小麥不同生育期的無線傳感器網絡透地通信特性研究

郁曉慶，張增林，耿艷兵

(1.中北大學，太原 030051；2.西北農林科技大學，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

快速、準確、有效、及時的采集和處理農田信息，對于探明作物生長發育期內土壤水分盈虧,以便做出灌溉、施肥決策或排水措施等具有重要意義[1]。無線傳感器網絡憑借自組織、低成本、低功耗、智能性等特點應用于農業環境變量信息多方位、網絡化遠程監測是目前的無線傳感器農業應用的研究熱點。農業環境信息無線傳感器網絡是由布置在區域農田內大量集成化傳感器協作地實時感知、監測作物、土壤、氣象等信息，通過嵌入式系統對信息進行智能處理，并通過隨機自組織無線通信網絡將所感知的信息傳送到診斷決策中心，實現農業環境及作物信息的遠程集群化監測和管理[2-6]。

無線傳感器網絡和無線地下傳感器網絡混合網絡對農田土壤信息采集中，無線電磁波通過土壤和空氣介質傳輸，地下傳感器發射節點的射頻通信天線不暴露在空氣中，隨整個傳感器節點被完全埋藏在地下土壤中，地上接收節點通過相同頻率的無線方式接收采集節點采集到的土壤溫濕度信息。土壤介質較空氣介質更為復雜，無線傳感器網絡電磁波在土壤介質傳輸過程中，信號衰減遠遠大于在自由空氣中的傳輸[7-9]。李莉等[6]將無線傳感器網絡應用于溫室環境的監測，系統控制終端基于ARM9和嵌入式Linux操作系統進行設計，用于溫室環境數據的接收、實時顯示和存儲,通過GPRS遠程通信方式實現與遠程管理中心的通信。張榮標等[10]實現了基于ZigBee的無線傳感器網絡的溫室無線監控系統的通信，根據溫室結構特征提出一種動態星型無線傳感器網絡的框架。Lopez等[11]將無線傳感器網絡成功應用于西班牙半干旱地區Murcia的一個甘藍農場的土壤體積含水量、溫度和鹽分的監測，設計了包括分布在田間的土壤傳感器節點、環境節點、水節點和網關節點的4種類型節點的傳感器網絡拓撲結構。Green等[12]提出了利用無線傳感器網絡監測飼料倉內不同位置的溫度變化，傳感器網絡節點通信頻率為433 MHz，節點發射功率為10 MW。Bogena等[13]在實驗室采用土柱實驗研究了2.44 GHz頻率Zigbee無線收發模塊在不同土壤類型和土壤含水量下，無線信號的衰減情況。Coen等[14]開發了一種用于高爾夫球場的近地表無線地下傳感器網絡系統，設計了采集節點、中繼節點和網關節點。Silva[15]研究了WSN節點在433MHz頻率下的天線帶寬、節點在土壤中的埋藏深度及農田土壤水分等因素下，對地下節點與地上節點之間通信性能的影響。

本文選取冬小麥作物作為研究對象，以433 MHz載波頻率進行無線射頻信號特性試驗，通過小麥大田試驗和計算機模擬，研究確定影響小麥生育期信號衰減的主要因素，并建立相關數學模型，為小麥大田無線傳感器網絡節點部署提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

無線地下傳感器網絡節點中射頻模塊采用上海桑博電子科技有限公司所開發的STR-30系列微功率無線數傳模塊，最大發射功率10 dBm，通信速率9 600 Bit/s。地下發射節點采用土壤水分傳感器FDS100，供電電壓為5～12 VDC，工作電流為25 mA，工作溫度為-30～65 ℃，輸出信號為0～1.5 VDC，通過A/D轉換將電壓信號轉換成數字信號。利用頻譜分析儀測試電磁波信號衰減，采用的頻譜分析儀為安捷倫N9912A型號手持式RF頻譜分析儀，頻率范圍為100 kHz至4 GHz和6 GHz。實驗中，地上接收節點通過USB-TTL轉換將無線數傳模塊與計算機相連，如圖1所示。

圖1 無線傳感器網絡接收節點Fig.1 Picture of wireless sensor network receiving node

地下發射節點與土壤水分傳感器連接，由4節5號干電池供電，并采用塑料盒封裝，經防水測試，傳感器節點封裝防水效果良好，如圖2所示。

圖2 無線傳感器網絡發射節點Fig.2 Picture of wireless sensor network transmitting node

1.2 試驗設計

試驗分別在小麥生育期中的分蘗期，拔節期、抽穗期、灌漿期進行。試驗過程中，不考慮土壤溫度和土壤含鹽度，環境溫度和土壤含水率分別為小麥4個主要生育期測試時的平均值，如表1所示。

表1 小麥4個生育期試驗的環境溫度和土壤含水率Tab.1 Environmental temperature and soil water content in four wheat growing period experiments

