周建軍， 王 秀， 李 素， 劉建東

(1.北京石油化工學(xué)院信息工程學(xué)院，北京 102617； 2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097； 3.北京工商大學(xué)，北京 100048)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中具有低成本、無須布線、靈活性強(qiáng)的優(yōu)勢，可以實(shí)時(shí)、高效地獲取農(nóng)業(yè)環(huán)境和作物信息，符合現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向[1-2]。良好的無線電傳播性能是傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)組網(wǎng)連通、正常工作的前提條件。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功耗低，無線電波傳播受應(yīng)用環(huán)境，如障礙物、地形等因素影響較大[3]，連棟溫室是一個(gè)封閉性的空間，其結(jié)構(gòu)和作物生長會(huì)影響無線電波的傳播特性，有必要對(duì)連棟溫室內(nèi)的無線電波傳播特性進(jìn)行研究與分析。目前，國內(nèi)外研究人員已對(duì)不同農(nóng)業(yè)環(huán)境下的無線信道傳播特性進(jìn)行了一些前期探索性研究，主要側(cè)重于大田和果園對(duì)無線電波傳播特性的影響，部分學(xué)者也對(duì)日光溫室對(duì)無線電波傳播特性的影響進(jìn)行了研究[4-6]。郭秀明等研究了蘋果成熟時(shí)蘋果園2.4 GHz無線信道在不同高度的信號(hào)衰減和丟包情況[7-8]。連棟溫室工廠化番茄種植對(duì)無線信號(hào)傳輸影響的研究還鮮見報(bào)道。

為解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在溫室中部署的關(guān)鍵性技術(shù)問題，研究連棟溫室番茄中2.4 GHz無線信號(hào)在不同傳播方向和高度下的傳播特性，分別對(duì)番茄冠層、中部和根部在3個(gè)傳輸方向的接收信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行測量，為進(jìn)一步研究傳感器節(jié)點(diǎn)在溫室中的部署提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)環(huán)境及材料

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸在溫室環(huán)境下會(huì)受到溫室環(huán)境和作物生長狀況的影響，本研究分析了現(xiàn)代化溫室工廠化番茄生產(chǎn)中無線信號(hào)的傳輸規(guī)律，建立現(xiàn)代化溫室番茄生產(chǎn)中無線電信號(hào)傳播路徑損耗模型。番茄生產(chǎn)無線信號(hào)測試發(fā)射端采用Crossbow公司生產(chǎn)的IRIS無線傳感器節(jié)點(diǎn)，傳輸頻率為2.4 GHz。接收信號(hào)強(qiáng)度(received signal strength indication，RSSI)表示接收信號(hào)功率的大小，接收靈敏度為 -101 dBm，傳感器節(jié)點(diǎn)由2節(jié)5號(hào)干電池供電。接收端使用Crossbow公司生產(chǎn)的MIB520CB中心節(jié)點(diǎn)通過通用串行總線(universal serial bus,USB)和電腦相連，通過Sniffer軟件程序提取RSSI并轉(zhuǎn)化為以dbm為單位的數(shù)值。圖1是無線發(fā)射器和接收器實(shí)物圖。試驗(yàn)時(shí)發(fā)射節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)位于同一高度。每個(gè)位置記錄50個(gè)RSSI數(shù)據(jù)，取平均值作為該位置的無線信號(hào)強(qiáng)度數(shù)值。

1.2 試驗(yàn)環(huán)境

試驗(yàn)地點(diǎn)位于北京市昌平區(qū)特菜大觀園西區(qū)。試驗(yàn)溫室為多跨連棟鋼結(jié)構(gòu)，溫室長55.0 m(東西向)，寬48.0 m(南北向)，高6.7 m。該溫室鋪設(shè)有30行巖棉架，巖棉架行間距 1.5 m，巖棉架中間鋪設(shè)有暖氣管道，管道同時(shí)也是采摘車軌道。該溫室采用工廠化種植番茄，南北方向種植。番茄種植于巖棉塊中，由營養(yǎng)液提供養(yǎng)分。巖棉塊密封放置于巖棉床中，巖棉床固定于“U”形板材焊接的支架上，支架高度為 75 cm。番茄莖稈使用懸掛的塑料繩牽引，保持番茄莖稈處于直立狀態(tài)，番茄根部離地高度約80 cm。2016年7月2日種植第2茬番茄。試驗(yàn)時(shí)，番茄生長處于開花結(jié)果期。

1.3 試驗(yàn)方法

為多層次、多角度測試研究番茄對(duì)無線信號(hào)傳播特性的影響，選擇番茄的2個(gè)生長階段進(jìn)行無線信號(hào)傳輸試驗(yàn)。試驗(yàn)中規(guī)定3個(gè)測試方向和3個(gè)測試高度。3個(gè)測試方向分別是與番茄種植行平行的0°方向、與番茄行垂直的90°方向以及與番茄行呈45°角的方向。試驗(yàn)時(shí)發(fā)射節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)位于同一高度，發(fā)射節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)的天線保持豎直方向(圖2)。

