面向多機器人的傳統蘋果園無線通信信號傳播特性研究

劉志杰 劉 恒 毛文菊 楊福增 王 旺 秦紀鳳

(1.西北農林科技大學機械與電子工程學院， 陜西楊凌 712100；2.農業農村部蘋果全程機械化科研基地， 陜西楊凌 712100；3.農業農村部北方農業裝備科學觀測實驗站， 陜西楊凌 712100)

0 引言

我國蘋果種植面積占世界50%以上，傳統果園種植面積約占果園種植總面積的75%[1]。傳統果園樹間枝組交叉、低矮密閉，果園機械通過性差，生產作業仍以人工為主[1-2]。隨著農業勞動力減少、農村老齡化問題日漸突出，“用工荒”、“用工貴”問題嚴峻[3-4]。發展多機器人協同技術，提高機器作業效率，已逐漸成為果園現代化、智能化發展的研究熱點[5-9]。

通信作為多機器人系統的關鍵技術之一，是實現農業多機器人協同作業的重要基礎[10-12]。研究通信信號在果園中的傳播特性，可為農業多機器人無線通信系統設計提供理論指導[13-14]。

郭秀明等[15]研究了蘋果園中2.4 GHz射頻信號在距離地面高度0.5(主干高度)、1.0、1.5、…、3.0 m(冠層高度)處不同距離下的信號接收強度和丟包情況，發現信號衰減符合對數損耗模型，并得到無線傳感器網絡天線最佳部署高度為3.0 m。

在實際應用于傳統蘋果園環境的多機器人通信系統中，通信節點架設位置必須低于果樹第一側枝高度(其高度不高于1.2 m)，方能保證多機器人在果園環境中良好的通過性。目前，未見對無線信號在傳統蘋果園地面與果樹第一側枝高度范圍內的傳播特性研究。因此，針對農業多機器人的通信需求，有必要對無線通信信號在傳統蘋果園環境下的傳播特性進行研究。

本文擬對2.4 GHz Wi-Fi信號在傳統蘋果園中的傳播特性進行研究。在4種不同節點高度下測量Wi-Fi信號沿著多機器人(以3臺機器人為例)4種編隊方式形成的路徑下的信號強度，建立無線信號在傳統蘋果園中傳播的預測模型，為多機器人無線通信節點部署提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗環境

試驗地點選在陜西省渭南市白水縣西北農林科技大學白水蘋果試驗示范站西南方向400 m處的傳統蘋果園(35°12′24.444″N，109°32′33.612″E)，選取試驗蘋果園中長勢均勻的果樹區域進行試驗。試驗區蘋果果樹品種為“紅富士”，開心形樹形，果樹枝組交叉密閉，樹冠透光率小于30%(行間枝條有不同程度修剪)，樹齡15 a左右，種植面積9 900 m2(180 m×55 m)，株距約3 m，行距約4 m，樹高約3 m，果樹第一側枝高度距地面約1.2 m，部分側枝低至1 m左右。為減小天氣的影響，選連續晴天天氣開展試驗，試驗時，風速2～4 m/s。試驗果園附近無通信基站，且往來車輛較少。

試驗時間為2020年8月25日至9月5日，此時試驗區蘋果處于成熟期，果實體積最大，枝葉最為繁茂(圖1)，對Wi-Fi信號傳播的影響最大[15]。

圖1 試驗區蘋果園環境Fig.1 Environment of apple orchard in pilot area

1.2 試驗材料

試驗選用與農業多機器人無線通信模塊相同的2.4 GHz頻段。采用成都億佰特公司的E103-W02DTU(以TI公司的CC3200為核心)作為Wi-Fi信號的發射端和接收端，發射功率20 dBm，支持標準的IEEE 802.11b/g/n協議和完整的TCP/IP協議棧，支持STA/AP工作模式。為提高信號在果園中的傳播能力，模塊外接TX2400-XPL-150型全向天線，天線增益為3.5 dBi。

通信模塊通過USB轉232串口線連接計算機后，借助AccessPort串口調試工具，利用AT指令將發射端設置為AP模式，并建立TCP服務器；接收端設置為STATION模式并連接發射端AP，通過TCP Client方式與發射端建立通信。

