苹果园中空气温湿度分布特征研究

郭秀明 周国民

摘要：无线传感器网络（WSN）应用于苹果园中能提高苹果生产的信息化水平，但WSN温湿度传感器部署的数量及位置是WSN节点部署中亟需解决的问题。基于此，在北京市丰台区一个普通苹果园进行了实地试验，采用温湿度仪测量了大量点的温湿度，研究空气温湿度的空间分布特征以决定传感器部署策略。结果表明，对于单个冠层，空气温湿度在每个平面具有相同的走势；距离果园边缘的果树冠层空气温湿度的极差大于果园中心位置的果树，相差约3倍；果树间隙的空气温湿度极差和果园中心处的冠层极差相近。基于此，提出了一种“先平面后整体，外密里疏”的苹果园中空气温湿度传感器的部署方法。

关键词：无线传感器网络（WSN）；空气温湿度；苹果园；节点部署

中图分类号：S661.1；S162.5+5 文献标识码：A 文章编号：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

無线传感器网络（WSN）可通过分布式的众多传感器实现对客体环境的感知，远程实时地实现物和人的连接，是继互联网之后的革命性的新技术。WSN具有低功耗，自组网，灵活性强等优势，受到众多研究者的青睐，已经越来越多地应用于农田生产环境监测中[1-5]。中国是苹果生产大国，然而，中国苹果产业存在技术落后、信息化水平低、管理粗放、防病虫害能力差等问题[6-8]。空气温湿度是苹果园中重要的环境参数之一，和苹果病虫害[9]及苹果的品质[10]密切相关，将WSN应用于苹果园中采集温湿度参数，可提高苹果的产量及品质。然而，在搭建WSN系统平台时，节点部署是WSN应用中重要的一步，决定WSN的效率和性能，温湿度传感器部署的数量及位置是WSN节点部署中亟需解决的问题。

农田中WSN节点部署策略的研究日益受到关注[11-16]。然而，关于苹果园中空气温湿度采集节点的部署方案鲜见报道。苹果园中空气温湿度采集节点的部署方案和园中空气温湿度的空间分布特性相关，为此，在北京市丰台区的一个普通苹果园进行了试验，从不同空间角度研究了空气温湿度在苹果园中的空间分布特性，基于试验结果提出了一种“先平面后整体，外密里疏”的空气温湿度采集节点部署方案，以期为WSN在苹果园中的应用提供一定的依据。

1 材料与方法

1.1 苹果园概况

选取北京市丰台区的一个普通苹果园为试验苹果园，2000年建园，占地约5.3 hm2，主栽苹果品种为富贵和华红。果树的行列间距为4 m×4 m， 果树高约3 m，主干高约0.5 m。果树冠层为纺锤形，冠层长×宽约为3 m×3 m。试验于2014年9月19日苹果膨胀期进行。

1.2 试验方法

采用台湾TES-1360A型数字温湿度测量仪测量苹果园中的空气温湿度，其空气温湿度的分辨率分别为0.1 ℃和0.1% RH，其准确度分别为±0.8 ℃和±3% RH。

在苹果园中选取采样点测量空气温湿度，测量方法如图1所示。果树冠层是一个复杂的微系统，为了研究冠层内部空气温湿度的变化规律，需在冠层内部选取多个采样点进行空气温湿度的测量。果树处在苹果园环境中，距离苹果园边缘的距离不同，通风性及日照均有差别，为了研究苹果园不同深处温湿度的差异，需在苹果园边缘到中心不同距离采样测量。基于以上两点，选取位于苹果园边缘、中心及两者之间的3棵果树（图1中A、C、B所示），在每个冠层选取多个采样点进行测量。

在冠层中，距离地面的高度不同，受地面的影响也不同，果树对日照的遮挡也有差异，空气温湿度可能不同。靠近冠层中心的距离不同，通风性和光照不同，也可能会造成空气温湿度的差异。以果树根部所在的点为中心点，建立一个长×宽为3 m×3 m的正方形，将此正方形均匀划分为9个1 m×1 m的正方形，分别测量每个交点处的空气温湿度。以0.5 m为间隔，依次在距离地面0.5～2.0 m水平高度的正方形上测量交点处的空气温湿度。如图1中D所示，为了简化起见，只画出了地面和最高2 m处的测量平面。

苹果园环境由多棵离散的果树分布组成，每棵果树冠层都是一个独立的微环境，除了果树冠层，果树之间的空隙空气温湿度可能也存在差异。为了研究果树空隙中空气温湿度的变化规律，在苹果园边缘一行中选定两棵果树，测量它们之间空隙间垂直于地面的5个高度0、0.5、1.0、1.5、2.0 m的空气温湿度。以同样的方法，对3棵采样果树进行了测量。