2 結(jié)果與分析

2.1 開花期試驗(yàn)

2016年8月28日進(jìn)行試驗(yàn)，此時(shí)番茄處于開花期，莖稈高度約1.2 m。根據(jù)番茄的高度， 選擇的3個(gè)測試高度是傳感節(jié)點(diǎn)位于天線高度距離地面0.8 m；天線高度距離地面 1.5 m，節(jié)點(diǎn)位于番茄中部；天線高度距離地面2.0 m，節(jié)點(diǎn)位于番茄冠層。圖3為開花期無線節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度不同方向和高度下接收信號(hào)強(qiáng)度隨收發(fā)節(jié)點(diǎn)之間距離的變化曲線。

由圖3可知，在0°方向上(行間)，行間收發(fā)節(jié)點(diǎn)布置高度視線較好，各個(gè)高度無線信號(hào)衰減速度接近。36 m距離處在0.8 m高度布置的無線信號(hào)強(qiáng)度衰減為-100 dBm。在90°方向上，無線信號(hào)傳輸受到番茄行的影響，0.8 m高度布置的無線節(jié)點(diǎn)在12 m處接收信號(hào)強(qiáng)度衰減到-100 dBm，1.5 m 高度在18 m左右衰減到-100 dBm，2.0 m高度在 33 m 處無線信號(hào)強(qiáng)度還未衰減到-100 dBm，說明無線節(jié)點(diǎn)在90°方向位于0.8 m高度和1.5 m高度的信號(hào)強(qiáng)度衰減速度明顯大于位于2.0 m高度(冠層)，也就是無線節(jié)點(diǎn)位于冠層時(shí)的傳輸距離明顯大于位于根部和番茄中部的傳輸距離。這是由于節(jié)點(diǎn)位于根部或番茄中部時(shí)，番茄枝葉茂密，無線信號(hào)受到番茄枝葉的遮擋會(huì)加快衰減，傳輸距離縮短；節(jié)點(diǎn)處在冠層之上時(shí)，無線信號(hào)受到番茄枝葉的遮擋和番茄枝葉的吸收較小，傳輸距離較遠(yuǎn)。在45°方向上，0.8 m高度在16 m處接收信號(hào)強(qiáng)度衰減到-100 dBm，2.0 m高度在36 m處無線信號(hào)強(qiáng)度尚未衰減到-100 dBm。說明節(jié)點(diǎn)位于0.8 m高度信號(hào)強(qiáng)度衰減速度明顯大于位于2.0 m高度(冠層)。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)放置處番茄枝葉繁密程度也對(duì)無線信號(hào)衰減有較大影響。

2.2 番茄初果期無線信號(hào)衰減試驗(yàn)

2016年9月18日在3個(gè)方向上進(jìn)行無線信號(hào)強(qiáng)度隨距離變化的試驗(yàn)。此時(shí)番茄處于初果期，番茄莖直立高度約 1.9 m(番茄冠層距離地面約2.7 m)。根據(jù)番茄的高度，選擇的測試高度分別為傳感節(jié)點(diǎn)位于天線高度距離地面0.8 m，節(jié)點(diǎn)位于番茄中部、天線高度距離地面1.5 m，節(jié)點(diǎn)位于番茄中上部、天線高度距離地面2.5 m，節(jié)點(diǎn)位于番茄冠層、天線高度距離地面3.0 m。圖4為番茄初果期不同方向和高度下接收信號(hào)強(qiáng)度隨距離的變化曲線。

在同一方向下，無線信號(hào)在3.0 m高度上信號(hào)衰減最慢，信號(hào)傳輸距離最遠(yuǎn)。在0°方向下，3.0 m高度40 m處無線信號(hào)還未衰減到-100 dBm，0.8 m高度20 m處無線信號(hào)衰減到 -100 dBm。45°方向上0.8 m高度14 m處無線信號(hào)衰減到 -100 dBm，2.5 m高度20 m處無線信號(hào)還未衰減到 -100 dBm，3.0 m高度40 m處無線信號(hào)還未衰減到 -100 dBm。90°方向上，0.8 m高度 13 m 處無線信號(hào)衰減到-100 dBm，3.0 m高度33 m處無線信號(hào)還未衰減到-100 dBm。

2.3 丟包率影響試驗(yàn)

丟包率是用來衡量信號(hào)優(yōu)劣水平的一個(gè)重要指標(biāo)，即：

P=L/S×100%。

(1)

式中：P表示丟包率；L表示丟失數(shù)據(jù)包數(shù)量；S表示發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)量。

