433MHz無線信道在日光溫室中傳輸與分布特性研究

劉芳煥 趙全明 張馨 薛緒掌 鄭文剛 王英東

摘要 目前Sub-GHz頻段的無線傳感器在溫室生產中得到廣泛應用，了解射頻信號在溫室中的傳輸特性與分布情況已經成為當前研究熱點。研究了以433 MHz為工作頻率，通過調節發射節點與接受節點高度以及兩者之間的水平距離，采用頻譜儀獲得接收信號功率（dBm），通過回歸分析構建日光溫室中的無線電波傳播模型，并仿真得到信號在日光溫室中的分布情況。研究表明：在發射天線的每個高度上，不同的接收天線高度層接收信號強度符合對數路徑損耗模型，溫室內的路徑損耗指數（2.19）比室外（3.6）的小，溫室內無作物接收信號強度比有作物大約10 dBm;溫室北側接收信號強度略高于南側，高約5 dBm;溫室中布置節點應避開有金屬（鋁線等）的位置。

關 鍵 詞 日光溫室;無線傳感器;路徑損耗;Sub-GHz無線射頻;傳輸模型

中圖分類號 TN925;S625.51? ? ?文獻標志碼 A

文章編號：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

目前物聯網在溫室環境在線測控、水肥一體化、生產管理等方面得到了廣泛應用[1-4]。采用433 MHz頻段無線傳感器網絡具有低功耗、傳輸性能穩定等優點，在設施農業應用中占據很大的比重。由于日光溫室環境復雜，建筑物材料不同、種植作物不同、電氣參數不同均會對附帶監測信息的電磁波造成干擾[5-7]，從而影響無線傳感器網絡信號傳輸與節點部署，因此需要采用無線傳感器節點設備對日光溫室中射頻信號的傳輸特性與分布情況開展研究。

當前對農業環境下的無線電波的傳輸特性的研究主要集中在無建筑設施情況下以及在各種溫室環境中的傳輸特性研究。無建筑設施情況下，主要研究在田間不同作物環境如小麥田、桃園、蘋果園、樹林[8-10]等，節點間的水平距離以及節點布設的高度對電波傳播損耗的影響。Rizman等[11]研究了棕櫚樹下900 MHz，1.8 GHz和2.3 GHz 3種無線射頻信號對無線接收信號的影響，通過頻譜分析儀的到的信號強度得出棕櫚樹中無線射頻信號呈指數衰減，樹干對信號的衰減最小，樹葉對信號的衰減最大的結論。郭秀明等[12]根據從接收數據提取的RSSI值研究了蘋果園中2.4 GHz無線射頻信號在不同高度層的路徑損耗模型，得出了在蘋果園中部署天線的最佳位置。李偲鈺等[13]通過接收節點采集的RSSI研究了小麥田中2.4 GHz無線射頻信號在不同苗期、不同天線高度、不同傳輸距離下信號的衰減模型，得出隨著天線高度的增加信號衰減的速度遞減，而所能傳輸的距離遞增的結論。

在溫室環境下，對無線電波傳輸特性的研究主要是在日光溫室、塑料大棚、連棟溫室中對溫室數據的采集以及溫室路徑損耗模型的建立。Peng等[14]設計了一種基于ZigBee的無線節點并探索其在溫室不同天線方向的傳播特性，根據無線接收模塊采集的RSSI值得到一個適用于溫室的射頻傳輸模型。李小敏等[15]研究了蘭花大棚內以433 MHz為載波頻率的無線射頻信號在不同影響因素下的數學模型關系，其數據來自接收數據中提取的RSSI值，得出最優的蘭花大棚發射功率。陳曉棟等[16]研究了一種工作在780 MHz頻段的無線傳感器網絡并根據無線接收節點的RSSI值對比了433 MHz、780 MHz、2.4 GHz 3個頻段在日光溫室內的傳輸特性，得出433 MHz與780 MHz頻段的傳輸效果比2.4 GHz頻段要好。以上研究大多采用RSSI作為信號強度指示參數，當有人為干擾或遮擋物時，節點設備可能接收不到數據或者由于設備穩定性差導致獲得的RSSI值不準確，且節點設備與頻譜儀相比靈敏度不高，獲取不到更低的信號強度。同時更多研究是結合某個植物場景，缺少日光溫室內無線傳輸特性支撐。