試驗中，發射節點和接收節點射頻頻率均固定為433 MHz，低功耗無線地下傳感器網絡發射節點埋藏在土壤0.5 m即耕作層深度處，地上接收節點在距地面0.5～2 m高度，以間隔0.5 m變化，與地下發射節點水平距離以間隔5 m變化，以期獲得最大水平節點距離，從而建立不同地上接收節點位置、不同土壤含水率和水平節點距離對傳輸中RSSI的影響規律。

1.3 試驗方法

發射節點布置在地下土壤0.5 m深度處且固定不變，接收節點布置在與地面垂直的支架上，高度分別設置為0.5、1、1.5和2.0 m。發射節點功率固定為10 dBm，使用全向天線，天線增益為2 dBi。每次測試均測量100組RSSI的瞬時值并計算其平均值作為此次測試的平均RSSI值。試驗測試模型如圖3所示。

圖3 試驗測試模型Fig.3 Testing model of experiments

選取試驗田中央長勢比較均勻的小麥，將WUSN發射節點埋藏在該處土壤0.5 m深度，帶有接收節點的支架放置在試驗田的田埂，并以間隔0.5 m改變接收節點距地面的高度，共設計4個水平，水平距離依次以5 m為一個通信距離遠離發射節點，共設計10個水平。分別測量小麥4個主要生育期中，每種接收節點高度對應的10種水平距離的接收信號強度。試驗中發射節點和接收節點布置如圖4所示，節點間水平距離示意圖如圖5所示。

圖4 發射節點和接收節點布置圖Fig.4 Picture of transmitting node and receiving node

圖5 節點間水平距離示意圖Fig.5 Picture of inter-nodes horizontal distance

2 測試結果與驗證

通過Matlab建立頻率433 MHz和發射節點埋藏深度0.5 m下，發射節點和接收節點通信中，接收節點距地面高度和節點間水平距離對RSSI影響的三維曲面，進行二元二次擬合，得出接收信號強度和誤碼率的擬合模型和擬合優度，并采用SPASS軟件對能較好反映數據波動的擬合優度R2和均方根誤差RMSE進行了分析。

2.1 分蘗期RSSI三維曲面模型建立與驗證

在小麥分蘗期試驗中，建立了地上接收節點高度以及地上接收節點和地下發射節點間水平距離對RSSI影響的三維曲面，進行模型擬合分析，并對實測數據與預測模型計算結果進行了對比。接收節點布置高度和節點間水平距離對RSSI影響的三維曲面如圖6所示。

注：RSSI隨顏色變化，深紅色>-65 dBm、深藍色RSSI<-75 dBm；圖6 小麥分蘗期試驗中RSSI三維曲面Fig.6 Curved surface of RSSI in wheat tillering stage experiments

由圖6可知，發射節點和接收節點間水平距離越大，接收節點布置高度越高，則RSSI越小。節點間水平距離和接收節點高度均在變化范圍內變化時，接收信號強度最小值達到-80 dBm。通過Matlab進行分析，建立關系如式(2)所示，節點間水平距離和接收節點高度對RSSI基本呈二元二次關系，擬合優度R2較高，為0.903。

Rss=-46.650-1.282Ih-6.905 3Hr+

(2)

式中：Rss為通信中的接收信號強度，dBm；Ih為地上接收節點接收高度，m；Hr為節點間水平距離，m。

為了能夠評估地下發射節點和地上接收節點間通信預測模型，采用SPASS軟件對能較好反映數據波動的擬合優度R2和均方根誤差RMSE進行了分析，如表2所示。

由表2可知，地下發射節點和地上接收節點通信中，模型計算結果和實際測量值之間的擬合優度R2在接收節點高度2 m時最小為0.714，在接收節點高度0.5 m時最大為0.927。RMSE在1.518～3.372 dBm之間。

2.2 拔節期RSSI三維曲面模型建立與驗證

在小麥拔節期試驗中，建立了地上接收節點高度以及地上接收節點和地下發射節點間水平距離對RSSI影響的三維曲面，進行模型擬合分析，并對實測數據與預測模型計算結果進行了對比。接收節點布置高度和節點間水平距離對RSSI影響的三維曲面如圖7所示。

表2 小麥分蘗期不同接收節點高度實測數據與預測模型的擬合優度和均方根誤差Tab.2 R2 and RMSE between measured and computed data at different receiving node high in wheat tillering stage

圖7 小麥拔節期試驗中RSSI三維曲面Fig.7 Curved surface of RSSI in wheat jointing stage experiments

由圖7可知，隨著節點間水平距離和接收節點高度的增加，地下發射節點和地上接收節點間通信的接收信號強度RSSI減小。節點間水平距離和接收節點高度均在變化范圍內變化時，接收信號強度最小值達到-90 dBm。通過Matlab進行分析，建立關系如式(3)所示，節點間水平距離和接收節點高度對RSSI基本呈二元二次關系，擬合優度R2較高，為0.901。

