番茄连栋温室内无线信号传输特性

周建军， 王 秀， 李 素， 刘建东

(1.北京石油化工学院信息工程学院，北京 102617； 2.北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097； 3.北京工商大学，北京 100048)

无线传感器网络在农业应用中具有低成本、无须布线、灵活性强的优势，可以实时、高效地获取农业环境和作物信息，符合现代化农业的发展方向[1-2]。良好的无线电传播性能是传感器网络应用系统组网连通、正常工作的前提条件。由于无线传感器网络功耗低，无线电波传播受应用环境，如障碍物、地形等因素影响较大[3]，连栋温室是一个封闭性的空间，其结构和作物生长会影响无线电波的传播特性，有必要对连栋温室内的无线电波传播特性进行研究与分析。目前，国内外研究人员已对不同农业环境下的无线信道传播特性进行了一些前期探索性研究，主要侧重于大田和果园对无线电波传播特性的影响，部分学者也对日光温室对无线电波传播特性的影响进行了研究[4-6]。郭秀明等研究了苹果成熟时苹果园2.4 GHz无线信道在不同高度的信号衰减和丢包情况[7-8]。连栋温室工厂化番茄种植对无线信号传输影响的研究还鲜见报道。

为解决无线传感器网络在温室中部署的关键性技术问题，研究连栋温室番茄中2.4 GHz无线信号在不同传播方向和高度下的传播特性，分别对番茄冠层、中部和根部在3个传输方向的接收信号强度进行测量，为进一步研究传感器节点在温室中的部署提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验环境及材料

无线传感器网络信号传输在温室环境下会受到温室环境和作物生长状况的影响，本研究分析了现代化温室工厂化番茄生产中无线信号的传输规律，建立现代化温室番茄生产中无线电信号传播路径损耗模型。番茄生产无线信号测试发射端采用Crossbow公司生产的IRIS无线传感器节点，传输频率为2.4 GHz。接收信号强度(received signal strength indication，RSSI)表示接收信号功率的大小，接收灵敏度为 -101 dBm，传感器节点由2节5号干电池供电。接收端使用Crossbow公司生产的MIB520CB中心节点通过通用串行总线(universal serial bus,USB)和电脑相连，通过Sniffer软件程序提取RSSI并转化为以dbm为单位的数值。图1是无线发射器和接收器实物图。试验时发射节点和接收节点位于同一高度。每个位置记录50个RSSI数据，取平均值作为该位置的无线信号强度数值。

1.2 试验环境

试验地点位于北京市昌平区特菜大观园西区。试验温室为多跨连栋钢结构，温室长55.0 m(东西向)，宽48.0 m(南北向)，高6.7 m。该温室铺设有30行岩棉架，岩棉架行间距 1.5 m，岩棉架中间铺设有暖气管道，管道同时也是采摘车轨道。该温室采用工厂化种植番茄，南北方向种植。番茄种植于岩棉块中，由营养液提供养分。岩棉块密封放置于岩棉床中，岩棉床固定于“U”形板材焊接的支架上，支架高度为 75 cm。番茄茎秆使用悬挂的塑料绳牵引，保持番茄茎秆处于直立状态，番茄根部离地高度约80 cm。2016年7月2日种植第2茬番茄。试验时，番茄生长处于开花结果期。

1.3 试验方法

为多层次、多角度测试研究番茄对无线信号传播特性的影响，选择番茄的2个生长阶段进行无线信号传输试验。试验中规定3个测试方向和3个测试高度。3个测试方向分别是与番茄种植行平行的0°方向、与番茄行垂直的90°方向以及与番茄行呈45°角的方向。试验时发射节点和接收节点位于同一高度，发射节点和接收节点的天线保持竖直方向(图2)。

2 结果与分析

2.1 开花期试验

2016年8月28日进行试验，此时番茄处于开花期，茎秆高度约1.2 m。根据番茄的高度， 选择的3个测试高度是传感节点位于天线高度距离地面0.8 m；天线高度距离地面 1.5 m，节点位于番茄中部；天线高度距离地面2.0 m，节点位于番茄冠层。图3为开花期无线节点信号强度不同方向和高度下接收信号强度随收发节点之间距离的变化曲线。

由图3可知，在0°方向上(行间)，行间收发节点布置高度视线较好，各个高度无线信号衰减速度接近。36 m距离处在0.8 m高度布置的无线信号强度衰减为-100 dBm。在90°方向上，无线信号传输受到番茄行的影响，0.8 m高度布置的无线节点在12 m处接收信号强度衰减到-100 dBm，1.5 m 高度在18 m左右衰减到-100 dBm，2.0 m高度在 33 m 处无线信号强度还未衰减到-100 dBm，说明无线节点在90°方向位于0.8 m高度和1.5 m高度的信号强度衰减速度明显大于位于2.0 m高度(冠层)，也就是无线节点位于冠层时的传输距离明显大于位于根部和番茄中部的传输距离。这是由于节点位于根部或番茄中部时，番茄枝叶茂密，无线信号受到番茄枝叶的遮挡会加快衰减，传输距离缩短；节点处在冠层之上时，无线信号受到番茄枝叶的遮挡和番茄枝叶的吸收较小，传输距离较远。在45°方向上，0.8 m高度在16 m处接收信号强度衰减到-100 dBm，2.0 m高度在36 m处无线信号强度尚未衰减到-100 dBm。说明节点位于0.8 m高度信号强度衰减速度明显大于位于2.0 m高度(冠层)。试验中发现节点放置处番茄枝叶繁密程度也对无线信号衰减有较大影响。