本文選取北京小湯山農業精準基地日光溫室作為試驗地點，研究了溫室內433 MHz的無線射頻信號的傳播特性。在4種不同天線高度下測量了射頻信號在4種不同發射節點高度下的傳輸距離對路徑損耗影響，確定射頻信號在整個溫室中的傳播特性。根據所測接收信號強度來進行建模分析，并進行模擬仿真，從而為傳感器節點在溫室中的靈活部署提供依據。

1 材料與方法

1.1 實驗場地與設備

本試驗在日光溫室無作物條件下，研究無線電磁波的傳輸特性。實驗場地選為北京農科院小湯山基地9號日光溫室，溫室參數如圖1所示。溫室為東西走向，溫室長29 m，跨度7 m，后墻高3 m，采用鋼骨架結構，前覆蓋材料為塑料薄膜。溫室東西方向每隔0.5 m有一根南北走向的鋁芯電線用于固定溫室作物，電線最高處1.8 m，最低處1.5 m。

本試驗所采用的發射模塊為深圳安美通科技有限公司的APC300模塊，其中發射模塊的發射功率設置為10 dBm，工作頻率設置為433 MHz。發射節點所采用的射頻芯片為Infineon公司的TDA5150，天線采用的是全向棒狀天線，天線增益為0.5 dBi。頻譜儀以及所配天線作為接收端來采集接收信號強度，單位為dBm。頻譜儀采用羅德與施瓦茨公司的手持式頻譜儀FSH4-8，天線為羅德與施瓦茨公司的定向天線R&S HE300，操作頻率范圍為200～500 MHz。

1.2 試驗安排

研究主要是在4種不同接收天線高度下，測量了在4種不同發射節點高度下的傳輸距離對接收信號強度的影響。試驗中發射節點固定于溫室中央，即距東墻15 m，距北墻3.8 m處，其中東西方向為橫向，南北方向為縱向。試驗設置發射節點的初始高度為0 m時，分別采集接收天線依次在0 m、0.5 m、1.0 m、1.5 m 4個高度層6個橫向位置點（距發射節點西2 m、4 m、6 m、8 m、10 m、12 m）處和5個縱向位置點（距發射節點北1 m、2 m、3 m;南1 m、2 m）處的接收功率（dBm）。然后依次改變發射節點的高度為0.5 m、1.0 m、1.5 m重復同樣的試驗。其中每個測試點取4組接收功率值，最終取其平均值。圖2a）為溫室布置節點的橫切圖，圖2b）為溫室布置節點的縱切圖。

1.3 對數路徑損耗模型

路徑損耗（path-loss）是指射頻信號在傳播過程中由傳播環境引起的損耗，它被定義為發射機有效發射功率和接收機接收功率之間的差值。

式中：[PL（d）]是傳輸距離為d時的路徑損耗，dBm;[Pt]為發射節點的有效發射功率，dBm;[Pr]為距離d處的接收功率，dBm。

在農業室內室外的很多環境中，路徑損耗都可以用對數距離路徑損耗模型來預測[17-20]，即

式中：[PL（d0）]是近距離d0（一般取為1 m）時的參考路徑損耗;n為路徑損耗指數，表征路徑損耗隨距離變化的速率。將式（2）代入式（1）得

式中，[d0]取距離發射節點1 m處為參考點，將A作為模型參數代入式（3）得

上式即為溫室中電波損耗的模型。

2 試驗結果與討論

2.1 試驗結果

2.1.1 橫向信號傳輸

發射節點天線距地面高度[ht]分別為0 m、0.5 m、1.0 m、1.5 m的4個高度時，接收節點分別在0 m、0.5 m、1.0 m、1.5 m 4個水平高度h層與發射節點水平距離d為2～12 m，間隔2 m的6個位置點接收信號并計算接收信號的平均功率如圖3所示。無論發射節點在什么高度處，在每個接收節點高度上，隨著傳輸距離的增加，接收信號功率均成遞減趨勢。傳輸距離在0～6 m時，接收信號功率減小的較快，在6～8 m時，接收信號功率減小的稍緩，在8 m以后，接收信號功率減小趨勢加快但很明顯衰減速率小于0～6 m的衰減速率。在發射節點的各個高度上，對于固定傳輸距離的接收功率而言，隨著接收天線高度的增加，接收信號功率變大。