本研究中無線信號路徑損耗測試系統(圖2)以微控制器ATMEGA328P-AU為核心，通過TTL轉RS485模塊與發射端的數傳電臺連接，并持續給發射端的數傳電臺發送數據，接收端的數傳電臺通過TCP/IP協議接收發射端的數傳電臺數據；使用2塊鋰離子電池分別給控制器以及數傳電臺供電。利用安捷倫N9912A型手持式頻譜分析儀采集接收端處的接收信號強度，其他設備包括2個三腳架及MS6252B型數字風速表。

圖2 果園無線信號路徑損耗測試系統Fig.2 Wireless signal path loss test system for orchards1.三腳架Ⅰ 2.鋰電池Ⅰ 3.接收端數傳電臺 4.接收端天線 5.發射端天線 6.發射端數傳電臺 7.鋰電池Ⅱ 8.三腳架Ⅱ

1.3 試驗設計

根據農業多機器人作業時的通信需求，試驗選取的Wi-Fi信號傳播影響因素包括：Wi-Fi信號的發射節點高度hs、接收節點高度hr、發射節點與接收節點間的距離d，以及多機器人直線型、小間距V形、大間距V形、并排型等4種典型編隊方式[16-17](圖3，圖中A為領航機器人，B、C為跟隨機器人)。

圖3 果園多機器人編隊方式Fig.3 Multi-robot formation in orchard

果園環境中通信基礎設施缺乏，利用Wi-Fi自組網(Ad Hoc)可實現多機器人間的數據交互，傳輸速度快，數據傳輸實時性能滿足傳統蘋果園多機器人無線通信系統需求[18]。對采用Ad Hoc網絡實現相互通信的農業多機器人而言，每個節點既可以作為主機收發數據，又可以作為路由轉發數據。因此，多機器人無線通信信號傳播特性研究可以簡化成2個通信節點間的信號傳播問題。

(1)節點垂直部署設計

無線信號節點部署高度受蘋果園環境影響。若節點部署位置過高，多機器人及無線信號天線易受果樹低矮枝組影響，導致其在傳統蘋果園中的通過性差；若節點部署位置過低，易加劇雜草對信號傳播(包括反射、繞射等)的影響。由于機器人無線信號節點高度按天線底座高度計算，天線長0.15 m，為保證農業多機器人在果園行間行走、株間轉彎時良好的通過性，并結合試驗區果園實際環境(最低側枝1 m左右)，設定蘋果園內Wi-Fi發射節點與接收節點的高度分別為0.45、0.55、0.65、0.75 m，Wi-Fi收發節點在垂直方向的部署方案如圖4所示。

圖4 節點垂直部署方案Fig.4 Node vertical deployment scheme

(2)節點水平部署設計

無線信號節點按果園多機器人編隊方式水平部署，如圖5所示。Wi-Fi信號發射、接收節點水平測試間距需考慮機器人間的安全距離及果園行距、株距。現有機器人車身長約1.2 m，為保證作業安全性，需保持至少為1 m的安全距離，因此設定Wi-Fi信號收發節點沿B1線的水平測試間距為2.5 m(取整后)。沿B4線的測試間距為2 m(行距的一半)，發射節點位于行距中間且與樹干平齊。

圖5 節點水平部署方案Fig.5 Node level deployment scheme

將發射節點分別放置在測量起點距地面0.45、0.55、0.65、0.75 m高度處，并將接收節點放置在距測量起點2.5、5、…、20 m的位置；利用N9912A型手持式頻譜分析儀分別測量接收節點高度為0.45、0.55、0.65、0.75 m時的Wi-Fi信號強度，每個高度重復測量5組數據，去除明顯異常值后求平均，即為該測量點處的Wi-Fi信號接收強度。分別沿B2、B3、B4線部署Wi-Fi發射節點和接收節點，并重復上述步驟測量不同編隊方式下的Wi-Fi信號接收強度。

1.4 模型構建

以科學性為基礎的農業預測(估測)模型，是農業科學定量與綜合的重要方法[19]。在農業環境中，無線信號的路徑衰減多用經典的對數距離路徑損耗模型來預測[20-22]，公式為

(1)

