番茄連棟溫室內無線信號傳輸特性

周建軍， 王 秀， 李 素， 劉建東

(1.北京石油化工學院信息工程學院，北京 102617； 2.北京農業智能裝備技術研究中心，北京 100097； 3.北京工商大學，北京 100048)

無線傳感器網絡在農業應用中具有低成本、無須布線、靈活性強的優勢，可以實時、高效地獲取農業環境和作物信息，符合現代化農業的發展方向[1-2]。良好的無線電傳播性能是傳感器網絡應用系統組網連通、正常工作的前提條件。由于無線傳感器網絡功耗低，無線電波傳播受應用環境，如障礙物、地形等因素影響較大[3]，連棟溫室是一個封閉性的空間，其結構和作物生長會影響無線電波的傳播特性，有必要對連棟溫室內的無線電波傳播特性進行研究與分析。目前，國內外研究人員已對不同農業環境下的無線信道傳播特性進行了一些前期探索性研究，主要側重于大田和果園對無線電波傳播特性的影響，部分學者也對日光溫室對無線電波傳播特性的影響進行了研究[4-6]。郭秀明等研究了蘋果成熟時蘋果園2.4 GHz無線信道在不同高度的信號衰減和丟包情況[7-8]。連棟溫室工廠化番茄種植對無線信號傳輸影響的研究還鮮見報道。

為解決無線傳感器網絡在溫室中部署的關鍵性技術問題，研究連棟溫室番茄中2.4 GHz無線信號在不同傳播方向和高度下的傳播特性，分別對番茄冠層、中部和根部在3個傳輸方向的接收信號強度進行測量，為進一步研究傳感器節點在溫室中的部署提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗環境及材料

無線傳感器網絡信號傳輸在溫室環境下會受到溫室環境和作物生長狀況的影響，本研究分析了現代化溫室工廠化番茄生產中無線信號的傳輸規律，建立現代化溫室番茄生產中無線電信號傳播路徑損耗模型。番茄生產無線信號測試發射端采用Crossbow公司生產的IRIS無線傳感器節點，傳輸頻率為2.4 GHz。接收信號強度(received signal strength indication，RSSI)表示接收信號功率的大小，接收靈敏度為 -101 dBm，傳感器節點由2節5號干電池供電。接收端使用Crossbow公司生產的MIB520CB中心節點通過通用串行總線(universal serial bus,USB)和電腦相連，通過Sniffer軟件程序提取RSSI并轉化為以dbm為單位的數值。圖1是無線發射器和接收器實物圖。試驗時發射節點和接收節點位于同一高度。每個位置記錄50個RSSI數據，取平均值作為該位置的無線信號強度數值。

1.2 試驗環境

試驗地點位于北京市昌平區特菜大觀園西區。試驗溫室為多跨連棟鋼結構，溫室長55.0 m(東西向)，寬48.0 m(南北向)，高6.7 m。該溫室鋪設有30行巖棉架，巖棉架行間距 1.5 m，巖棉架中間鋪設有暖氣管道，管道同時也是采摘車軌道。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，由營養液提供養分。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，番茄根部離地高度約80 cm。2016年7月2日種植第2茬番茄。試驗時，番茄生長處于開花結果期。

1.3 試驗方法

為多層次、多角度測試研究番茄對無線信號傳播特性的影響，選擇番茄的2個生長階段進行無線信號傳輸試驗。試驗中規定3個測試方向和3個測試高度。3個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。試驗時發射節點和接收節點位于同一高度，發射節點和接收節點的天線保持豎直方向(圖2)。

2 結果與分析

2.1 開花期試驗

2016年8月28日進行試驗，此時番茄處于開花期，莖稈高度約1.2 m。根據番茄的高度， 選擇的3個測試高度是傳感節點位于天線高度距離地面0.8 m；天線高度距離地面 1.5 m，節點位于番茄中部；天線高度距離地面2.0 m，節點位于番茄冠層。圖3為開花期無線節點信號強度不同方向和高度下接收信號強度隨收發節點之間距離的變化曲線。

