農(nóng)田土壤無線地下傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計與通信試驗

張增林 韓 萌 韓文霆,2 鄭佳運 楊 杰

(1.西北農(nóng)林科技大學機械與電子工程學院， 陜西楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所， 陜西楊凌 712100)

0 引言

農(nóng)田土壤參數(shù)信息獲取是農(nóng)業(yè)環(huán)境信息技術(shù)研究的主要內(nèi)容[1]，目前大多采用無線地上傳感器網(wǎng)絡(Wireless sensor network，WSN)，即使用有線的方式將埋藏在土壤中的傳感器連接到地面上的數(shù)據(jù)讀取和無線收發(fā)設備，以避免傳感器網(wǎng)絡在地下土壤中進行通信[2-4]。然而，這些暴露在地面上的傳感器設備不僅影響農(nóng)業(yè)機械作業(yè)，而且傳感器節(jié)點本身也因受地質(zhì)災害、極端天氣等自然因素的影響而易導致失效[5]。為此，研究人員提出了無線地下傳感器網(wǎng)絡(Wireless underground sensor networks，WUSN)概念[6]，WUSN為農(nóng)田土壤信息監(jiān)測提供了新的手段。WUSN是指將具有無線接收、發(fā)送模塊的傳感器設備完全埋入地下土壤中，通過無線方式收發(fā)數(shù)據(jù)，這種方式具有隱藏性強、易于布設、數(shù)據(jù)及時、可靠性好、覆蓋范圍大、容易升級等優(yōu)點[7]。WUSN具有十分廣闊的應用前景，是農(nóng)業(yè)環(huán)境信息監(jiān)測技術(shù)的重要研究方向[8-9]。

在WUSN技術(shù)應用領(lǐng)域，國內(nèi)外研究人員已經(jīng)取得了一定的研究成果[10-15]。但WUSN技術(shù)是一個較新的研究領(lǐng)域，目前，WUSN節(jié)點信號在土壤介質(zhì)中傳輸特性的相關(guān)研究較少[16-17]，鮮見關(guān)于土壤含水率、節(jié)點埋深以及節(jié)點間水平距離對WUSN節(jié)點信號傳輸影響的研究報道。

本文以關(guān)中地區(qū)農(nóng)田土壤為研究對象，設計一種農(nóng)田土壤無線地下傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，建立接收信號強度和誤碼率與土壤含水率、WUSN節(jié)點埋深以及節(jié)點間水平距離的關(guān)系模型，采用單因素試驗法，在調(diào)制土壤中進行節(jié)點間傳輸試驗，獲取匯聚節(jié)點接收信號強度和誤碼率數(shù)據(jù)，以期提出一種WUSN節(jié)點信號在土壤中傳輸?shù)念A測模型，為無線地下傳感器網(wǎng)絡節(jié)點部署提供參考。

1 節(jié)點設計

1.1 節(jié)點設計要求

無線地下傳感器網(wǎng)絡主要借助網(wǎng)絡節(jié)點中內(nèi)置的傳感器，測量節(jié)點周邊環(huán)境中溫度、濕度、壓力、光照強度等信號，是一類典型的傳感器網(wǎng)絡應用，針對WUSN在農(nóng)田土壤水分信息監(jiān)測的實際需要，WUSN節(jié)點的設計需要滿足土壤含水率監(jiān)測范圍和節(jié)點無線通信性能要求。

1.1.1農(nóng)田土壤水分監(jiān)測要求

根據(jù)關(guān)中地區(qū)農(nóng)田土壤水分信息監(jiān)測需求[18-20]，選擇土壤水分傳感器作為數(shù)據(jù)采集端。農(nóng)田土壤含水率監(jiān)測范圍為0～25%，分辨率為1%，準確率為1%，采樣速率為1次/h。

