郭秀明 周國民

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）應用于蘋果園中能提高蘋果生產(chǎn)的信息化水平，但WSN溫濕度傳感器部署的數(shù)量及位置是WSN節(jié)點部署中亟需解決的問題。基于此，在北京市豐臺區(qū)一個普通蘋果園進行了實地試驗，采用溫濕度儀測量了大量點的溫濕度，研究空氣溫濕度的空間分布特征以決定傳感器部署策略。結果表明，對于單個冠層，空氣溫濕度在每個平面具有相同的走勢；距離果園邊緣的果樹冠層空氣溫濕度的極差大于果園中心位置的果樹，相差約3倍；果樹間隙的空氣溫濕度極差和果園中心處的冠層極差相近?；诖?，提出了一種“先平面后整體，外密里疏”的蘋果園中空氣溫濕度傳感器的部署方法。

關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）；空氣溫濕度；蘋果園；節(jié)點部署

中圖分類號：S661.1；S162.5+5 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）05-1189-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.05.026

Studies on Distribution Characteristics of Air Temperature

and Humidity in an Apple Orchard

GUO Xiu-ming， ZHOU Guo-min

（Agricultural Information Institute， China Academy of Agricultural Sciences， Beijing 100081， China）

Abstract： Wireless sensor networks（WSN） application in apple orchards can improve the informationization level of the apple industry， however the deployment number and position of WSN temperature and humidity sensor is a problem to be solved urgently. To solve the problems， the field experiments were performed in a common apple orchard in Fengtai district of Beijing city， and the air temperature and humidity at a large number of positions was measured to research the distribution characteristics of air temperature and humidity in an apple orchard， so as to determine the deployment stradegy of the sensor. The results showed that， air temperature and humidity had the same variation tendency in different horizontal levels for an individual canopy. The range in the canopy at the edge was much more than that at the center， with a differential approximately 3 times. The range in the trees clearance was similar with that in the canopy at the center. According to the results， a “plane first then the whole， and dense on the edge and sparse in the center” deployment method was proposed.

Key words： wireless sensor networks（WSN）； air temperature and humidity； apple orchard； sensor deployment

無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）可通過分布式的眾多傳感器實現(xiàn)對客體環(huán)境的感知，遠程實時地實現(xiàn)物和人的連接，是繼互聯(lián)網(wǎng)之后的革命性的新技術。WSN具有低功耗，自組網(wǎng)，靈活性強等優(yōu)勢，受到眾多研究者的青睞，已經(jīng)越來越多地應用于農(nóng)田生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測中[1-5]。中國是蘋果生產(chǎn)大國，然而，中國蘋果產(chǎn)業(yè)存在技術落后、信息化水平低、管理粗放、防病蟲害能力差等問題[6-8]?？諝鉁貪穸仁翘O果園中重要的環(huán)境參數(shù)之一，和蘋果病蟲害[9]及蘋果的品質[10]密切相關，將WSN應用于蘋果園中采集溫濕度參數(shù)，可提高蘋果的產(chǎn)量及品質。然而，在搭建WSN系統(tǒng)平臺時，節(jié)點部署是WSN應用中重要的一步，決定WSN的效率和性能，溫濕度傳感器部署的數(shù)量及位置是WSN節(jié)點部署中亟需解決的問題。

農(nóng)田中WSN節(jié)點部署策略的研究日益受到關注[11-16]。然而，關于蘋果園中空氣溫濕度采集節(jié)點的部署方案鮮見報道。蘋果園中空氣溫濕度采集節(jié)點的部署方案和園中空氣溫濕度的空間分布特性相關，為此，在北京市豐臺區(qū)的一個普通蘋果園進行了試驗，從不同空間角度研究了空氣溫濕度在蘋果園中的空間分布特性，基于試驗結果提出了一種“先平面后整體，外密里疏”的空氣溫濕度采集節(jié)點部署方案，以期為WSN在蘋果園中的應用提供一定的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 蘋果園概況