式中n′——路徑損耗指數，表示信號隨距離衰減的速率

d0——信號強度參考距離，m

PL(d0)——在信號強度參考距離為d0情況下，收發節點距離為d處的路徑損耗強度，dBm

PLLN——收發節點距離為d時的路徑損耗強度，dBm

Xσ——具有標準偏差的零均值高斯隨機變量，反映信號平均接收功率變化，dBm

PR=A-10nlogad

(2)

經演化后得到傳統蘋果園Wi-Fi信號路徑損耗模型公式

PR=B-10nlogad

(3)

其中

B=A′-A

式中PR——Wi-Fi信號接收強度，dBm

A——模型參數，dBm

A′——d0為1 m時的信號強度，dBm

n——路徑衰減因子，表示傳輸距離增加時信號強度的衰減速度，試驗果園環境下，與Wi-Fi信號傳播路徑有關

由式(2)可得到Wi-Fi信號在本試驗蘋果園中的Wi-Fi信號路徑損耗模型示意圖如圖6所示。

圖6 蘋果園Wi-Fi信號路徑損耗示意圖Fig.6 Schematic of apple orchard Wi-Fi signal path loss

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

按照農業多機器人直線型編隊方式(沿B1線)水平部署Wi-Fi信號發射節點和接收節點。發射節點距地面高度分別為0.45、0.55、0.65、0.75 m，分別測量接收節點在0.45、0.55、0.65、0.75 m高度處與發射節點間的水平距離為2.5、5、…、20 m時Wi-Fi信號接收強度，如圖7所示。

圖7 直線型編隊方式(沿B1線)部署Wi-Fi節點時的信號強度曲線Fig.7 Signal strength graph when Wi-Fi nodes were deployed in a linear formation (along B1 line)

按照農業多機器人小間距V形編隊方式(沿B2線)水平部署Wi-Fi信號發射節點和接收節點。發射節點距地面高度分別為0.45、0.55、0.65、0.75 m，分別測量接收節點在0.45、0.55、0.65、0.75 m高度處與發射節點間的水平距離為2.35、4.7、…、18.8 m時Wi-Fi信號接收強度，如圖8所示。

圖8 小間距V形編隊(沿B2線)部署Wi-Fi節點時的信號強度曲線Fig.8 Signal strength graph when Wi-Fi nodes were deployed in small V-shaped formations (along B2 line)

按照農業多機器人大間距V形編隊方式(沿B3線)水平部署Wi-Fi信號發射節點和接收節點。發射節點距地面高度分別為0.45、0.55、0.65、0.75 m，分別測量接收節點在0.45、0.55、0.65、0.75 m高度處與發射節點間的水平距離為3.2、6.4、…、25.6 m時Wi-Fi信號接收強度，如圖9所示。

圖9 大間距V形編隊(沿B3線)部署Wi-Fi節點時的信號強度曲線Fig.9 Signal strength graph when Wi-Fi nodes were deployed in a large V-shaped formation (along B3 line)

按照農業多機器人并排型編隊方式(沿B4線)水平部署Wi-Fi信號發射節點和接收節點。發射節點距地面高度分別為0.45、0.55、0.65、0.75 m，分別測量接收節點在0.45、0.55、0.65、0.75 m高度處與發射節點間的水平距離為2、4、…、16 m時Wi-Fi信號接收強度，如圖10所示。

圖10 并排型編隊(沿B4線)部署Wi-Fi節點時的信號強度曲線Fig.10 Signal strength graphs when Wi-Fi nodes were deployed in a side-by-side formation (along B4 line)

由圖7～10可知，Wi-Fi信號接收強度隨發射和接收節點間水平距離的增加而逐漸衰減，符合無線電傳播基礎理論，且不同節點高度以及不同編隊方式下接收強度衰減程度不同，說明無線通信信號節點高度、編隊方式和通信距離是路徑損耗的主要影響因素。與其他幾種編隊方式相比，以直線型編隊方式水平部署發射節點和接收節點時，得到的Wi-Fi信號接收強度衰減程度最緩慢，最后趨于平穩(忽略個別數據)，接收強度穩定在-75 dBm。因此，多機器人以圖3a所示的直線型編隊方式在傳統蘋果園作業時的Wi-Fi無線通信效果最佳。此外，通過對比Wi-Fi信號在相同接收高度、不同發射高度下及相同發射高度、不同接收高度下的信號強度圖，可初步得到不同編隊方式下對應的最佳部署高度。發射高度、接收高度均為0.75 m時，直線型編隊對應的信號強度遞減程度最緩慢；小、大間距V形編隊時，對應的最佳收發節點高度為0.65 m；由于果樹主干高度為0.5～0.9 m，對并排型編隊部署節點的Wi-Fi信號影響較大，因而其對應的最佳收發節點高度為0.45 m。試驗將收發節點水平沿B1、B2、B3、B4線部署時，由于B1線與蘋果樹的列種植方向一致且位于行距正中間，農戶為通行方便對果樹行間枝條進行了小幅度修剪，低落枝葉較少，因此Wi-Fi信號沿B1線傳輸過程中受樹枝影響較小，信號衰減也相應較慢。