1.1.2節(jié)點無線通信性能要求

在農(nóng)田土壤信息監(jiān)測中，WUSN節(jié)點布置在土壤深處，為了保證節(jié)點系統(tǒng)在農(nóng)田土壤中長期運行，WUSN節(jié)點應具有低功耗、低成本、高穩(wěn)定性的特性。另外，根據(jù)農(nóng)田土壤監(jiān)測成本需求，WUSN節(jié)點需在保持以上監(jiān)測范圍和采樣速率的基礎(chǔ)上穩(wěn)定運行12個月以上。

1.2 節(jié)點硬件設計

1.2.1WUSN節(jié)點硬件設計

根據(jù)農(nóng)田土壤WUSN節(jié)點設計要求，結(jié)合現(xiàn)有傳感器、單片機、無線通信等技術(shù)，將傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、處理器、無線數(shù)傳和能量供應等模塊結(jié)合，開發(fā)設計無線地下傳感器網(wǎng)絡節(jié)點。WUSN節(jié)點體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中，傳感器模塊負責農(nóng)田土壤信息采集和轉(zhuǎn)換；處理器模塊負責控制存儲和處理土壤數(shù)據(jù)；無線數(shù)傳模塊負責與匯聚節(jié)點進行無線通信，發(fā)送土壤數(shù)據(jù)；能量供應模塊為各模塊提供所需的能量。

WUSN節(jié)點中傳感器模塊采用XR61-TDR2型土壤水分傳感器，該傳感器具有穩(wěn)定性高、屏蔽性好、體積小、價格低等優(yōu)點，可以精確獲取土壤含水率。WUSN節(jié)點中處理器模塊采用16位MSP430單片機作為主要控制芯片，該芯片具有功耗低、集成度高、性價比高、抗干擾能力強、串口編程方便等優(yōu)點[21]。

WUSN節(jié)點信號源采用H8410型無線射頻模塊，該模塊是一種嵌入式高速處理器和低功耗射頻芯片，采用標準1/4波長的單極全向天線，采用GFSK調(diào)制方式[22]。其中，工頻可分別為240、433、868 MHz，本文選用433 MHz頻段進行節(jié)點間傳輸性能測試試驗。

WUSN節(jié)點通常布置在無人值守的農(nóng)田，大多數(shù)屬于一次性使用，故在本文研究中能量供應模塊采用普通堿性電池。另外在能量供應模塊設計中，采用按鍵選擇開關(guān)選用外接電池供電或者USB供電，這樣可以在調(diào)試和下載程序時采用USB供電，保持電壓穩(wěn)定，在應用時采用電池供電。

由于農(nóng)田土壤深處比較潮濕，需要對WUSN節(jié)點做防水處理。本文設計開發(fā)的WUSN節(jié)點防水處理前后實物如圖2所示。

1.2.2匯聚節(jié)點硬件設計

匯聚節(jié)點由無線數(shù)傳、處理器、顯示和能量供應等模塊組成，匯聚節(jié)點體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

無線數(shù)傳模塊負責接收WUSN節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并送入處理器存儲和處理，最后在顯示模塊上顯示土壤參數(shù)信息。匯聚節(jié)點采用的處理器和無線數(shù)傳模塊與WUSN節(jié)點相同，能量供應模塊采用USB供電，顯示模塊采用計算機實現(xiàn)。

2 試驗與分析

2.1 試驗區(qū)域概況

試驗區(qū)域位于陜西省咸陽市楊凌區(qū)(108°7′E，34°28′N，海拔435～563 m)。年降水量635.1～663.9 mm，年均氣溫12.9℃，屬于暖溫帶季風半濕潤氣候，土壤類型是關(guān)中地區(qū)典型的塿土，土壤肥沃，適宜多種農(nóng)作物生長。

2.2 試驗設計及數(shù)據(jù)采集

土壤組成直接影響WUSN節(jié)點信號傳輸質(zhì)量，但是農(nóng)田土壤參數(shù)復雜多樣，且外界干擾因素較多，難以有效進行WUSN節(jié)點通信試驗，本文在實驗室內(nèi)搭建土壤測試平臺，用調(diào)制土壤進行WUSN節(jié)點通信試驗。土壤測試平臺尺寸為2.5 m×1.0 m×1.5 m，用復合軟磁吸波材料封裝制作，因此WUSN節(jié)點信號在四周產(chǎn)生的反射可以忽略不計，土壤測試平臺如圖4所示。

