e   r e l a t e d   c o r r e l a t i o n   i s   0 . 9 3 5 7 3 6   a f t e r   c a l c u l a t i o n .   F r o m   t h e   s t r o n g   c o r r e l a t i o n   c o e f f i c i e n t   o f   0 . 9 3 5 7 3 6 ,   t h e   m o d e l   p r e d i c t i o n   i s   e x c e l l e n t .     0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 1 3 5 7 9 1 1 1 3 1 5 1 7 1 9 2 1 2 3 T ( G i n k g o ) D a t a ( G i n k g o )   F i g u r e   4 .   T h e   c o m p a r i s o n s   o f   m o d e l   p r e d i c t i o n   w i t h   m e a s u r e d   t e m p e r a t u r e   f o r   g i n k g o   t r e e       4 .   C O N C L U S I O N   T h e   s c a t t e r   s t r e n g t h   o f   e l e c t r o m a g n e t i c   w a v e   f r o m   t h e   t r e e   s k i n   i n   f o r e s t   i s   f l u c t u a t e d   w i t h   t h e   d i e l e c t r i c   c o n s t a n t   o f   t r e e   s k i n   i n   f o r e s t ,   a n d   t h e   d i e l e c t r i c   c o n s t a n t   o f   t r e e   s k i n   i n   f o r e s t   i s   a f f e c t e d   b y   t h e   t e m p e r a t u r e   o f   e n v i r o n m e n t .   T o   s t u d y   t h e   t e m p e r a t u r e   c h a n g e   b y   t h e   w i r e l e s s   s e n s o r   n e t w o r k   t e c h n o l o g y   w e   d e v e l o p e d   a   m o d e l   t o   p r e d i c t   t h e   s c a t t e r   s t r e n g t h   f r o m   r o u g h   d i e l e c t r i c   t r e e   s k i n   s u r f a c e   a n d   c o m p a r e   t h e   p r e d i c t i o n   p a t t e r n   w i t h   t h e   m e a s u r e d   d a t a   i n   f o r e s t .   T h e   m e a s u r e m e n t   s y s t e m   i n c l u d e s   t h e   t e m p e r a t u r e   s e n s o r ,   Z i g B e e   a n d   T m o t e   S k y   w i r e l e s s   s e n s o r   n e t w o r k   f o r   g i n k g o   t r e e .   A f t e r   c o m p a r i n g   w e   f o u n d   t h e   d i f f e r e n c e   b e t w e e n   t h e m   i s   l e s s   t h a n   1   d B .   T h e   c o r r e l a t i o n   c o e f f i c i e n t   b e t w e e n   m o d e l   p r e d i c t i o n   a n d   m e a s u r e m e n t   i s   0 . 9 3 5 7 3 6   a n d   s h o w   t h e   e x c e l l e n t   p r e d i c t i o n   i n   t h i s   m o d e l   s t u d y .   I n   t h e   n e a r   f u t u r e ,   t h e   a d v a n c e s   o f   m i c r o - f a b r i c a t i o n   t e c h n o l o g y   m a k e s   t h e   c o s t   o f   m a n u f a c t u r i n g   s e n s o r   n o d e s   t o   d r o p   c o n t i n u o u s l y .   T h e   i n c r e a s i n g   a p p l i c a t i o n s   o f   w i r e l e s s   s e n s o r   n e t w o r k s   a r e   e x p e c t e d   i n   t h e   f u t u r e .   I n   t h e   f u t u r e   t h e   s e n s o r   n o d e   w i t h   s t a b l e   l o w   p o w e r   c o m m u n i c a t i o n   s c h e m e   w i l l   b e   d e v e l o p e d   a n d   a p p l i e d   i n   t h e   a p p l i c a t i o n s   o f   W S N   t e c h n o l o g y .       R E F E R E N C E S   [ 1 ]     A .   M a i n w a r i n g ,   J .   P o l a s t r e ,   R.   S z e w c z y k ,   D .   Cu l l e r ,   a n d   J .   A n d e r s o n .   " W i r e l e s s   s e n s o r   n e t w o r k s   f o r   h a b i t a t   m o n i t o r i n g . "   P r o c e e d i n g s   o f   t h e   A CM   I n t e r n a t i o n a l   W o r k s h o p   o n   W i r e l e s s   S e n s o r   Ne t wo r k s   a n d   A p p l i c a t i o n s   ( W S N A ) ,   2 0 0 2 .   [ 2 ]     D .   S t e e r e ,   A .   B a p t i s t a ,   D .   M c N a m e e ,   C.   P u ,   a n d   J .   W a l p o l e .   " Re s e a r c h   c h a l l e n g e s   i n   e n v i r o n m e n t a l   o b s e r v a t i o n   a n d   f o r e c a s t i n g   s y s t e m s . "   P r o c e e d i n g s   o f   t h e   S i x t h   A n n u a l   I n t e r n a t i o n a l   Co n f e r e n c e   o n   M o b i l e   Co m p u t i n g   a n d   Ne t wo r k i n g   ( M o b i Co m ) ,   2 0 0 0 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8     I J E C E   V o l . 