433MHz无线信道在日光温室中传输与分布特性研究

刘芳焕 赵全明 张馨 薛绪掌 郑文刚 王英东

摘要 目前Sub-GHz频段的无线传感器在温室生产中得到广泛应用，了解射频信号在温室中的传输特性与分布情况已经成为当前研究热点。研究了以433 MHz为工作频率，通过调节发射节点与接受节点高度以及两者之间的水平距离，采用频谱仪获得接收信号功率（dBm），通过回归分析构建日光温室中的无线电波传播模型，并仿真得到信号在日光温室中的分布情况。研究表明：在发射天线的每个高度上，不同的接收天线高度层接收信号强度符合对数路径损耗模型，温室内的路径损耗指数（2.19）比室外（3.6）的小，温室内无作物接收信号强度比有作物大约10 dBm;温室北侧接收信号强度略高于南侧，高约5 dBm;温室中布置节点应避开有金属（铝线等）的位置。

关 键 词 日光温室;无线传感器;路径损耗;Sub-GHz无线射频;传输模型

中图分类号 TN925;S625.51     文献标志码 A

文章编号：1007-2373（2021）06-0038-07

Abstract At present， Sub-GHz band wireless sensor has been widely used in greenhouse.Understanding the transmission characteristics and distribution of radio frequency signals in greenhouse has become a hot research. In this paper， 433 MHz is used as the working frequency， and the received signal power （dBm） is obtained by the spectral instrument through adjusting the height and horizontal distance between the transmitting node and the receiving node， and the radio wave propagation model in the solar greenhouse is constructed by regression analysis， and the distribution of the signal is simulated.The study shows that the received signal strength of different receiving antenna height layers conforms to the logarithmic path loss model. The path loss index （2.19） in the greenhouse is smaller than that in the outdoor （3.6）. The received signal strength of no-crop in greenhouse is about 10 dBm， higher than that of crop in greenhouse; and on the north side of the greenhouse it is slightly higher than that on the south side， with a height of about 5 dBm. The arrangement of nodes in greenhouse should avoid the location of metal （aluminium wire， etc.）.

Key words solar greenhouse; wireless sensor; path loss; Sub-GHz radio frequency; transmission model

目前物联网在温室环境在线测控、水肥一体化、生产管理等方面得到了广泛应用[1-4]。采用433 MHz频段无线传感器网络具有低功耗、传输性能稳定等优点，在设施农业应用中占据很大的比重。由于日光温室环境复杂，建筑物材料不同、种植作物不同、电气参数不同均会对附带监测信息的电磁波造成干扰[5-7]，从而影响无线传感器网络信号传输与节点部署，因此需要采用无线传感器节点设备对日光温室中射频信号的传输特性与分布情况开展研究。

当前对农业环境下的无线电波的传输特性的研究主要集中在无建筑设施情况下以及在各种温室环境中的传输特性研究。无建筑设施情况下，主要研究在田间不同作物环境如小麦田、桃园、苹果园、树林[8-10]等，节点间的水平距离以及节点布设的高度对电波传播损耗的影响。Rizman等[11]研究了棕榈树下900 MHz，1.8 GHz和2.3 GHz 3种无线射频信号对无线接收信号的影响，通过频谱分析仪的到的信号强度得出棕榈树中无线射频信号呈指数衰减，树干对信号的衰减最小，树叶对信号的衰减最大的结论。郭秀明等[12]根据从接收数据提取的RSSI值研究了苹果园中2.4 GHz无线射频信号在不同高度层的路径损耗模型，得出了在苹果园中部署天线的最佳位置。李偲钰等[13]通过接收节点采集的RSSI研究了小麦田中2.4 GHz无线射频信号在不同苗期、不同天线高度、不同传输距离下信号的衰减模型，得出随着天线高度的增加信号衰减的速度递减，而所能传输的距离递增的结论。