試驗所用土壤取自楊凌區(qū)某農(nóng)田地下30～130 cm處，自然風干后過2 mm篩，根據(jù)土壤顆粒粒級，劃分為沙粒、粉粒和粘粒，對試驗用土進行測定，所得試驗用土砂粒(粒徑0.02～2 mm)質(zhì)量分數(shù)為22.36%，粉粒(粒徑0.002～0.02 mm)質(zhì)量分數(shù)為58.26%，粘粒(粒徑小于0.002 mm)質(zhì)量分數(shù)為19.38%。

選取土壤含水率5%～55%，節(jié)點埋深30～130 cm，節(jié)點間水平距離10～210 cm，三因素均取21個水平。在土壤測試平臺進行的WUSN節(jié)點信號傳輸試驗分2部分：第1部分為WUSN節(jié)點信號在地下垂直方向上的傳輸性能測試試驗；第2部分為WUSN節(jié)點信號在地下水平方向上的傳輸性能測試試驗。在第1部分試驗中，WUSN節(jié)點布置在平臺內(nèi)部土壤中，匯聚節(jié)點垂直于WUSN節(jié)點布置在距離地面1 m處。在第2部分試驗中，WUSN節(jié)點與匯聚節(jié)點均布置在平臺內(nèi)部土壤中，且保持在50 cm深處。采用單因素試驗法進行試驗，分別在不同WUSN節(jié)點埋深、土壤含水率以及節(jié)點間水平距離試驗條件下，獲取匯聚節(jié)點接收信號強度和誤碼率數(shù)據(jù)，研究WUSN節(jié)點信號在土壤介質(zhì)中的傳輸特性。

選用安捷倫N9912A型手持頻譜分析儀實現(xiàn)對WUSN節(jié)點信號強度信息的檢測，手持頻譜分析儀如圖5所示。誤碼率計算方法為WUSN節(jié)點每隔1 s發(fā)送一次20字節(jié)的數(shù)據(jù)包，單次通信試驗連續(xù)發(fā)送100次數(shù)據(jù)包，進行3次通信試驗完成300條數(shù)據(jù)包發(fā)送，數(shù)據(jù)包被匯聚節(jié)點錯誤接收的條數(shù)除以300則為通信誤碼率數(shù)據(jù)。

2.3 接收信號強度和誤碼率回歸分析及模型建立

在土壤測試平臺選定區(qū)域布置WUSN節(jié)點和匯聚節(jié)點，分別改變WUSN節(jié)點埋深、土壤含水率以及節(jié)點間水平距離等試驗條件，獲得匯聚節(jié)點接收信號強度和誤碼率，通過Matlab對接收信號強度和誤碼率進行回歸分析，建立接收信號強度和誤碼率的預測模型。

2.4 試驗結(jié)果與分析

2.4.1WUSN節(jié)點信號在地下垂直方向上傳輸性能測試結(jié)果

在不同土壤含水率試驗條件下，匯聚節(jié)點接收信號強度和誤碼率隨WUSN節(jié)點埋深的變化曲線如圖6和圖7所示。

由圖6、7可知，當土壤含水率不變時，隨著WUSN節(jié)點埋深增大，匯聚節(jié)點接收信號強度逐漸下降，誤碼率逐漸增加。當WUSN節(jié)點埋深不變時，隨著土壤含水率增大，匯聚節(jié)點接收信號強度同樣逐漸下降，誤碼率逐漸增加。在建立接收信號強度和誤碼率預測模型之前，需首先對試驗數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，Pearson相關(guān)系數(shù)能夠反映兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)程度，其絕對值越大，則說明兩組數(shù)據(jù)具有越強的相關(guān)性。