對比圖3a）、b）、c）、d）的接收信號強度，可以看出，圖3a）相同傳輸距離d處接收信號強度[Pr]比圖3b）高約5 dBm，圖3b）相同d處的[Pr]與圖3c）幾近相同，圖3c）相同d處的[Pr]比圖3d）高約3 dBm，故而發射節點天線高度越高，接收的信號功率越小。所以在溫室里布設節點時，發射節點的位置不能布設太高，接收節點可以布設的高些，具體依據溫室環境布設。

圖3b）中當h = 0 m時，距發射節點4 m和10 m處接收信號強度均驟降，這是由于接收天線高度設置為0 m時過于貼近地面，有高起的土層不利于信號傳輸。圖3c）距發射節點10 m處接收信號強度有一個上升，這是由于發射天線頻率為433 MHz，其波長為0.7 m，距發射節點10 m恰好為波長的波峰附近處，所以信號稍強。圖3d）整體上下波動比較大，是由于發射天線高度一直在1.5 m處，而其上方0.08 m處有電線，會對接收信號產生干擾使得接收信號不穩定上下波動明顯。

2.1.2 縱向信號傳輸

發射節點天線距地面高度ht分別為0 m、0.5 m、1.0 m、1.5 m的4個高度時，接收節點分別在0 m、0.5 m、1.0 m、1.5 m 4個水平高度h與發射節點相隔北1～3 m（x軸正半軸），南1～2 m（x軸負半軸），間隔1 m的5個位置點接收信號并計算接收信號的平均功率如圖4所示。由圖可以看出，位于中央左右兩側的場強基本是對稱的，但由于溫室左右兩側的材料不同以及環境因素，導致溫室的南北兩側場強略有差異。北側略高于南側，高約5 dBm，其中溫室北側是石灰墻，南側是由骨架支撐的塑料膜。位于發射節點兩側的場強均隨傳輸距離的增加而減小。

由圖4a）、b）、c）、d）可以看出當h為1.5 m時，對應的場強是測不到的，這是由于溫室為二折式結構，靠近塑料膜一端為折形最底端，高度不達1.5 m，故而無法測對應處的場強，因而布設節點時需要注意臨近塑料膜時，節點高度不得高于1.5 m。由圖4a）、b）中可以看出h為1.5 m時，距發射節點北側1.0 m時，接受信號功率有一個下降，這是由于在發射節點北側1.0 m處1.76 m高處有銅線對接收信號產生了干擾。圖4d）中當h = 1.0 m時，距發射節點南2.0 m處的信號強度高于其他處，這是由測量誤差引起。

2.2 數據分析

2.2.1 模型回歸分析

采用MATLAB軟件對采集的數據進行曲線擬合發現數據關系符合對數衰減規律，利用對數路徑衰減損耗模型對數據進行回歸分析得到不同發射天線高度ht和接收天線高度h組合下，傳輸距離內的接收信號功率模型的各參數的擬合值和相關系數R見表1。擬合的決定系數大多在0.8～1.0之間，最小的為0.696，最大的為0.988。無論發射節點的高度多高，接收天線接收的信號強度在各個高度上都是符合對數路徑損耗模型的，信號強度可以用式（4）來預測。

由表1可知，當發射天線高度為0 m，接收天線高度為1.5 m時，路徑損耗指數n最小，即此時衰減速度最慢，信號強度比較強。當發射天線高度為0.5 m，接收天線高度為1.0 m時，路徑損耗指數最大。并且各個發射天線高度下的路徑損耗指數是不同的，這說明發射天線高度相同時，接收天線的高度不同，其傳播的路徑是不同的。由表可知在每個發射天線高度下，接收天線高度為1.5 m時，其路徑損耗指數幾乎是最小的，也驗證了之前隨著接收天線高度的增加，固定傳輸距離處的接收信號強度增強的結論。

表中路徑損耗指數n雖然各不相同但很相近，對所有值取平均值為2.19，符合室內的衰減指數。與室外[21]平均路徑損耗指數（3.6）相比要小，這是由于溫室墻面、地面等對無線信號產生反射，使接收信號中包含大量反射信號，產生了多徑效應，使得信號強度加強，路徑損耗指數減小。與溫室有蘭花作物[15]的接收信號強度相比，無作物接收信號強度高約10 dBm。