選取北京市豐臺區(qū)的一個普通蘋果園為試驗蘋果園，2000年建園，占地約5.3 hm2，主栽蘋果品種為富貴和華紅。果樹的行列間距為4 m×4 m， 果樹高約3 m，主干高約0.5 m。果樹冠層為紡錘形，冠層長×寬約為3 m×3 m。試驗于2014年9月19日蘋果膨脹期進行。

1.2 試驗方法

采用臺灣TES-1360A型數(shù)字溫濕度測量儀測量蘋果園中的空氣溫濕度，其空氣溫濕度的分辨率分別為0.1 ℃和0.1% RH，其準確度分別為±0.8 ℃和±3% RH。

在蘋果園中選取采樣點測量空氣溫濕度，測量方法如圖1所示。果樹冠層是一個復雜的微系統(tǒng)，為了研究冠層內部空氣溫濕度的變化規(guī)律，需在冠層內部選取多個采樣點進行空氣溫濕度的測量。果樹處在蘋果園環(huán)境中，距離蘋果園邊緣的距離不同，通風性及日照均有差別，為了研究蘋果園不同深處溫濕度的差異，需在蘋果園邊緣到中心不同距離采樣測量?；谝陨蟽牲c，選取位于蘋果園邊緣、中心及兩者之間的3棵果樹（圖1中A、C、B所示），在每個冠層選取多個采樣點進行測量。

在冠層中，距離地面的高度不同，受地面的影響也不同，果樹對日照的遮擋也有差異，空氣溫濕度可能不同?？拷趯又行牡木嚯x不同，通風性和光照不同，也可能會造成空氣溫濕度的差異。以果樹根部所在的點為中心點，建立一個長×寬為3 m×3 m的正方形，將此正方形均勻劃分為9個1 m×1 m的正方形，分別測量每個交點處的空氣溫濕度。以0.5 m為間隔，依次在距離地面0.5～2.0 m水平高度的正方形上測量交點處的空氣溫濕度。如圖1中D所示，為了簡化起見，只畫出了地面和最高2 m處的測量平面。

蘋果園環(huán)境由多棵離散的果樹分布組成，每棵果樹冠層都是一個獨立的微環(huán)境，除了果樹冠層，果樹之間的空隙空氣溫濕度可能也存在差異。為了研究果樹空隙中空氣溫濕度的變化規(guī)律，在蘋果園邊緣一行中選定兩棵果樹，測量它們之間空隙間垂直于地面的5個高度0、0.5、1.0、1.5、2.0 m的空氣溫濕度。以同樣的方法，對3棵采樣果樹進行了測量。

2 結果與分析

2.1 果樹冠層內部溫濕度分布特征

空氣溫度及濕度在3棵不同的果樹冠層的分布如圖2和圖3所示。對于每個冠層，展示了5個水平面上各16個點的測量值。對于每棵測量的果樹，都建立相對于果樹的同樣方位的坐標系：以地面為x軸和y軸所在的平面，以樹根位置為x軸和y軸的交點，x軸和y軸分別平行于長方形果園的兩條邊。由圖2和3可以看出，同一冠層，不同水平面上的空氣溫濕度分布變化趨勢相同。果樹1每個水平面上，空氣溫度均隨著x軸的增加逐漸增加，果樹2每個水平面上的空氣溫度變化不大，果樹3空氣濕度在每個水平面上都隨著距離x軸的增加逐漸增加?？諝鉁囟入S著距離果園中心距離的減小而降低，空氣濕度則相反，溫濕度的變化規(guī)律具有一定相關性。由圖2可知，曲線組位置明顯降低，果樹3的分布曲線位于坐標空間的最下端。圖3中，曲線組整體式逐漸上移，尤其是在x軸為正的半空間。冠層不同水平面上的空氣溫度的差異在邊緣處的果樹大于果園內部的果樹。