2 ,   N o . 5 ,   O c t o b e r   2 0 1 2 ,   p p .   6 3 2 ~ 6 3 8   6 3 8 [ 3 ]     C.   K i d d   e t   a l . ,   " T h e   a w a r e   h o m e :   A   l i v i n g   l a b o r a t o r y   f o r   u b i q u i t o u s   c o m p u t i n g   r e s e a r c h . "   P r o c e e d i n g s   o f   t h e   S e c o n d   I n t e r n a t i o n a l   W o r k s h o p   o n   Co o p e r a t i v e   B u i l d i n g s   ( Co B u i l d ) ,   1 9 9 9 .   [ 4 ]     L .   S c h w i e b e r t ,   S .   G u p t a ,   a n d   J .   W e i n m a n n .   " Re s e a r c h   c h a l l e n g e s   i n   w i r e l e s s   n e t w o r k s   o f   b i o m e d i c a l   s e n s o r s . "   P r o c e e d i n g s   o f   t h e   S e v e n t h   A n n u a l   I n t e r n a t i o n a l   C o n f e r e n c e   o n   M o b i l e   Co m p u t i n g   a n d   Ne t wo r k i n g   ( M o b i Co m ) ,   2 0 0 1 .   [ 5 ]     S .   Y o o ,   e t   a l . ,   " A u t o m a t e d   a g r i c u l t u r e   s y s t e m   b a s e d   o n   W S N , "   I S CE   2 0 0 7 .   I E E E   I n t e r n a t i o n a l   S y m p o s i u m   o n   Co n s u m e r   E l e c t r o n i c s ,   I r v i n g ,   T X ,   U S A ,   2 0 0 7 .   [ 6 ]     J .   D .   L e a - Co x ,   e t   a l . ,   " A   w i r e l e s s   s e n s o r   n e t w o r k   f o r   t h e   n u r s e r y   a n d   g r e e n h o u s e   i n d u s t r y , "   S o u t h e r n   Nu r s e r y   A s s o c i a t i o n   R e s e a r c h   C o n f e r e n c e ,   V o l .   5 2 ,   2 0 0 7 .   [ 7 ]     D .   G o e n s e ,   J . T h e l e n ,   " W i r e l e s s   s e n s o r   n e t w o r k s   f o r   p r e c i s e   p h y t o p h t h o r a   d e c i s i o n   s u p p o r t ,   "   A S A E   A n n u a l   I n t e r n a t i o n a l   M e e t i n g ,   T a m p a ,   F L ,   U S A ,   2 0 0 5 .   [ 8 ]     L .   R.   G a r c i a ,   e t   a l . ,   " M o n i t o r i n g   i n t e r m o d a l   r e f r i g e r a t e d   f r u i t   t r a n s p o r t   u s i n g   s e n s o r   n e t w o r k s :   a   r e v i e w .   S p a n , "   J .   A g r i c .   R e s . ,   5 ,   1 4 2 - 1 5 6 ,   2 0 0 7 .   [ 9 ]     W .   B.   H e i n z e l m a n ,   A .   P .   C h a n d r a k a s a n ,   a n d   H .   Ba l a k r i s h n a n ,   " A n   a p p l i c a t i o n - s p e c i c   p r o t o c o l   a r c h i t e c t u r e   f o r   w i r e l e s s   m i c r o s e n s o r   n e t w o r k s , "   I E E E   T r a n s .   o n   W i r e l e s s   Co m m . ,   v o l .   1 ,   n o .   4 ,   O c t .   2 0 0 2 .   [ 1 0 ]     A . J .   P o g g i o ,   a n d   E . K .   M i l l e r ,   I n t e g r a l   E q u a t i o n   S o l u t i o n   o f   T h r e e   D i m e n s i o n a l   S c a t t e r i n g   P r o b l e m s ,   Co m p u t e r   T e c h n i q u e s   f o r   E l e c t r o m a g n e t i c s ,   P e r g a m o n ,   N e w   Y o r k ,   Ch a p t e r   4 ,   1 9 7 3 .   [ 1 1 ]     C.   Y .   H s i e h ,   e t   a l . ,   " A   F u r t h e r   S t u d y   o f   t h e   I E M   S u r f a c e   S c a t t e r i n g   M o d e l , "   I E E E   T r a n s a c t i o n s   O n   G e o s c i e n c e   a n d   R e m o t e   S e n s i n g ,   V o l .   3 5 ,   N 0 .   4 ,   P P .   9 0 1 - 9 0 9 ,   J u l y   1 9 9 7   [ 1 2 ]     C.   Y .   H s i e h ,   " P o l a r i m e t r i c   Bi s t a t i c   S c a t t e r i n g   F r o m   Ra n d o m l y   v e r y   Ro u g h   S u r f a c e s , "   M i c r o wa v e   a n d   O p t i c a l   T e c h n o l o g y   L e t t e r s ,   V o l . 2 5 ,   N o .   4 ,   M a y   2 0 0 0 .     [ 1 3 ]     S u   P i n g ,   " D e l a y   M e a s u r e m e n t   T i m e   S y n c h r o n i z a t i o n   f o r   W i r e l e s s   S e n s o r   N e t w o r k s , "   I R B - T R - 0 3 - 0 1 3 ,   I n t e l   R e s e a r c h   B e r k e l e y   L a b ,   J u n e ,   2 0 0 3 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.