2 结果与分析

2.1 果树冠层内部温湿度分布特征

空气温度及湿度在3棵不同的果树冠层的分布如图2和图3所示。对于每个冠层，展示了5个水平面上各16个点的测量值。对于每棵测量的果树，都建立相对于果树的同样方位的坐标系：以地面为x轴和y轴所在的平面，以树根位置为x轴和y轴的交点，x轴和y轴分别平行于长方形果园的两条边。由图2和3可以看出，同一冠层，不同水平面上的空气温湿度分布变化趋势相同。果树1每个水平面上，空气温度均随着x轴的增加逐渐增加，果树2每个水平面上的空气温度变化不大，果树3空气湿度在每个水平面上都随着距离x轴的增加逐渐增加。空气温度随着距离果园中心距离的减小而降低，空气湿度则相反，温湿度的变化规律具有一定相关性。由图2可知，曲线组位置明显降低，果树3的分布曲线位于坐标空间的最下端。图3中，曲线组整体式逐渐上移，尤其是在x轴为正的半空间。冠层不同水平面上的空气温度的差异在边缘处的果树大于果园内部的果树。

2.2 果树间隙温湿度的分布特征

从苹果园边缘开始的第1个位置点直至近苹果园中心位置的第8个位置点不同高度的空气温湿度如图4所示。为了保持一致性，空气温湿度的纵坐标选取与图2一样的取值范围。位置点“0”表示苹果园外空白地的测量值。空气温度随着向苹果园中心的延伸仅略有增加，总体上随着高度的增加温度逐渐增加，最大相差约0.5 ℃。空气湿度随着向苹果园中心的延伸呈线性减小，由约73%减小至68%，不同高度的空气湿度相差较小。

2.3 苹果园空气温湿度的统计分析

为了清晰地展示空气温湿度在苹果园中的分布及变化规律，计算了果树冠层、果树间隙及整个苹果园每个果园空间不同高度的空气温濕度的最大值、最小值、极差、平均值及均方根误差，具体见表1和表2。

由表1可知，不同高度层空气温湿度的极差因果园空间（包括不同的果树冠层、果树间隙及整个果园）的不同而不同，对同一空间对象，极差在不同层的变化很小。空气温度极差在果树1冠层、果树2冠层、果树3冠层、果树间隙及整个苹果园5个高度的变化范围分别为1.6～2.3 ℃、0.6～0.9 ℃、0.6～0.8 ℃、0.3～0.5 ℃、1.9～2.3 ℃。空气湿度极差在5个空间对象不同高度的变化范围分别为8.8%～11.7%、5.7%～7.5%、3.8%～4.8%、4.4%～5.5%、9.6%～11.9%。虽然果树间隙和单棵果树冠层相比空间范围大，空气温度极差在果树间隙的变化幅度为0.2 ℃，不大于极差在任一其他果树冠层的变化幅度。空气湿度极差在果树间隙的变化幅度为1.1%，与果树3冠层的1.0%的变化幅度相当，小于果树1冠层和果树2冠层的变化幅度，这与果树冠层大量分布不规则的枝叶对光照及通风的影响有关。虽然果树冠层体积较小，但每个冠层都是一个复杂的微系统，冠层内部的光合作用、水分蒸腾等果树生理活动在一刻不停地进行着，影响冠层内部空气温湿度的变化。

空气温湿度在不同果园空间均方根误差不同。空气温度的均方根误差在果树1冠层、果树2冠层、果树3冠层、果树间隙及整个苹果园中5个高度的变化范围分别为0.468～0.631 ℃、0.168～0.266 ℃、0.182～0.252 ℃、0.092～0.126 ℃、0.455～0.546 ℃；空气湿度的均方根误差在5个果园空间中5个高度的变化范围分别为2.845%～3.789%、1.712%～1.987%、1.111%～1.371%、1.508%～1.648%、2.776%～3.115%，果树1冠层的均方根误差均大于其他果园空间的均方根误差，这可能和果树1在果园边缘，受苹果园外部环境影响较大有关。空气温湿度在果树间隙的均方根误差变化幅度均小于任一果树冠层的变化幅度，说明果树冠层温湿度受高度的变化影响大于果树间隙，这是由于果树间隙受枝叶影响较小的缘故。

无论在果园哪个空间，不同高度的空气温湿度均值相差很小，果树1冠层的空气温湿度极差最大，分别为为2.3 ℃和1.12%。空气温度的不同高度平均值在果树1冠层、果树2冠层、果树3冠层、果树间隙及整个苹果园的变化幅度分别为0.23、0.06、0.13、0.3、0.06 ℃；空气湿度的5个高度的平均值在5个果园空间的变化幅度分别为1.12%、0.9%、0.9%、0.4%、0.3%。空气温湿度均值在不同高度的最大波动均出现在果树1冠层，这与果树1冠层在果园中处于边缘位置有关。

空气温度的极差分别为2.3、0.9、0.8、0.7、2.4 ℃；空气湿度的极差分别为11.7%、8.6%、5.1%、5.6%、12.3%。空气温湿度的极差在果树1冠层、果树2冠层、果树3冠层、果树间隙为逐渐递减的关系。这与果树在果园中所处的位置距离果树边缘的远近不同有关，距离苹果园边缘的距离不同，受气象环境及苹果园微气候的影响不同。果树1冠层的空气温湿度极差与整个苹果园相差不大，差值分别为0.1 ℃和0.6%。说明苹果园边缘果树温湿度的变化差异是整个果园温湿度变化差异的主要原因。