利用SPSS軟件計算出WUSN節(jié)點埋深與接收信號強度、誤碼率的Pearson相關(guān)系數(shù)見表1。

由表1可得，當WUSN節(jié)點埋深為30～130 cm，土壤含水率低于40%時，WUSN節(jié)點埋深與接收信號強度的Pearson相關(guān)系數(shù)絕對值均大于0.5，且為負數(shù)，表明兩者具有比較強的負相關(guān)性；WUSN節(jié)點埋深與誤碼率的Pearson相關(guān)系數(shù)絕對值均大于0.9，且為正數(shù)，表明兩者具有非常強的正相關(guān)性。

表1 接收信號強度、誤碼率與WUSN節(jié)點埋深的Pearson相關(guān)系數(shù)

土壤含水率與接收信號強度、誤碼率的Pearson相關(guān)系數(shù)見表2。

表2 接收信號強度、誤碼率與土壤含水率的Pearson相關(guān)系數(shù)

由表2可得，當土壤含水率為5%～55%，WUSN節(jié)點埋深為30～105 cm時，土壤含水率與接收信號強度的Pearson相關(guān)系數(shù)絕對值均大于0.5，且為負數(shù)，表明兩者具有比較強的負相關(guān)性。土壤含水率與誤碼率的Pearson相關(guān)系數(shù)絕對值也均大于0.9，且為正數(shù)，表明兩者具有非常強的正相關(guān)性。

綜上所述，WUSN節(jié)點在地下垂直方向上傳輸中，節(jié)點埋深、土壤含水率與匯聚節(jié)點接收信號強度、誤碼率有著很強的相關(guān)性，因此可以構(gòu)建匯聚節(jié)點接收信號強度、誤碼率的預測模型。

由圖6可知，WUSN節(jié)點與匯聚節(jié)點通信中，接收信號強度在-39～-110 dBm變化。當土壤含水率在5%～40%變化，WUSN節(jié)點埋深低于40 cm時，接收信號強度均大于-110 dBm，匯聚節(jié)點可以接收到WUSN節(jié)點發(fā)出的信號。在相同的WUSN節(jié)點埋深下，土壤含水率增加2.5個百分點，接收信號強度降低4～6 dBm，在相同的土壤含水率下，WUSN節(jié)點埋深增加5 cm，接收信號強度降低3～5 dBm，并且隨著節(jié)點埋深與土壤含水率的增加，接收信號強度降幅逐漸變大。

根據(jù)農(nóng)田土壤水分監(jiān)測要求以及本文試驗結(jié)果，當土壤含水率超過25%、WUSN節(jié)點埋深超過85 cm后，匯聚節(jié)點接收信號強度均達到-110 dBm，因此建立的預測模型土壤含水率取值范圍為5%～25%，WUSN節(jié)點埋深取值范圍為30～85 cm，接收信號強度與節(jié)點埋深、土壤含水率基本呈線性關(guān)系。在Matlab軟件中對這部分試驗數(shù)據(jù)進行分析處理，建立匯聚節(jié)點接收信號強度與WUSN節(jié)點埋深、土壤含水率之間的預測模型，三者關(guān)系式為

Rss=-21.2-0.491Nd-1.679Sv

(1)

其中 30 cm≤Nd≤85 cm 5%≤Sv≤25%

式中Rss——WUSN節(jié)點與匯聚節(jié)點通信中的接收信號強度，dBm

Nd——WUSN節(jié)點埋深，cm

Sv——土壤含水率，%

從式(1)可以看出，匯聚節(jié)點的接收信號強度Rss與WUSN節(jié)點埋深Nd、土壤含水率Sv之間為二元一次關(guān)系，模型擬合優(yōu)度R2為0.967，均方根誤差(RMSE)為2.598 dBm。

由圖7可知，WUSN節(jié)點與匯聚節(jié)點通信中，誤碼率在20%～100%范圍內(nèi)變化。當土壤含水率在5%～40%變化，WUSN節(jié)點埋深低于90 cm時，通信誤碼率均小于100%。在相同的WUSN節(jié)點埋深下，土壤含水率增加2.5個百分點，通信誤碼率增加3～5個百分點；在相同的土壤含水率下，WUSN節(jié)點埋深增加5 cm，通信誤碼率增加3～4.5個百分點。并且隨著埋深與土壤含水率的增加，誤碼率增幅逐漸變大。