在温室环境下，对无线电波传输特性的研究主要是在日光温室、塑料大棚、连栋温室中对温室数据的采集以及温室路径损耗模型的建立。Peng等[14]设计了一种基于ZigBee的无线节点并探索其在温室不同天线方向的传播特性，根据无线接收模块采集的RSSI值得到一个适用于温室的射频传输模型。李小敏等[15]研究了兰花大棚内以433 MHz为载波频率的无线射频信号在不同影响因素下的数学模型关系，其数据来自接收数据中提取的RSSI值，得出最优的兰花大棚发射功率。陈晓栋等[16]研究了一种工作在780 MHz频段的无线传感器网络并根据无线接收节点的RSSI值对比了433 MHz、780 MHz、2.4 GHz 3个频段在日光温室内的传输特性，得出433 MHz与780 MHz频段的传输效果比2.4 GHz频段要好。以上研究大多采用RSSI作为信号强度指示参数，当有人为干扰或遮挡物时，节点设备可能接收不到数据或者由于设备稳定性差导致获得的RSSI值不准确，且节点设备与频谱仪相比灵敏度不高，获取不到更低的信號强度。同时更多研究是结合某个植物场景，缺少日光温室内无线传输特性支撑。

本文选取北京小汤山农业精准基地日光温室作为试验地点，研究了温室内433 MHz的无线射频信号的传播特性。在4种不同天线高度下测量了射频信号在4种不同发射节点高度下的传输距离对路径损耗影响，确定射频信号在整个温室中的传播特性。根据所测接收信号强度来进行建模分析，并进行模拟仿真，从而为传感器节点在温室中的灵活部署提供依据。

1 材料与方法

1.1 实验场地与设备

本试验在日光温室无作物条件下，研究无线电磁波的传输特性。实验场地选为北京农科院小汤山基地9号日光温室，温室参数如图1所示。温室为东西走向，温室长29 m，跨度7 m，后墙高3 m，采用钢骨架结构，前覆盖材料为塑料薄膜。温室东西方向每隔0.5 m有一根南北走向的铝芯电线用于固定温室作物，电线最高处1.8 m，最低处1.5 m。

本试验所采用的发射模块为深圳安美通科技有限公司的APC300模块，其中发射模块的发射功率设置为10 dBm，工作频率设置为433 MHz。发射节点所采用的射频芯片为Infineon公司的TDA5150，天线采用的是全向棒状天线，天线增益为0.5 dBi。频谱仪以及所配天线作为接收端来采集接收信号强度，单位为dBm。频谱仪采用罗德与施瓦茨公司的手持式频谱仪FSH4-8，天线为罗德与施瓦茨公司的定向天线R&S HE300，操作频率范围为200～500 MHz。

1.2 试验安排

研究主要是在4种不同接收天线高度下，测量了在4种不同发射节点高度下的传输距离对接收信号强度的影响。试验中发射节点固定于温室中央，即距东墙15 m，距北墙3.8 m处，其中东西方向为横向，南北方向为纵向。试验设置发射节点的初始高度为0 m时，分别采集接收天线依次在0 m、0.5 m、1.0 m、1.5 m 4个高度层6个横向位置点（距发射节点西2 m、4 m、6 m、8 m、10 m、12 m）处和5个纵向位置点（距发射节点北1 m、2 m、3 m;南1 m、2 m）处的接收功率（dBm）。然后依次改变发射节点的高度为0.5 m、1.0 m、1.5 m重复同样的试验。其中每个测试点取4组接收功率值，最终取其平均值。图2a）为温室布置节点的横切图，图2b）为温室布置节点的纵切图。

1.3 对数路径损耗模型

路径损耗（path-loss）是指射频信号在传播过程中由传播环境引起的损耗，它被定义为发射机有效发射功率和接收机接收功率之间的差值。

式中：[PL（d）]是传输距离为d时的路径损耗，dBm;[Pt]为发射节点的有效发射功率，dBm;[Pr]为距离d处的接收功率，dBm。

在农业室内室外的很多环境中，路径损耗都可以用对数距离路径损耗模型来预测[17-20]，即

式中：[PL（d0）]是近距离d0（一般取为1 m）时的参考路径损耗;n为路径损耗指数，表征路径损耗随距离变化的速率。将式（2）代入式（1）得

式中，[d0]取距离发射节点1 m处为参考点，将A作为模型参数代入式（3）得

上式即为温室中电波损耗的模型。

2 试验结果与讨论

2.1 试验结果

2.1.1 横向信号传输

发射节点天线距地面高度[ht]分别为0 m、0.5 m、1.0 m、1.5 m的4个高度时，接收节点分别在0 m、0.5 m、1.0 m、1.5 m 4个水平高度h层与发射节点水平距离d为2～12 m，间隔2 m的6个位置点接收信号并计算接收信号的平均功率如图3所示。无论发射节点在什么高度处，在每个接收节点高度上，随着传输距离的增加，接收信号功率均成递减趋势。传输距离在0～6 m时，接收信号功率减小的较快，在6～8 m时，接收信号功率减小的稍缓，在8 m以后，接收信号功率减小趋势加快但很明显衰减速率小于0～6 m的衰减速率。在发射节点的各个高度上，对于固定传输距离的接收功率而言，随着接收天線高度的增加，接收信号功率变大。