2.2 果樹間隙溫濕度的分布特征

從蘋果園邊緣開始的第1個位置點直至近蘋果園中心位置的第8個位置點不同高度的空氣溫濕度如圖4所示。為了保持一致性，空氣溫濕度的縱坐標選取與圖2一樣的取值范圍。位置點“0”表示蘋果園外空白地的測量值?？諝鉁囟入S著向蘋果園中心的延伸僅略有增加，總體上隨著高度的增加溫度逐漸增加，最大相差約0.5 ℃。空氣濕度隨著向蘋果園中心的延伸呈線性減小，由約73%減小至68%，不同高度的空氣濕度相差較小。

2.3 蘋果園空氣溫濕度的統(tǒng)計分析

為了清晰地展示空氣溫濕度在蘋果園中的分布及變化規(guī)律，計算了果樹冠層、果樹間隙及整個蘋果園每個果園空間不同高度的空氣溫濕度的最大值、最小值、極差、平均值及均方根誤差，具體見表1和表2。

由表1可知，不同高度層空氣溫濕度的極差因果園空間（包括不同的果樹冠層、果樹間隙及整個果園）的不同而不同，對同一空間對象，極差在不同層的變化很小?？諝鉁囟葮O差在果樹1冠層、果樹2冠層、果樹3冠層、果樹間隙及整個蘋果園5個高度的變化范圍分別為1.6～2.3 ℃、0.6～0.9 ℃、0.6～0.8 ℃、0.3～0.5 ℃、1.9～2.3 ℃。空氣濕度極差在5個空間對象不同高度的變化范圍分別為8.8%～11.7%、5.7%～7.5%、3.8%～4.8%、4.4%～5.5%、9.6%～11.9%。雖然果樹間隙和單棵果樹冠層相比空間范圍大，空氣溫度極差在果樹間隙的變化幅度為0.2 ℃，不大于極差在任一其他果樹冠層的變化幅度?？諝鉂穸葮O差在果樹間隙的變化幅度為1.1%，與果樹3冠層的1.0%的變化幅度相當，小于果樹1冠層和果樹2冠層的變化幅度，這與果樹冠層大量分布不規(guī)則的枝葉對光照及通風的影響有關。雖然果樹冠層體積較小，但每個冠層都是一個復雜的微系統(tǒng)，冠層內部的光合作用、水分蒸騰等果樹生理活動在一刻不停地進行著，影響冠層內部空氣溫濕度的變化。

空氣溫濕度在不同果園空間均方根誤差不同?？諝鉁囟鹊木礁`差在果樹1冠層、果樹2冠層、果樹3冠層、果樹間隙及整個蘋果園中5個高度的變化范圍分別為0.468～0.631 ℃、0.168～0.266 ℃、0.182～0.252 ℃、0.092～0.126 ℃、0.455～0.546 ℃；空氣濕度的均方根誤差在5個果園空間中5個高度的變化范圍分別為2.845%～3.789%、1.712%～1.987%、1.111%～1.371%、1.508%～1.648%、2.776%～3.115%，果樹1冠層的均方根誤差均大于其他果園空間的均方根誤差，這可能和果樹1在果園邊緣，受蘋果園外部環(huán)境影響較大有關。空氣溫濕度在果樹間隙的均方根誤差變化幅度均小于任一果樹冠層的變化幅度，說明果樹冠層溫濕度受高度的變化影響大于果樹間隙，這是由于果樹間隙受枝葉影響較小的緣故。

無論在果園哪個空間，不同高度的空氣溫濕度均值相差很小，果樹1冠層的空氣溫濕度極差最大，分別為為2.3 ℃和1.12%?？諝鉁囟鹊牟煌叨绕骄翟诠麡?冠層、果樹2冠層、果樹3冠層、果樹間隙及整個蘋果園的變化幅度分別為0.23、0.06、0.13、0.3、0.06 ℃；空氣濕度的5個高度的平均值在5個果園空間的變化幅度分別為1.12%、0.9%、0.9%、0.4%、0.3%?？諝鉁貪穸染翟诓煌叨鹊淖畲蟛▌泳霈F(xiàn)在果樹1冠層，這與果樹1冠層在果園中處于邊緣位置有關。