2.2 番茄初果期无线信号衰减试验

2016年9月18日在3个方向上进行无线信号强度随距离变化的试验。此时番茄处于初果期，番茄茎直立高度约 1.9 m(番茄冠层距离地面约2.7 m)。根据番茄的高度，选择的测试高度分别为传感节点位于天线高度距离地面0.8 m，节点位于番茄中部、天线高度距离地面1.5 m，节点位于番茄中上部、天线高度距离地面2.5 m，节点位于番茄冠层、天线高度距离地面3.0 m。图4为番茄初果期不同方向和高度下接收信号强度随距离的变化曲线。

在同一方向下，无线信号在3.0 m高度上信号衰减最慢，信号传输距离最远。在0°方向下，3.0 m高度40 m处无线信号还未衰减到-100 dBm，0.8 m高度20 m处无线信号衰减到 -100 dBm。45°方向上0.8 m高度14 m处无线信号衰减到 -100 dBm，2.5 m高度20 m处无线信号还未衰减到 -100 dBm，3.0 m高度40 m处无线信号还未衰减到 -100 dBm。90°方向上，0.8 m高度 13 m 处无线信号衰减到-100 dBm，3.0 m高度33 m处无线信号还未衰减到-100 dBm。

2.3 丢包率影响试验

丢包率是用来衡量信号优劣水平的一个重要指标，即：

P=L/S×100%。

(1)

式中：P表示丢包率；L表示丢失数据包数量；S表示发送数据包数量。

在2016年8月28日的无线信号传输特性影响试验中，得到如图5所示的丢包率与传输距离之间的数据曲线。各个方向和高度无线信号在10 m距离内丢包率为0，能保证无线信号的可靠传输。当信号强度接近接收灵敏度时，丢包现象开始出现；当信号衰减到接收灵敏度后，丢包现象较严重，丢包率随收发节点间距离呈无规律变化，总体趋势是距离越大，丢包率越大。

2.4 回归分析

2.4.1 对数距离路径损耗模型 研究表明，很多农业、林业等环境中，信号衰减都能用对数距离损耗模型来预测无线信号强度[8]。对数距离路径损耗模型如公式(2)所示。

PR=A-10nlgd。

(2)

式中：PR为接收信号强度，dbm；A为模型参数；d为传播距离，m；n为衰减系数，n值的大小反映了信号强度随传播距离增加而衰减的速度，n值和传播环境相关。

3.4.2 回归参数分析 公式(2)为回归模型，在Excel中利用曲线拟合算法，对测得的番茄温室中不同方向和高度下的信号强度值进行回归分析，得到参数A和n(表1)。

开花期在同一方向，无线信号在2.0 m高度上衰减系数n最小，信号衰减最慢，信号传输距离最远。0°方向上，0.8 m 高处n为0.973，2.0 m高度n为0.825。90°方向上，0.8 m 高处n为1.346，1.5 m高度n为1.010，2.0 m高度n为0.849。说明无线节点布置在冠层以上无线信号衰减最慢，传输距离较远。在同一个高度，0°方向上的n最小，信号衰减最慢。这是因为在0°方向上岩棉架间距为1.5 m，番茄行间距离较宽，视线较好，信号衰减较慢(表1)。

表1 开花期对数路径损耗模型回归参数

初果期，在同一方向，无线信号在3.0 m高度上衰减系数n最小，信号衰减最慢，信号传输距离最远。0°方向3.0 m高度n为0.863 0，45°方向3.0 m高度n为0.754 3，90°方向 3.0 m 高度n为0.772 8。番茄初果期，0°方向1.5 m高n为1.053 0，2.5 m高度n为0.963 0。90°方向， 1.5 m高度n为1.064 0，2.5 m高度n为1.028 0。在同一方向，3.0 m高度的衰减系数n最小，信号衰减最慢。在同一个高度，0°方向的n稍小，信号衰减较同一高度其他方向慢(表2)。

表2 初果期对数路径损耗模型回归参数

2.5 试验结果对比分析

综合番茄2个生长阶段对无线信号传输影响的试验数据，可知：(1)收发节点布置于番茄冠层以上，无线信号衰减最慢，信号传输距离最远。(2)传感器节点在番茄中的布置高度决定了连栋温室番茄中2.4 GHz无线电波的传播特性，对无线信道传播特性的影响较为显著；而传播方向对温室中无线信号的衰减也有一定影响。(3)2.4 GHz无线信号接收信号强度随通信距离的增加总体呈递减趋势，而信号强度在衰减至接收灵敏度之前丢包率较小，偶有发生丢包的现象；信号强度衰减到接收灵敏度时丢包率增加，丢包率随通信距离的增加总体呈递增趋势。

3 结论

笔者研究了番茄开花期和初果期连栋温室中2.4 GHz无线信号在不同方向和高度的衰减情况， 通过试验和分析得出结论：(1)连栋温室工厂化番茄开花期和初果期，番茄连栋温室中2.4 GHz短程无线电信号路径损耗均符合对数路径衰减模型。(2)在同一方向，无线信号在冠层以上衰减系数最小，信号衰减最慢，信号传输距离最远。在同一个高度，0°方向的衰减系数最小，信号衰减最慢。(3)为减少番茄种植和不同传播方向对无线信号传播特性的影响，应将无线节点部署在番茄冠层及以上位置。

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