(3)

為了能夠評估地下發射節點和地上接收節點間通信預測模型，采用SPASS軟件對能較好反映數據波動的擬合優度R2和均方根誤差RMSE進行了分析，如表3所示。

表3 小麥拔節期不同接收節點高度實測數據與預測模型的擬合優度和均方根誤差Tab.3 R2 and RMSE between measured and computed data at different receiving node high in wheat jointing stage

由表3可知，地下發射節點和地上接收節點通信中，模型計算結果和實際測量值之間的擬合優度R2在接收節點高度1.5 m時最小為0.664，在接收節點高度1 m時最大為0.986。RMSE在0.571～3.491 dBm之間。

2.3 抽穗期RSSI三維曲面模型建立與驗證

在小麥抽穗期試驗中，建立了地上接收節點高度、以及地上接收節點和地下發射節點間水平距離對RSSI影響的三維曲面，進行模型擬合分析，并對實測數據與預測模型計算結果進行了對比。接收節點布置高度和節點間水平距離對RSSI影響的三維曲面如圖8所示。

圖8 小麥抽穗期試驗中RSSI三維曲面Fig.8 Curved surface of RSSI in wheat heading stage experiments

由圖8可知，地上接收節點高度和節點間水平距離的增加，地下發射節點和地上接收節點間通信的接收信號強度RSSI值逐漸減小。節點間水平距離和接收節點高度均在變化范圍內變化時，接收信號強度最小值達到-98 dBm。通過Matlab進行分析，建立關系如式(4)所示，節點間水平距離和接收節點高度對RSSI基本呈二元二次關系，擬合優度R2較高，為0.877。

(4)

為了能夠評估地下發射節點和地上接收節點間通信預測模型，采用SPASS軟件對能較好反映數據波動的擬合優度R2和均方根誤差RMSE進行了分析，如表4所示。

表4 小麥抽穗期不同接收節點高度實測數據與預測模型的擬合優度和均方根誤差Tab.4 R2 and RMSE between measured and computed data at different receiving node high in wheat heading stage

由表4可知，地下發射節點和地上接收節點通信中，模型計算結果和實際測量值之間的擬合優度R2在接收節點高度1.5 m時最小為0.673，在接收節點高度2 m時最大為0.888。RMSE在1.569～4.372 dBm之間。

2.4 灌漿期RSSI三維曲面模型建立與驗證

在小麥灌漿期試驗中，建立了地上接收節點高度、以及地上接收節點和地下發射節點間水平距離對RSSI影響的三維曲面，進行模型擬合分析，并對實測數據與預測模型計算結果進行了對比。接收節點布置高度和節點間水平距離對RSSI影響的三維曲面如圖9所示。

圖9 小麥灌漿期試驗中RSSI三維曲面Fig.9 Curved surface of RSSI in wheat watery stage experiments

由圖9可知，發射節點和接收節點間通信中，接收信號強度RSSI隨節點間水平距離和接收節點距地面高度的變化而變化，且呈減小趨勢。當節點間水平距離和接收節點高度均在變化范圍內變化時，接收信號強度最小值達到-105 dBm。通過Matlab進行分析，建立關系如式(5)所示，節點間水平距離和接收節點高度對RSSI基本呈二元二次關系，擬合優度R2較高，為0.877。

(5)

為了能夠評估地下發射節點和地上接收節點間通信預測模型，采用SPASS軟件對能較好反映數據波動的擬合優度R2和均方根誤差RMSE進行了分析，如表5所示。

表5 小麥灌漿期不同接收節點高度實測數據與預測模型的擬合優度和均方根誤差Tab.5 R2 and RMSE between measured and computed data at different receiving node high in wheat watery stage

由表5可知，地下發射節點和地上接收節點通信中，模型計算結果和實際測量值之間的擬合優度R2在接收節點高度1 m時最小為0.665，在接收節點高度1.5 m時最大為0.784。RMSE在4.062～4.842 dBm之間。

結果表明，實測接收信號強度與計算的接收信號強度相差較小。該模型能夠較好地對通信中不同接收節點高度不同發射節點和接收節點間水平距離的接收信號強度進行預測。

3 結 語

本研究在433 MHz載波頻率下，研究了混合無線傳感器網絡透地通信特性。選取的因素有地上接收節點高度、節點間水平距離，利用MATLAB建立小麥4個生育期中RSSI變化的三維曲面模型，并采用SPASS軟件分析了數據波動的擬合優度R2和均方根誤差。

根據所得模型進一步研究分析，發現農田土壤信息采集傳感器節點的通信與接收節點距地面布置的高度、地下發射節點和地上接收節點間水平距離有直接的關系，接收節點高度越高，以及節點間水平距離越大，通信性能越差。在小麥4個主要生育期，分蘗期試驗測試通信中RSSI相對最強。