对比图3a）、b）、c）、d）的接收信号强度，可以看出，图3a）相同传输距离d处接收信号强度[Pr]比图3b）高约5 dBm，图3b）相同d处的[Pr]与图3c）几近相同，图3c）相同d处的[Pr]比图3d）高约3 dBm，故而发射节点天线高度越高，接收的信号功率越小。所以在温室里布设节点时，发射节点的位置不能布设太高，接收节点可以布设的高些，具体依据温室环境布设。

图3b）中当h = 0 m时，距发射节点4 m和10 m处接收信号强度均骤降，这是由于接收天线高度设置为0 m时过于贴近地面，有高起的土层不利于信号传输。图3c）距发射节点10 m处接收信号强度有一个上升，这是由于发射天线频率为433 MHz，其波长为0.7 m，距发射节点10 m恰好为波长的波峰附近处，所以信号稍强。图3d）整体上下波动比较大，是由于发射天线高度一直在1.5 m处，而其上方0.08 m处有电线，会对接收信号产生干扰使得接收信号不稳定上下波动明显。

2.1.2 纵向信号传输

发射节点天线距地面高度ht分别为0 m、0.5 m、1.0 m、1.5 m的4个高度时，接收节点分别在0 m、0.5 m、1.0 m、1.5 m 4个水平高度h与发射节点相隔北1～3 m（x轴正半轴），南1～2 m（x轴负半轴），间隔1 m的5个位置点接收信号并计算接收信号的平均功率如图4所示。由图可以看出，位于中央左右两侧的场强基本是对称的，但由于温室左右两侧的材料不同以及环境因素，导致温室的南北两侧场强略有差异。北侧略高于南侧，高约5 dBm，其中温室北侧是石灰墙，南侧是由骨架支撑的塑料膜。位于发射节点两侧的场强均随传输距离的增加而减小。

由图4a）、b）、c）、d）可以看出当h为1.5 m时，对应的场强是测不到的，这是由于温室为二折式结构，靠近塑料膜一端为折形最底端，高度不达1.5 m，故而无法测对应处的场强，因而布设节点时需要注意临近塑料膜时，节点高度不得高于1.5 m。由图4a）、b）中可以看出h为1.5 m时，距发射节点北侧1.0 m时，接受信号功率有一个下降，这是由于在发射节点北侧1.0 m处1.76 m高处有铜线对接收信号产生了干扰。图4d）中当h = 1.0 m时，距发射节点南2.0 m处的信号强度高于其他处，这是由测量误差引起。

2.2 数据分析

2.2.1 模型回归分析

采用MATLAB软件对采集的数据进行曲线拟合发现数据关系符合对数衰减规律，利用对数路径衰减损耗模型对数据进行回归分析得到不同发射天线高度ht和接收天线高度h组合下，传输距离内的接收信号功率模型的各参数的拟合值和相关系数R见表1。拟合的决定系数大多在0.8～1.0之间，最小的为0.696，最大的为0.988。无论发射节点的高度多高，接收天线接收的信号强度在各个高度上都是符合对数路径损耗模型的，信号强度可以用式（4）来预测。

由表1可知，当发射天线高度为0 m，接收天线高度为1.5 m时，路径损耗指数n最小，即此时衰减速度最慢，信号强度比较强。当发射天线高度为0.5 m，接收天线高度为1.0 m时，路径损耗指数最大。并且各个发射天线高度下的路径损耗指数是不同的，这说明发射天线高度相同时，接收天线的高度不同，其传播的路径是不同的。由表可知在每个发射天线高度下，接收天线高度为1.5 m时，其路径损耗指数几乎是最小的，也验证了之前随着接收天线高度的增加，固定传输距离处的接收信号强度增强的结论。

表中路径损耗指数n虽然各不相同但很相近，对所有值取平均值为2.19，符合室内的衰减指数。与室外[21]平均路径损耗指数（3.6）相比要小，这是由于温室墙面、地面等对无线信号产生反射，使接收信号中包含大量反射信号，产生了多径效应，使得信号强度加强，路径损耗指数减小。与温室有兰花作物[15]的接收信号强度相比，无作物接收信号强度高约10 dBm。