由圖3可知，在0°方向上(行間)，行間收發節點布置高度視線較好，各個高度無線信號衰減速度接近。36 m距離處在0.8 m高度布置的無線信號強度衰減為-100 dBm。在90°方向上，無線信號傳輸受到番茄行的影響，0.8 m高度布置的無線節點在12 m處接收信號強度衰減到-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 處無線信號強度還未衰減到-100 dBm，說明無線節點在90°方向位于0.8 m高度和1.5 m高度的信號強度衰減速度明顯大于位于2.0 m高度(冠層)，也就是無線節點位于冠層時的傳輸距離明顯大于位于根部和番茄中部的傳輸距離。這是由于節點位于根部或番茄中部時，番茄枝葉茂密，無線信號受到番茄枝葉的遮擋會加快衰減，傳輸距離縮短；節點處在冠層之上時，無線信號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。在45°方向上，0.8 m高度在16 m處接收信號強度衰減到-100 dBm，2.0 m高度在36 m處無線信號強度尚未衰減到-100 dBm。說明節點位于0.8 m高度信號強度衰減速度明顯大于位于2.0 m高度(冠層)。試驗中發現節點放置處番茄枝葉繁密程度也對無線信號衰減有較大影響。

2.2 番茄初果期無線信號衰減試驗

2016年9月18日在3個方向上進行無線信號強度隨距離變化的試驗。此時番茄處于初果期，番茄莖直立高度約 1.9 m(番茄冠層距離地面約2.7 m)。根據番茄的高度，選擇的測試高度分別為傳感節點位于天線高度距離地面0.8 m，節點位于番茄中部、天線高度距離地面1.5 m，節點位于番茄中上部、天線高度距離地面2.5 m，節點位于番茄冠層、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強度隨距離的變化曲線。

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

2.3 丟包率影響試驗

丟包率是用來衡量信號優劣水平的一個重要指標，即：

P=L/S×100%。

(1)

式中：P表示丟包率；L表示丟失數據包數量；S表示發送數據包數量。

在2016年8月28日的無線信號傳輸特性影響試驗中，得到如圖5所示的丟包率與傳輸距離之間的數據曲線。各個方向和高度無線信號在10 m距離內丟包率為0，能保證無線信號的可靠傳輸。當信號強度接近接收靈敏度時，丟包現象開始出現；當信號衰減到接收靈敏度后，丟包現象較嚴重，丟包率隨收發節點間距離呈無規律變化，總體趨勢是距離越大，丟包率越大。

2.4 回歸分析

2.4.1 對數距離路徑損耗模型 研究表明，很多農業、林業等環境中，信號衰減都能用對數距離損耗模型來預測無線信號強度[8]。對數距離路徑損耗模型如公式(2)所示。

PR=A-10nlgd。

(2)

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

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

開花期在同一方向，無線信號在2.0 m高度上衰減系數n最小，信號衰減最慢，信號傳輸距離最遠。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。說明無線節點布置在冠層以上無線信號衰減最慢，傳輸距離較遠。在同一個高度，0°方向上的n最小，信號衰減最慢。這是因為在0°方向上巖棉架間距為1.5 m，番茄行間距離較寬，視線較好，信號衰減較慢(表1)。

表1 開花期對數路徑損耗模型回歸參數

初果期，在同一方向，無線信號在3.0 m高度上衰減系數n最小，信號衰減最慢，信號傳輸距離最遠。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n最小，信號衰減最慢。在同一個高度，0°方向的n稍小，信號衰減較同一高度其他方向慢(表2)。

表2 初果期對數路徑損耗模型回歸參數

2.5 試驗結果對比分析

綜合番茄2個生長階段對無線信號傳輸影響的試驗數據，可知：(1)收發節點布置于番茄冠層以上，無線信號衰減最慢，信號傳輸距離最遠。(2)傳感器節點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，對無線信道傳播特性的影響較為顯著；而傳播方向對溫室中無線信號的衰減也有一定影響。(3)2.4 GHz無線信號接收信號強度隨通信距離的增加總體呈遞減趨勢，而信號強度在衰減至接收靈敏度之前丟包率較小，偶有發生丟包的現象；信號強度衰減到接收靈敏度時丟包率增加，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無線信號在不同方向和高度的衰減情況， 通過試驗和分析得出結論：(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短程無線電信號路徑損耗均符合對數路徑衰減模型。(2)在同一方向，無線信號在冠層以上衰減系數最小，信號衰減最慢，信號傳輸距離最遠。在同一個高度，0°方向的衰減系數最小，信號衰減最慢。(3)為減少番茄種植和不同傳播方向對無線信號傳播特性的影響，應將無線節點部署在番茄冠層及以上位置。

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