2.2.2 模型參數A

在接收天線的每個高度下，對各發射天線高度的模型參數進行擬合，擬合結果表明模型參數A和發射天線高度ht符合二次多項式關系模型，相關系數在0.8～1.0之間，擬合的關系模型如式（5）～式（8）所示。

式（5）為接收天線高度為0 m時的擬合模型，式（6）為接收天線高度為0.5 m時的擬合模型，式（7）為接收天線高度為1.0 m時的擬合模型，式（8）為接收天線高度為1.5 m時的擬合模型。

2.2.3 路徑損耗指數n

在接收天線的每個高度下，對各發射天線高度的模型參數進行擬合，擬合結果表明路徑損耗指數n和發射天線高度ht符合三次多項式關系模型，相關系數為1，擬合的關系模型如式（9）～（12）所示。

式（9）為接收天線高度為0 m時的n與[ht]的關系，式（10）為接收天線高度為0.5 m時的n與[ht]的關系，式（11）為接收天線高度為1.0 m時的n與[ht]的關系，式（12）為接收天線高度為1.5 m時的n與[ht]的關系。將式（5）～（12）代入式（4），得到不同接收天線高度h下的接收信號強度與傳輸距離d、發射天線高度ht以及路徑損耗指數之間的模型。式（13）為接收天線高度為0 m時的路徑損耗模型。

2.3 模擬仿真

2.3.1 固定發射節點與接收天線高度的仿真

根據試驗數據得到的溫室中射頻信號傳輸特性的數學模型，使用MATLAB對分布進行模擬，得到發射節點位于溫室中央（距北墻3.8 m;距東墻15 m），節點高度為0 m時，接收天線位于溫室中距發射節點任意距離的接收信號強度分布圖如圖5所示，其中接收天線高度固定為0 m。圖中原點（0，0，0）處為發射節點位置，x軸負距離表示接收天線位于發射節點西側，正距離表示接收天線位于發射節點東側;y軸負距離表示接收天線位于發射節點南側，正距離表示接收天線位于發射節點北側。顏色由深紅到深藍表示信號強度由強到弱。由圖可知距離發射節點越遠，信號強度呈對數衰減，距發射節點東西兩側的接收信號強度呈對稱關系，南北兩側的接收信號強度近似對稱。

2.3.2 固定發射節點與接收天線橫向位置的仿真

根據試驗得到的溫室對數路徑損耗模型以及模型參數A、路徑損耗指數n與接收天線高度的數學關系，使用MATLAB對分布進行仿真，得到發射節點位于溫室中央（距北墻3.8 m;距東墻15 m），節點高度為1.5 m時，接收天線位于距發射節點不同橫向水平距離（0～15 m），不同高度（0～3 m）處的接收信號強度分布，如圖6所示。圖中原點（0，0，0）為發射節點位置。x軸負距離表示接收天線位于發射節點西側，正距離表示接收天線位于發射節點東側，y軸表示接收節點的高度。顏色由深紅到深藍表示信號強度由強到弱。

當發射節點為其他高度時對應的仿真圖與高度為1.5 m相似，故而僅仿真發射節點高度1.5 m的情況。由圖可知當接收天線高度從低到高時，接收信號強度先逐漸變強后又開始減弱。距發射節點兩側的接收信號強度是對稱關系，離發射節點越遠，接收信號強度越弱。無論接收天線位于何種高度，接收信號強度均隨橫向水平距離對數衰減。

3 結論

本文研究了溫室里433 MHz無線信號在不同發射天線高度和不同接收信號高度下接受信號強度的傳播情況。通過實地試驗和對結果進行實驗分析得出結論。

1）隨著發射節點天線的增高，對應傳輸距離的接收信號強度在各個高度上都有下移的趨勢。

2）位于中央南北兩側的場強基本是對稱的，但由于溫室左右兩側的材料不同以及環境因素，導致溫室的兩側的場強有平均不到5 dBm的差值。

3）在每個發射天線高度下，接收天線高度為1.5 m時，其路徑損耗指數幾乎是最小的，即隨著接收天線高度的增加，接受信號增強。溫室內的路徑損耗指數要比室外的小。

因此在溫室布設無線傳感器時應該注意發射節點不宜布設太高，接受節點應該盡可能地布設高一些。溫室內均可接受到比較強的信號，所以兩者的傳輸可以隨意控制。

本文也存在一些不足之處。只考慮了不同發射天線高度和不同接受天線高度下的信號傳播情況，而在無線傳感器網絡的部署中，研究溫室中發射節點在不同發射功率下的信號傳播規律也是很必要的。

參考文獻：

[1]? ? 盧闖，彭秀媛，宣鍇，等. 物聯網在設施農業中的應用研究[J]. 農業網絡信息，2011（9）：10-13.