2.2 試驗回歸分析

根據Wi-Fi信號路徑損耗預測模型，利用數據分析軟件SPSS對試驗測量的Wi-Fi信號接收強度進行最小二乘擬合，得到式(2)中以不同編隊方式部署節點位置時模型參數A、路徑衰減因子n的擬合值以及擬合曲線的決定系數R2，如表1～4所示。

由表1～4可知：決定系數R2在0.860～0.989之間，表明不同編隊方式下的Wi-Fi信號接收強度均符合式(2)的Wi-Fi信號在傳統蘋果園中路徑損耗模型。因此，可使用該模型來描述傳統蘋果園中各影響因素對Wi-Fi信號接收強度衰減的影響。通過比較模型參數A和路徑衰減因子n，確定多機器人直線型、小間距V形、大間距V形、并排型等4種典型編隊方式下節點對應的最佳部署高度分別為0.75、0.65、0.65、0.45 m，所得的收發節點高度可作為多機器人無線通信系統的通信模塊最佳部署高度，且最佳的編隊方式為直線型，對應的收發節點高度為0.75 m(果樹第一側枝高度向下0.2 m左右處)。為提高土壤有機質含量，改善土壤肥力狀況和土壤結構，果園內自由生草；果園地勢起伏不平，Wi-Fi信號受果園環境直射、反射和散射等多種傳播機制的影響，加劇信號的傳播損耗。因此，隨著節點發射和接收高度的減小，以直線型、V形、并排型編隊方式水平部署發射節點和接收節點時，路徑衰減因子n總體呈增大趨勢，表明環境對Wi-Fi信號衰減的影響越顯著，并排型編隊方式下對應的路徑衰減因子n例外。

表1 直線型編隊方式部署節點時的模型回歸參數Tab.1 Model regression parameters when deploying nodes in a linear formation

表2 小間距V形編隊方式部署節點時的模型回歸參數Tab.2 Model regression parameters when deploying nodes in small-pitch V-shaped formations

表3 大間距V形編隊方式部署節點時的模型回歸參數Tab.3 Model regression parameters when deploying nodes in a large-spacing V-shaped formation

表4 并排型編隊方式部署節點時的模型回歸參數Tab.4 Model regression parameters when deploying nodes in a side-by-side formation

2.3 模型建立

利用多項式對模型參數A和路徑衰減因子n進行擬合，發現二次多項式擬合效果最好，擬合曲線R2最大為0.993，最小為0.854，得到不同編隊方式下參數A和n的擬合方程為：

B1線

(4)

B2線

(5)

B3線

(6)

B4線

(7)

將Wi-Fi信號節點最佳接收高度0.75、0.65、0.65、0.45 m代入式(4)～(7)中，依據式(2)即可建立試驗蘋果園區Wi-Fi發射節點和接收節點在不同編隊方式下的信號接收強度預測模型

(8)

由式(8)可知，多機器人在直線型編隊方式下的路徑衰減因子n最小，即此編隊方式下的Wi-Fi信號路徑損耗影響最小；在機器人采用V形編隊進行果園噴藥、運輸等作業時，不同間距的V形編隊方式對信號傳播影響相差不大，主要與節點間的通信距離有關；較直線型和V形編隊方式而言，并排型編隊方式下信號模型參數更小，這是因為試驗時通信模塊與樹干平齊，果樹樹干位置雜草自由生長且果樹主干高度低，導致路徑損耗因子大于直線型和V形編隊方式。