在Matlab軟件中同樣對這部分試驗數(shù)據(jù)進行分析處理，建立了節(jié)點通信誤碼率與WUSN節(jié)點埋深、土壤含水率之間的預測模型，三者關(guān)系式為

Er=-0.044+0.007Nd+0.005Sv

(2)

式中Er——通信誤碼率

從式(2)可以看出，WUSN節(jié)點和匯聚節(jié)點通信中產(chǎn)生的誤碼率與WUSN節(jié)點埋深Nd、土壤含水率Sv之間為二元一次關(guān)系，模型擬合優(yōu)度R2為0.982，RMSE為1.7%。

2.4.2WUSN節(jié)點信號在地下水平方向上傳輸性能測試結(jié)果

匯聚節(jié)點接收信號強度和誤碼率隨節(jié)點間水平距離增加變化情況如圖8和圖9所示。

由圖8、9可知，當土壤含水率不變時，隨著節(jié)點間水平距離增大，匯聚節(jié)點接收信號強度逐漸下降，誤碼率逐漸增加。當節(jié)點間水平距離不變時，隨著土壤含水率增大，匯聚節(jié)點接收信號強度同樣逐漸下降，誤碼率逐漸增加。利用SPSS軟件計算出節(jié)點間水平距離與接收信號強度、誤碼率的Pearson相關(guān)系數(shù)見表3。

表3 接收信號強度、誤碼率與節(jié)點間水平距離的Pearson相關(guān)系數(shù)

由表3可得，當節(jié)點間水平范圍為10～210 cm，土壤含水率低于30%時，節(jié)點間水平距離與接收信號強度的Pearson相關(guān)系數(shù)絕對值均大于0.5，且為負數(shù)，表明兩者具有比較強的負相關(guān)性；節(jié)點間水平距離與誤碼率的Pearson相關(guān)系數(shù)絕對值均大于0.8，且為正數(shù)，表明兩者具有非常強的正相關(guān)性。

土壤含水率與接收信號強度、誤碼率的Pearson相關(guān)系數(shù)見表4。

由表4可得，當土壤含水率為5%～55%，節(jié)點間水平距離為10～150 cm時，土壤含水率與接收信號強度的Pearson相關(guān)系數(shù)絕對值均大于0.5，且為負數(shù)，表明兩者具有比較強的負相關(guān)性；土壤含水率與誤碼率的Pearson相關(guān)系數(shù)絕對值也均大于0.5，且為正數(shù)，表明兩者具有比較強的正相關(guān)性。

表4 接收信號強度、誤碼率與土壤含水率的Pearson相關(guān)系數(shù)

綜上所述，WUSN節(jié)點信號在地下水平方向傳輸中，節(jié)點間水平距離、土壤含水率與匯聚節(jié)點接收信號強度、誤碼率有著比較強的相關(guān)性，因此可以構(gòu)建匯聚節(jié)點接收信號強度、誤碼率的預測模型。

由圖8可知，WUSN節(jié)點與匯聚節(jié)點通信中，接收信號強度在-38～-110 dBm變化。當節(jié)點間水平距離在10～110 cm變化，土壤含水率低于15%時，接收信號強度均大于-110 dBm，匯聚節(jié)點可以接收到WUSN節(jié)點發(fā)出的信號。在相同的節(jié)點間水平距離下，土壤含水率增加2.5個百分點，接收信號強度降低5～7 dBm，并且隨著土壤含水率的增加，接收信號強度降幅逐漸變大。在相同土壤含水率下，節(jié)點間水平距離在10～90 cm時，節(jié)點間水平距離增加10 cm，接收信號強度降低6～8 dBm；節(jié)點間水平距離在90～190 cm時，節(jié)點間水平距離增加10 cm，接收信號強度降低約1 dBm。