3 小结

试验结果表明，空气温湿度在果树冠层的变化范围随着离果树边缘距离的增加而逐渐减小。果树冠层的温度极差由边缘处的2.3 ℃减小到苹果园中心处的0.8 ℃。所以，要实现同样的较小精度的苹果园环境监测，苹果园边缘的果树冠层需要放置的传感器节点的个数应大于苹果园中心处的个数。假设x为待监测的苹果园温度精确度，则苹果园边缘处的果树需要放置的温度传感器个数为2.3/x的向上取整，苹果园中心处果树冠层需放置的个数为0.8/x的向上取整。如果x不小于2.3，即目标采集的苹果园温度的精确度要求较低或传感器的灵敏度较差，则整个苹果园只需一个温度传感器即可。苹果园湿度在果树冠层的分布变化规律和苹果园温度的变化规律相似。

在果树冠层中，空气温湿度在每个高度层的分布曲面具有相似的走势，在监测果树冠层温湿度时，可采取重点监测一个平面而其他平面只取一两个监测点即可，通过监测曲面上的点估计待监测平面的相应位置点上温湿度的方法，可以减少WSN节点的个数。

果树间隙的空气温湿度的变化极差与苹果园中心处的果树冠层相近，所以如需要监测果树间隙温湿度的变化特性，对于同样的监测精度要求，监测果树间隙的空气温湿度需要和苹果园中心位置点的果树相似数量的传感器。同时，由于空气温度随着高度的增加逐渐增加，增幅均值约为0.3 ℃，且增幅的波动较小，采用只监测一个高度的温度，其他高度可根据已有高度进行预测的方法。空气湿度随着距离苹果园中心位置的靠近而减小，且每个高度层之间平均相差约为0.5%，最大不超过1.5%。如果对湿度的监测精度较小，可监测一个高度的空气湿度即可。

基于以上几点，在WSN部署在苹果园中实现空气温湿度的监测应用时，提出一种基于果树方位的“先平面后整体，外密里疏”的节点部署方法，即由苹果园边缘至苹果园中心位置，依据果树距离边缘的远近选定几棵果树，对于每棵果树将多个节点部署在同一水平高度层，在其他高度放置2、3个节点在固定位置。由于苹果园边缘的果树空气温湿度的变化范围较苹果园中心区大很多，因此边缘的果树所部署的节点个数要远大于果园中心区果树的节点个数，相差约3倍。

参考文献：

[1] 李建辉，廖桂平，王 访.基于WSN的油菜生长环境数据采集系统[J].湖南农业大学学报（自然科学版），2013，39（6）：675-682.

[2] 王纪章，彭玉礼，李萍萍.基于事件驱动与数据融合的温室WSN节能传输模型[J].农业机械学报，2013，44（12）：258-261.

[3] 刘 宸，张瑞瑞，赵春江.基于ZigBee的農产品冷链环境信息采集节点设计[J].农机化研究，2014（6）：198-201.

[4] 李贯峰，陈冬梅.基于ZigBee技术的农田监测系统设计[J].农机化研究，2013（11）：107-110.

[5] 王纪章.基于物联网的温室环境智能管理系统研究[D].江苏镇江：江苏大学，2014.

[6] 曹 潇.盐源苹果产业发展存在的问题与对策研究[D].成都：四川农业大学，2013.

[7] 韩明娟，张玉涛，宋培培，等.浅谈苹果产业发展中的问题与对策[J].北方果树，2012（5）：45-46.

[8] 党会利.白水苹果产业发展存在问题与对策[D].陕西杨凌：西北农林科技大学，2012.

[9] 刘许尧.苹果微域环境的温度和光照度监测系统设计[D].河北保定：河北农业大学，2013.

[10] 刘雯斐，李保国，齐国辉，等.微域环境温湿度与苹果果面碎裂的关系[J].果树学报，2008，25（4）：458-461.

[11] 孙玉文，沈明霞，周 良，等.农田无线传感器网络的节点部署仿真与实现[J].农业工程学报，2010，26（8）：211-215.

[12] 刘 卉，孟志军，徐 敏，等.基于规则网格的农田环境监测传感器节点部署方法[J].农业工程学报，2011，27（8）：265-270.

[13] 周 良，沈明霞，孙玉文，等.基于农田环境的无线传感器网络节点部署分析[J].浙江农业科学，2010（3）：665-668.

[14] 年 梅，赵新元.新疆农田地表湿度监测传感网络的部署[J].计算机系统应用，2011，20（7）：42-46.

[15] GEETHA V，KALLAPUR P V，TELLAJEERA S. Clustering in wireless sensor networks： Performance comparison of LEACH & LEACH-C protocols using NS2[J]. Procedia Technology，2012，4：163-170.

[16] 郭秀明，赵春江，杨信廷，等.基于网格扫描的实现目标点覆盖的确定性传感器节点部署方法[J].传感技术学报，2012，25（1）：104-109.