[2]? ? 朱會霞，王福林，索瑞霞. 物聯網在中國現代農業中的應用[J]. 中國農學通報，2011，27（2）：310-314.

[3]? ? LEE K O，BAE Y，OH M，et al. Development of a Web-Based greenhouse monitoring system using a field server[J]，Journal of the Faculty of Agriculture Kyushu University，2011，56（1）：103-108.

[4]? ? 邢志卿，付興，房駿，等. 物聯網技術在現代農業生產中的應用研究[J]. 農業技術與裝備，2010（8）：16-17，20.

[5]? ? 顧劍. 應用于溫室大棚智能監控系統的WSN設計與實現[D]. 杭州：杭州電子科技大學，2017.

[6]? ? JAHNAVI V S，AHAMED S F. Smart wireless sensor network for automated greenhouse[J]. IETE Journal of Research，2015，61（2）：180-185.

[7]? ? 李莉，張彥娥，汪懋華，等. 現代通信技術在溫室中的應用[J]. 農業機械學報，2007，38（2）：195-200.

[8]? ? 文韜，洪添勝，李震，等. 橘園無線傳感器網絡不同節點部署方式下的射頻信號傳播試驗[J]. 農業工程學報，2010，26（6）：211-215.

[9]? ? ZIADE Y，ROUSSEL H，TABBARA W，et al. A theoretical model of propagation in forest compared with experimental results[C]//Proceedings of 2005 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium，2005. IGARSS '05. July 29-29，2005，Seoul，Korea （South）. IEEE，2005：1357-1360.

[10]? 曹惠茹，楊智，薄宏，等. 2. 4GHz無線信道特性在火龍果園的試驗與研究[J]. 中國測試，2014，40（3）：109-112.

[11]? RIZMAN Z I，JUSOFF K，RAIS S S，et al. Microwave signal propagation on oil palm trees：measurements and analysis[J]. International Journal on Smart Sensing and Intelligent Systems，2011，4（3）：388-401.

[12]? 郭秀明，趙春江，楊信廷，等. 蘋果園中2. 4GHz無線信道在不同高度的傳播特性[J]. 農業工程學報，2012，28（12）：195-200.

[13]? 李偲鈺，高紅菊，姜建釗. 小麥田中天線高度對2. 4GHz無線信道傳播特性的影響[J]. 農業工程學報，2009，25（S2）：184-189.

[14]? PENG Y Y，HE U，CHOI J. Wireless sensing and propagation characterization for smart greenhouses[C]//WANG Y H，ZHANG X M. Internet of Things. Springer Verlag，2012：1-8.

[15]? 李小敏，臧英，羅錫文，等. 蘭花大棚內無線傳感器網絡433MHz信道傳播特性試驗[J]. 農業工程學報，2013，29（13）：182-189.

[16]? 陳曉棟，郭平毅，蘭艷亭. 基于780MHz頻段的溫室無線傳感器網絡的設計及試驗[J]. 農業工程學報，2014，30（1）：113-120.

[17]? SARKAR T K，JI Z，KIM K，et al. A survey of various propagation models for mobile communication[J]. IEEE Antennas and Propagation Magazine，2003，45（3）：51-82.

[18]? SHAMIR A. 無線電傳播簡介：專用術語，室內傳播和路徑損耗計算及實例[J]. 今日電子，2002（Z1）：26-30.

[19]? AZEVEDO J A R，SANTOS F E S. An empirical propagation model for forest environments at tree trunk level[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2011，59（6）：2357-2367.

[20]? 申靜濤. 基于RSSI的對數距離路徑損耗模型研究[J]. 電子質量，2013（12）：15-17.

[21]? 雷凱鋒. 面向農業應用的433MHz無線信號傳播特性研究[D]. 北京：北京郵電大學，2015.