在2016年8月28日的無線信號(hào)傳輸特性影響試驗(yàn)中，得到如圖5所示的丟包率與傳輸距離之間的數(shù)據(jù)曲線。各個(gè)方向和高度無線信號(hào)在10 m距離內(nèi)丟包率為0，能保證無線信號(hào)的可靠傳輸。當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度接近接收靈敏度時(shí)，丟包現(xiàn)象開始出現(xiàn)；當(dāng)信號(hào)衰減到接收靈敏度后，丟包現(xiàn)象較嚴(yán)重，丟包率隨收發(fā)節(jié)點(diǎn)間距離呈無規(guī)律變化，總體趨勢是距離越大，丟包率越大。

2.4 回歸分析

2.4.1 對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型 研究表明，很多農(nóng)業(yè)、林業(yè)等環(huán)境中，信號(hào)衰減都能用對(duì)數(shù)距離損耗模型來預(yù)測無線信號(hào)強(qiáng)度[8]。對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型如公式(2)所示。

PR=A-10nlgd。

(2)

式中：PR為接收信號(hào)強(qiáng)度，dbm；A為模型參數(shù)；d為傳播距離，m；n為衰減系數(shù)，n值的大小反映了信號(hào)強(qiáng)度隨傳播距離增加而衰減的速度，n值和傳播環(huán)境相關(guān)。

3.4.2 回歸參數(shù)分析 公式(2)為回歸模型，在Excel中利用曲線擬合算法，對(duì)測得的番茄溫室中不同方向和高度下的信號(hào)強(qiáng)度值進(jìn)行回歸分析，得到參數(shù)A和n(表1)。

開花期在同一方向，無線信號(hào)在2.0 m高度上衰減系數(shù)n最小，信號(hào)衰減最慢，信號(hào)傳輸距離最遠(yuǎn)。0°方向上，0.8 m 高處n為0.973，2.0 m高度n為0.825。90°方向上，0.8 m 高處n為1.346，1.5 m高度n為1.010，2.0 m高度n為0.849。說明無線節(jié)點(diǎn)布置在冠層以上無線信號(hào)衰減最慢，傳輸距離較遠(yuǎn)。在同一個(gè)高度，0°方向上的n最小，信號(hào)衰減最慢。這是因?yàn)樵?°方向上巖棉架間距為1.5 m，番茄行間距離較寬，視線較好，信號(hào)衰減較慢(表1)。

表1 開花期對(duì)數(shù)路徑損耗模型回歸參數(shù)

初果期，在同一方向，無線信號(hào)在3.0 m高度上衰減系數(shù)n最小，信號(hào)衰減最慢，信號(hào)傳輸距離最遠(yuǎn)。0°方向3.0 m高度n為0.863 0，45°方向3.0 m高度n為0.754 3，90°方向 3.0 m 高度n為0.772 8。番茄初果期，0°方向1.5 m高n為1.053 0，2.5 m高度n為0.963 0。90°方向， 1.5 m高度n為1.064 0，2.5 m高度n為1.028 0。在同一方向，3.0 m高度的衰減系數(shù)n最小，信號(hào)衰減最慢。在同一個(gè)高度，0°方向的n稍小，信號(hào)衰減較同一高度其他方向慢(表2)。

表2 初果期對(duì)數(shù)路徑損耗模型回歸參數(shù)

2.5 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

綜合番茄2個(gè)生長階段對(duì)無線信號(hào)傳輸影響的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可知：(1)收發(fā)節(jié)點(diǎn)布置于番茄冠層以上，無線信號(hào)衰減最慢，信號(hào)傳輸距離最遠(yuǎn)。(2)傳感器節(jié)點(diǎn)在番茄中的布置高度決定了連棟溫室番茄中2.4 GHz無線電波的傳播特性，對(duì)無線信道傳播特性的影響較為顯著；而傳播方向?qū)厥抑袩o線信號(hào)的衰減也有一定影響。(3)2.4 GHz無線信號(hào)接收信號(hào)強(qiáng)度隨通信距離的增加總體呈遞減趨勢，而信號(hào)強(qiáng)度在衰減至接收靈敏度之前丟包率較小，偶有發(fā)生丟包的現(xiàn)象；信號(hào)強(qiáng)度衰減到接收靈敏度時(shí)丟包率增加，丟包率隨通信距離的增加總體呈遞增趨勢。

3 結(jié)論

筆者研究了番茄開花期和初果期連棟溫室中2.4 GHz無線信號(hào)在不同方向和高度的衰減情況， 通過試驗(yàn)和分析得出結(jié)論：(1)連棟溫室工廠化番茄開花期和初果期，番茄連棟溫室中2.4 GHz短程無線電信號(hào)路徑損耗均符合對(duì)數(shù)路徑衰減模型。(2)在同一方向，無線信號(hào)在冠層以上衰減系數(shù)最小，信號(hào)衰減最慢，信號(hào)傳輸距離最遠(yuǎn)。在同一個(gè)高度，0°方向的衰減系數(shù)最小，信號(hào)衰減最慢。(3)為減少番茄種植和不同傳播方向?qū)o線信號(hào)傳播特性的影響，應(yīng)將無線節(jié)點(diǎn)部署在番茄冠層及以上位置。

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