空氣溫度的極差分別為2.3、0.9、0.8、0.7、2.4 ℃；空氣濕度的極差分別為11.7%、8.6%、5.1%、5.6%、12.3%?？諝鉁貪穸鹊臉O差在果樹1冠層、果樹2冠層、果樹3冠層、果樹間隙為逐漸遞減的關系。這與果樹在果園中所處的位置距離果樹邊緣的遠近不同有關，距離蘋果園邊緣的距離不同，受氣象環(huán)境及蘋果園微氣候的影響不同。果樹1冠層的空氣溫濕度極差與整個蘋果園相差不大，差值分別為0.1 ℃和0.6%。說明蘋果園邊緣果樹溫濕度的變化差異是整個果園溫濕度變化差異的主要原因。

3 小結

試驗結果表明，空氣溫濕度在果樹冠層的變化范圍隨著離果樹邊緣距離的增加而逐漸減小。果樹冠層的溫度極差由邊緣處的2.3 ℃減小到蘋果園中心處的0.8 ℃。所以，要實現(xiàn)同樣的較小精度的蘋果園環(huán)境監(jiān)測，蘋果園邊緣的果樹冠層需要放置的傳感器節(jié)點的個數(shù)應大于蘋果園中心處的個數(shù)。假設x為待監(jiān)測的蘋果園溫度精確度，則蘋果園邊緣處的果樹需要放置的溫度傳感器個數(shù)為2.3/x的向上取整，蘋果園中心處果樹冠層需放置的個數(shù)為0.8/x的向上取整。如果x不小于2.3，即目標采集的蘋果園溫度的精確度要求較低或傳感器的靈敏度較差，則整個蘋果園只需一個溫度傳感器即可。蘋果園濕度在果樹冠層的分布變化規(guī)律和蘋果園溫度的變化規(guī)律相似。

在果樹冠層中，空氣溫濕度在每個高度層的分布曲面具有相似的走勢，在監(jiān)測果樹冠層溫濕度時，可采取重點監(jiān)測一個平面而其他平面只取一兩個監(jiān)測點即可，通過監(jiān)測曲面上的點估計待監(jiān)測平面的相應位置點上溫濕度的方法，可以減少WSN節(jié)點的個數(shù)。

果樹間隙的空氣溫濕度的變化極差與蘋果園中心處的果樹冠層相近，所以如需要監(jiān)測果樹間隙溫濕度的變化特性，對于同樣的監(jiān)測精度要求，監(jiān)測果樹間隙的空氣溫濕度需要和蘋果園中心位置點的果樹相似數(shù)量的傳感器。同時，由于空氣溫度隨著高度的增加逐漸增加，增幅均值約為0.3 ℃，且增幅的波動較小，采用只監(jiān)測一個高度的溫度，其他高度可根據(jù)已有高度進行預測的方法?？諝鉂穸入S著距離蘋果園中心位置的靠近而減小，且每個高度層之間平均相差約為0.5%，最大不超過1.5%。如果對濕度的監(jiān)測精度較小，可監(jiān)測一個高度的空氣濕度即可。

基于以上幾點，在WSN部署在蘋果園中實現(xiàn)空氣溫濕度的監(jiān)測應用時，提出一種基于果樹方位的“先平面后整體，外密里疏”的節(jié)點部署方法，即由蘋果園邊緣至蘋果園中心位置，依據(jù)果樹距離邊緣的遠近選定幾棵果樹，對于每棵果樹將多個節(jié)點部署在同一水平高度層，在其他高度放置2、3個節(jié)點在固定位置。由于蘋果園邊緣的果樹空氣溫濕度的變化范圍較蘋果園中心區(qū)大很多，因此邊緣的果樹所部署的節(jié)點個數(shù)要遠大于果園中心區(qū)果樹的節(jié)點個數(shù)，相差約3倍。

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