2.2.2 模型參数A

在接收天线的每个高度下，对各发射天线高度的模型参数进行拟合，拟合结果表明模型参数A和发射天线高度ht符合二次多项式关系模型，相关系数在0.8～1.0之间，拟合的关系模型如式（5）～式（8）所示。

式（5）为接收天线高度为0 m时的拟合模型，式（6）为接收天线高度为0.5 m时的拟合模型，式（7）为接收天线高度为1.0 m时的拟合模型，式（8）为接收天线高度为1.5 m时的拟合模型。

2.2.3 路径损耗指数n

在接收天线的每个高度下，对各发射天线高度的模型参数进行拟合，拟合结果表明路径损耗指数n和发射天线高度ht符合三次多项式关系模型，相关系数为1，拟合的关系模型如式（9）～（12）所示。

式（9）为接收天线高度为0 m时的n与[ht]的关系，式（10）为接收天线高度为0.5 m时的n与[ht]的关系，式（11）为接收天线高度为1.0 m时的n与[ht]的关系，式（12）为接收天线高度为1.5 m时的n与[ht]的关系。将式（5）～（12）代入式（4），得到不同接收天线高度h下的接收信号强度与传输距离d、发射天线高度ht以及路径损耗指数之间的模型。式（13）为接收天线高度为0 m时的路径损耗模型。

2.3 模拟仿真

2.3.1 固定发射节点与接收天线高度的仿真

根据试验数据得到的温室中射频信号传输特性的数学模型，使用MATLAB对分布进行模拟，得到发射节点位于温室中央（距北墙3.8 m;距东墙15 m），节点高度为0 m时，接收天线位于温室中距发射节点任意距离的接收信号强度分布图如图5所示，其中接收天线高度固定为0 m。图中原点（0，0，0）处为发射节点位置，x轴负距离表示接收天线位于发射节点西侧，正距离表示接收天线位于发射节点东侧;y轴负距离表示接收天线位于发射节点南侧，正距离表示接收天线位于发射节点北侧。颜色由深红到深蓝表示信号强度由强到弱。由图可知距离发射节点越远，信号强度呈对数衰减，距发射节点东西两侧的接收信号强度呈对称关系，南北两侧的接收信号强度近似对称。

2.3.2 固定发射节点与接收天线横向位置的仿真

根据试验得到的温室对数路径损耗模型以及模型参数A、路径损耗指数n与接收天线高度的数学关系，使用MATLAB对分布进行仿真，得到发射节点位于温室中央（距北墙3.8 m;距东墙15 m），节点高度为1.5 m时，接收天线位于距发射节点不同横向水平距离（0～15 m），不同高度（0～3 m）处的接收信号强度分布，如图6所示。图中原点（0，0，0）为发射节点位置。x轴负距离表示接收天线位于发射节点西侧，正距离表示接收天线位于发射节点东侧，y轴表示接收节点的高度。颜色由深红到深蓝表示信号强度由强到弱。

当发射节点为其他高度时对应的仿真图与高度为1.5 m相似，故而仅仿真发射节点高度1.5 m的情况。由图可知当接收天线高度从低到高时，接收信号强度先逐渐变强后又开始减弱。距发射节点两侧的接收信号强度是对称关系，离发射节点越远，接收信号强度越弱。无论接收天线位于何种高度，接收信号强度均随横向水平距离对数衰减。

3 结论

本文研究了温室里433 MHz无线信号在不同发射天线高度和不同接收信号高度下接受信号强度的传播情况。通过实地试验和对结果进行实验分析得出结论。

1）随着发射节点天线的增高，对应传输距离的接收信号强度在各个高度上都有下移的趋势。

2）位于中央南北两侧的场强基本是对称的，但由于温室左右两侧的材料不同以及环境因素，导致温室的两侧的场强有平均不到5 dBm的差值。

3）在每个发射天线高度下，接收天线高度为1.5 m时，其路径损耗指数几乎是最小的，即随着接收天线高度的增加，接受信号增强。温室内的路径损耗指数要比室外的小。

因此在温室布设无线传感器时应该注意发射节点不宜布设太高，接受节点应该尽可能地布设高一些。温室内均可接受到比较强的信号，所以两者的传输可以随意控制。

本文也存在一些不足之处。只考虑了不同发射天线高度和不同接受天线高度下的信号传播情况，而在无线传感器网络的部署中，研究温室中发射节点在不同发射功率下的信号传播规律也是很必要的。

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