將d=1 m時采集的信號強度A′代入式(3)，并結合式(8)，可得本試驗區傳統蘋果園對應的Wi-Fi信號路徑損耗預測模型為

(9)

2.4 模型驗證

為驗證預測模型的準確性，同期選擇與試驗區栽培模式相同的另一個蘋果園(傳統蘋果園，果樹品種為“紅富士”，開心形樹形，果樹枝條交叉密閉，樹冠透光率小于20%(行間枝條很少修剪)，樹齡13 a左右，株距約3 m，行距約4 m，樹高約3 m，果樹第一側枝高度約1 m，行間雜草較多)，進行Wi-Fi信號傳播的路徑損耗數據采集，并用采集到的數據進行模型驗證，新果園環境下的信號路徑損耗預測模型及參數如表5所示。

對模型預測值和實地測量值進行回歸分析，并繪制模型預測值與實測值的關系圖(圖11)，結果用回歸評價指標決定系數R2和均方根誤差RMSE進行評價，評價結果見表6。

表6 4種編隊方式下模型評價指標Tab.6 Evaluation index values of model in four formation modes

圖11 4種編隊方式下模型驗證Fig.11 Model verification in four formation modes

從圖11可以看出，除個別點外，無線信號節點在最佳部署高度下以4種典型編隊方式測量得到的信號實測值和模型預測值能較好地吻合，說明模型可以預測2.4 GHz Wi-Fi信號在傳統蘋果園(蘋果成熟期)中的傳播特性。信號節點在近距離(小于10 m)時，驗證區果園實測值基本都小于模型預測值，這是因為預測模型雖通過引入參數B補償了不同果樹樹齡、外形及高度等因素對信號損耗的影響，但驗證區果園較試驗區果園而言，枝組更低矮，雜草更多更高，導致路徑衰減因子n更大，所以對無線信號的路徑損耗影響更大。另外，試驗時受隨機因素影響(風速等)，易造成通信信號散射等變化，導致路徑損耗預測值在實測值上下波動[18]。

由表6可知，R2在0.947～0.967之間，RMSE在1.489～2.432 dBm之間。在RMSE計算中發現，果園枝條修剪程度、雜草長度及枝葉位置變化等環境在近距離處對信號接收強度的影響最為明顯，通信距離越遠，信號接收強度波動變化越小。這是因為隨著距離的變化，果樹環境改變對路徑衰減因子n的影響不再顯著。

3 結論

(1)通過比較模型參數A和路徑衰減因子n，確定了多機器人直線型、小間距V形、大間距V形、并排型等4種典型編隊方式下的收發節點最佳部署高度分別為0.75、0.65、0.65、0.45 m，可指導多機器人無線通信系統中通信模塊的部署。

(2)在傳統蘋果園環境中，Wi-Fi信號接收強度隨節點間水平距離的增加而逐漸遞減。與小間距V形、大間距V形、并排型等3種編隊方式相比，直線型編隊方式水平部署節點時Wi-Fi信號接收強度隨距離變大時的衰減程度最為緩慢。因此，多機器人在傳統蘋果園中進行噴藥、運輸等作業時，優先考慮直線型編隊方式，此時節點部署高度最好在果樹第一側枝向下0.2 m左右處。另外，對于多機器人小間距V形、大間距V形2種編隊方式而言，通信信號在傳播路徑上的損耗主要與收發節點間的距離有關，V形編隊的間距變化對信號傳播影響不明顯。果樹樹干位置雜草自由生長且果樹第一枝干高度低，導致并排型編隊時信號的路徑損耗大于直線型以及V形編隊方式，因而多機器人盡量避免并排型編隊作業。

(3)采用最小二乘法對模型參數A、路徑衰減因子n進行了擬合，得到擬合曲線的決定系數R2在0.860～0.989之間，表明不同編隊方式下的Wi-Fi信號接收強度均符合Wi-Fi信號在傳統蘋果園中路徑損耗模型。通過對預測模型和實地測量值進行回歸分析，得到預測模型的決定系數R2在0.947～0.967之間，均方根誤差RMSE在1.489～2.432 dBm之間，驗證結果表明模型可用來預測傳統蘋果園(蘋果成熟期)內Wi-Fi信號的路徑損耗情況，預測得到的路徑信號強度可作為多機器人路由協議開發的理論依據。