根據(jù)農(nóng)田土壤水分監(jiān)測要求以及本文試驗結(jié)果，當土壤含水率超過25%、節(jié)點間水平距離超過50 cm后，匯聚節(jié)點接收信號強度均達到-110 dBm。當土壤含水率低于12.5%，接收信號強度與節(jié)點間水平距離呈非線性關(guān)系，而當土壤含水率超過12.5%，接收信號強度與節(jié)點間水平距離基本呈線性關(guān)系。因此建立的預測模型由非線性和線性預測模型組成，非線性預測模型土壤含水率取值范圍為5%～12.5%，節(jié)點間水平距離取值范圍為10～130 cm。線性預測模型土壤含水率取值范圍為12.5%～25%、節(jié)點間水平距離取值范圍為10～50 cm。目前無線信號傳輸模型應用最廣的是對數(shù)距離損耗模型[23]，具體公式為

(3)

式中P——信號強度

P0——參考信號強度

t——路徑損耗指數(shù)

d——信號傳輸距離

d0——信號傳輸參考距離

ζ——隨機變量

本文基于對數(shù)距離損耗模型在Matlab軟件中對非線性部分試驗數(shù)據(jù)進行分析處理，建立了匯聚節(jié)點接收信號強度與節(jié)點間水平距離、土壤含水率之間的預測模型，三者關(guān)系式為

(4)

其中 10 cm≤Ld1≤130 cm 5%≤Sv1≤12.5%

10 cm≤Ld2≤50 cm 12.5%≤Sv2≤25%

式中Ld——節(jié)點間水平距離，cm

式(4)中接收信號強度非線性預測模型擬合優(yōu)度R2為0.942，均方根誤差RMSE為5.136 dBm，線性預測模型擬合優(yōu)度R2為0.980，均方根誤差RMSE為1.9 dBm。

由圖9可知，WUSN節(jié)點與匯聚節(jié)點通信中，誤碼率在17%～100%變化。當節(jié)點間水平距離在10～110 cm變化，土壤含水率低于20%時，通信誤碼率均小于100%。在相同的節(jié)點間水平距離下，土壤含水率增加2.5個百分點，通信誤碼率增加4～5個百分點。并且隨著土壤含水率的增加，通信誤碼率增幅逐漸變大。在相同土壤含水率下，節(jié)點間水平距離在10～90 cm時，節(jié)點間水平距離增加10 cm，通信誤碼率增加6.5～8個百分點；節(jié)點間水平距離在90～190 cm時，通信誤碼率增加1～1.5個百分點。

在Matlab軟件中同樣基于對數(shù)距離損耗模型對非線性部分試驗數(shù)據(jù)進行分析處理，建立了節(jié)點通信誤碼率與節(jié)點間水平距離、土壤含水率之間的預測模型，三者關(guān)系式為

(5)

式(5)中節(jié)點通信誤碼率非線性預測模型擬合優(yōu)度R2為0.956，均方根誤差RMSE為5.2%，線性預測模型擬合優(yōu)度R2為0.979，均方根誤差RMSE為2%。

3 討論

3.1 WUSN節(jié)點埋深對接收信號強度和誤碼率的影響

WUSN節(jié)點與匯聚節(jié)點通信的本質(zhì)是電磁波能量的傳遞，匯聚節(jié)點接收信號強度和誤碼率可以很好地反映電磁波能量衰減和數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量情況[24-25]，這為研究WUSN節(jié)點在土壤中的傳輸規(guī)律提供了數(shù)據(jù)支撐。為了避免WUSN節(jié)點設備被農(nóng)用機械損壞，通常將其埋置于農(nóng)作物根部以下，因此獲得WUSN節(jié)點信號在地下垂直方向上的傳輸規(guī)律有助于選擇合適的節(jié)點埋深，提高節(jié)點設備的穩(wěn)定性。

WUSN節(jié)點與地上匯聚節(jié)點通信中，節(jié)點信號首先在土壤介質(zhì)中傳輸，然后經(jīng)過土壤與空氣的分界面，最后在自由介質(zhì)空氣中進行傳輸，而土壤相對于空氣屬于光密媒質(zhì)，會對電磁波信號產(chǎn)生較大的吸收衰減。因此WUSN節(jié)點埋深不同，電磁波信號損耗也會不同，接收信號強度和誤碼率也會隨之變化。文獻[26]研究發(fā)現(xiàn)，WUSN節(jié)點信號抵達地上匯聚節(jié)點有2條路徑，分別為折射波路徑、側(cè)面波路徑。隨著節(jié)點埋深增加，折射波與側(cè)面波能量衰減，其中側(cè)面波由于傳輸路徑較長衰減幅度較大。同時，圖6、7表明，當WUSN節(jié)點埋深超過70 cm后，節(jié)點信號衰減速度加快。這是因為當節(jié)點埋深超過70 cm后，側(cè)面波能量衰減嚴重，節(jié)點信號主要通過折射波路徑抵達匯聚節(jié)點，WUSN節(jié)點信號衰減速度隨之加快。

此外，本研究也針對WUSN節(jié)點與匯聚節(jié)點通信中接收信號強度和誤碼率變化情況，分析了它們與WUSN節(jié)點埋深之間的相關(guān)性，表1結(jié)果表明，WUSN節(jié)點埋深與接收信號強度、誤碼率之間存在比較強的相關(guān)性，但是隨著WUSN節(jié)點埋深增加，兩者相關(guān)性逐漸下降，這是由于部分接收信號強度達到最小值、誤碼率達到最大值所致。綜合上述，本研究得到了WUSN節(jié)點信號在地下垂直方向上的衰減規(guī)律，在今后的研究中可以重點關(guān)注WUSN節(jié)點在土壤埋深70 cm以內(nèi)的傳輸性能，在這個范圍內(nèi)開展WUSN研究。

3.2 土壤含水率對接收信號強度和誤碼率的影響

土壤含水率是農(nóng)田土壤水分狀況的重要指標，也是影響電磁波信號損失的重要參數(shù)之一。WUSN節(jié)點長期部署在農(nóng)田土壤中，而土壤在不同季節(jié)含水率存在顯著區(qū)別，會對WUSN節(jié)點與匯聚節(jié)點通信造成很大干擾。獲得WUSN節(jié)點信號隨土壤含水率變化傳輸規(guī)律可以幫助決策者提出科學的WUSN節(jié)點部署方案，避免節(jié)點通信受到影響。

土壤介電常數(shù)越大，衰減電磁波信號的能力就越強。圖6、7表明，WUSN節(jié)點信號在地下垂直方向上傳輸時，當土壤含水率超過27.5%后，接收信號強度降幅和誤碼率增幅突然變大。這是因為土壤含水率超過某臨界點后土壤中水的介電特性和普通水相似[27]，此時隨著含水率的增加土壤的介電常數(shù)將會迅速增大，衰減電磁波信號的能力大大增強。

此外，本文也研究了WUSN節(jié)點信號在地下水平方向上的傳輸規(guī)律，圖8、9表明，當節(jié)點間水平距離低于60 cm，土壤含水率超過27.5%時，接收信號強度降幅和誤碼率增幅變化較小，這可能是因為WUSN節(jié)點與匯聚節(jié)點通信距離較短，電磁波信號衰減程度較小所致。綜合上述，本研究得到了WUSN節(jié)點信號隨土壤含水率改變衰減規(guī)律，在今后的研究中可以重點關(guān)注WUSN節(jié)點在土壤含水率低于27.5%范圍內(nèi)的傳輸性能，在這個范圍內(nèi)開展WUSN研究。

3.3 節(jié)點間水平距離對接收信號強度和誤碼率的影響

WUSN技術(shù)實際應用中，通常是將多個WUSN節(jié)點埋置于地下土壤中，節(jié)點之間相互通信，將采集到的土壤數(shù)據(jù)發(fā)送給地面上的匯聚節(jié)點，實現(xiàn)大范圍的土壤信息監(jiān)測。因此獲得WUSN節(jié)點信號在地下水平方向上的傳輸規(guī)律對于降低節(jié)點部署成本具有重要意義。

文獻[28]研究發(fā)現(xiàn)，WUSN節(jié)點信號抵達地下匯聚節(jié)點有3條路徑，分別為直射波路徑、反射波路徑、側(cè)面波路徑，并且在淺層土壤中節(jié)點信號主要以直射波路徑、反射波路徑抵達，而在深層土壤中主要以側(cè)面波路徑抵達。圖8、9表明，當節(jié)點間水平距離低于90 cm，接收信號強度降幅和誤碼率增幅較大，這是因為在這個水平距離范圍內(nèi)直射波和反射波能量受到嚴重衰減。而當節(jié)點間水平距離超過90 cm時，接收信號強度降幅和誤碼率增幅變小，這是因為在這個水平距離范圍內(nèi)側(cè)面波能量衰減速度變小，即電磁波先透過土壤介質(zhì)來到地面，然后貼著地面?zhèn)鞑ヒ欢尉嚯x后再透過土壤介質(zhì)抵達匯聚節(jié)點。隨著節(jié)點間水平距離的增加，側(cè)面波在地面上的傳播距離隨之增加，但在土壤中傳輸?shù)木嚯x變化很小，又因為電磁波在空氣中的衰減很小[29]，因此側(cè)面波能量衰減速度減緩。

WUSN節(jié)點信號地下水平方向上傳輸中，節(jié)點信號在節(jié)點間水平距離低于布置深度兩倍的時候衰減速度開始下降，這可能是因為上層土壤緊實度較小。綜合上述，本研究得到了WUSN節(jié)點信號在地下水平方向上的衰減規(guī)律，在今后的研究中可以重點關(guān)注在不同土壤深度下，WUSN節(jié)點信號在地下水平方向上的衰減規(guī)律。

4 結(jié)論

(1)當WUSN節(jié)點信號在地下垂直方向上傳輸時，土壤含水率增加2.5個百分點，接收信號強度降低4～6 dBm，通信誤碼率增加3～5個百分點，且當土壤含水率超過27.5%后，接收信號強度降幅和誤碼率增幅逐漸變大。WUSN節(jié)點埋深增加5 cm，接收信號強度降低3～5 dBm，通信誤碼率增加3～4.5個百分點，且當WUSN節(jié)點埋深超過70 cm后，接收信號強度降幅和誤碼率增幅逐漸變大。

(2)當WUSN節(jié)點信號在地下水平方向上傳輸時，土壤含水率增加2.5個百分點，接收信號強度降低5～7 dBm，通信誤碼率增加4～5個百分點，且當節(jié)點水平距離超過60 cm后，接收信號強度降幅和誤碼率增幅逐漸變大。節(jié)點間水平距離在10～90 cm范圍內(nèi)，節(jié)點間水平距離增加10 cm，接收信號強度降低6～8 dBm，通信誤碼率增加6.5～8個百分點；節(jié)點間水平距離在90～190 cm范圍時，節(jié)點間水平距離增加10 cm，接收信號強度降低約1 dBm，通信誤碼率增加1～1.5個百分點。

(3)建立的接收信號強度預測模型擬合優(yōu)度R2分別為0.967、0.942、0.980，均方根誤差RMSE分別為2.598、5.136、1.9 dBm，建立的誤碼率預測模型擬合優(yōu)度R2分別為0.982、0.956、0.979，均方根誤差RMSE分別為1.7%、5.2%、2%，WUSN節(jié)點信號在地下垂直方向和水平方向傳輸?shù)念A測模型擬合優(yōu)度均超過0.94，故采用本模型可以準確計算出匯聚節(jié)點接收信號強度和誤碼率，進而得出WUSN節(jié)點最大埋藏深度和最大水平距離，為無線地下傳感器網(wǎng)絡節(jié)點部署提供了參考。