小麦不同生育期的无线传感器网络透地通信特性研究

郁晓庆，张增林，耿艳兵

(1.中北大学，太原 030051；2.西北农林科技大学，陕西 杨凌 712100)

0 引 言

快速、准确、有效、及时的采集和处理农田信息，对于探明作物生长发育期内土壤水分盈亏,以便做出灌溉、施肥决策或排水措施等具有重要意义[1]。无线传感器网络凭借自组织、低成本、低功耗、智能性等特点应用于农业环境变量信息多方位、网络化远程监测是目前的无线传感器农业应用的研究热点。农业环境信息无线传感器网络是由布置在区域农田内大量集成化传感器协作地实时感知、监测作物、土壤、气象等信息，通过嵌入式系统对信息进行智能处理，并通过随机自组织无线通信网络将所感知的信息传送到诊断决策中心，实现农业环境及作物信息的远程集群化监测和管理[2-6]。

无线传感器网络和无线地下传感器网络混合网络对农田土壤信息采集中，无线电磁波通过土壤和空气介质传输，地下传感器发射节点的射频通信天线不暴露在空气中，随整个传感器节点被完全埋藏在地下土壤中，地上接收节点通过相同频率的无线方式接收采集节点采集到的土壤温湿度信息。土壤介质较空气介质更为复杂，无线传感器网络电磁波在土壤介质传输过程中，信号衰减远远大于在自由空气中的传输[7-9]。李莉等[6]将无线传感器网络应用于温室环境的监测，系统控制终端基于ARM9和嵌入式Linux操作系统进行设计，用于温室环境数据的接收、实时显示和存储,通过GPRS远程通信方式实现与远程管理中心的通信。张荣标等[10]实现了基于ZigBee的无线传感器网络的温室无线监控系统的通信，根据温室结构特征提出一种动态星型无线传感器网络的框架。Lopez等[11]将无线传感器网络成功应用于西班牙半干旱地区Murcia的一个甘蓝农场的土壤体积含水量、温度和盐分的监测，设计了包括分布在田间的土壤传感器节点、环境节点、水节点和网关节点的4种类型节点的传感器网络拓扑结构。Green等[12]提出了利用无线传感器网络监测饲料仓内不同位置的温度变化，传感器网络节点通信频率为433 MHz，节点发射功率为10 MW。Bogena等[13]在实验室采用土柱实验研究了2.44 GHz频率Zigbee无线收发模块在不同土壤类型和土壤含水量下，无线信号的衰减情况。Coen等[14]开发了一种用于高尔夫球场的近地表无线地下传感器网络系统，设计了采集节点、中继节点和网关节点。Silva[15]研究了WSN节点在433MHz频率下的天线带宽、节点在土壤中的埋藏深度及农田土壤水分等因素下，对地下节点与地上节点之间通信性能的影响。

本文选取冬小麦作物作为研究对象，以433 MHz载波频率进行无线射频信号特性试验，通过小麦大田试验和计算机模拟，研究确定影响小麦生育期信号衰减的主要因素，并建立相关数学模型，为小麦大田无线传感器网络节点部署提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

无线地下传感器网络节点中射频模块采用上海桑博电子科技有限公司所开发的STR-30系列微功率无线数传模块，最大发射功率10 dBm，通信速率9 600 Bit/s。地下发射节点采用土壤水分传感器FDS100，供电电压为5～12 VDC，工作电流为25 mA，工作温度为-30～65 ℃，输出信号为0～1.5 VDC，通过A/D转换将电压信号转换成数字信号。利用频谱分析仪测试电磁波信号衰减，采用的频谱分析仪为安捷伦N9912A型号手持式RF频谱分析仪，频率范围为100 kHz至4 GHz和6 GHz。实验中，地上接收节点通过USB-TTL转换将无线数传模块与计算机相连，如图1所示。

图1 无线传感器网络接收节点Fig.1 Picture of wireless sensor network receiving node

地下发射节点与土壤水分传感器连接，由4节5号干电池供电，并采用塑料盒封装，经防水测试，传感器节点封装防水效果良好，如图2所示。

图2 无线传感器网络发射节点Fig.2 Picture of wireless sensor network transmitting node

1.2 试验设计

试验分别在小麦生育期中的分蘖期，拔节期、抽穗期、灌浆期进行。试验过程中，不考虑土壤温度和土壤含盐度，环境温度和土壤含水率分别为小麦4个主要生育期测试时的平均值，如表1所示。

表1 小麦4个生育期试验的环境温度和土壤含水率Tab.1 Environmental temperature and soil water content in four wheat growing period experiments

试验中，发射节点和接收节点射频频率均固定为433 MHz，低功耗无线地下传感器网络发射节点埋藏在土壤0.5 m即耕作层深度处，地上接收节点在距地面0.5～2 m高度，以间隔0.5 m变化，与地下发射节点水平距离以间隔5 m变化，以期获得最大水平节点距离，从而建立不同地上接收节点位置、不同土壤含水率和水平节点距离对传输中RSSI的影响规律。

1.3 试验方法

发射节点布置在地下土壤0.5 m深度处且固定不变，接收节点布置在与地面垂直的支架上，高度分别设置为0.5、1、1.5和2.0 m。发射节点功率固定为10 dBm，使用全向天线，天线增益为2 dBi。每次测试均测量100组RSSI的瞬时值并计算其平均值作为此次测试的平均RSSI值。试验测试模型如图3所示。

图3 试验测试模型Fig.3 Testing model of experiments

选取试验田中央长势比较均匀的小麦，将WUSN发射节点埋藏在该处土壤0.5 m深度，带有接收节点的支架放置在试验田的田埂，并以间隔0.5 m改变接收节点距地面的高度，共设计4个水平，水平距离依次以5 m为一个通信距离远离发射节点，共设计10个水平。分别测量小麦4个主要生育期中，每种接收节点高度对应的10种水平距离的接收信号强度。试验中发射节点和接收节点布置如图4所示，节点间水平距离示意图如图5所示。

图4 发射节点和接收节点布置图Fig.4 Picture of transmitting node and receiving node

图5 节点间水平距离示意图Fig.5 Picture of inter-nodes horizontal distance

2 测试结果与验证

通过Matlab建立频率433 MHz和发射节点埋藏深度0.5 m下，发射节点和接收节点通信中，接收节点距地面高度和节点间水平距离对RSSI影响的三维曲面，进行二元二次拟合，得出接收信号强度和误码率的拟合模型和拟合优度，并采用SPASS软件对能较好反映数据波动的拟合优度R2和均方根误差RMSE进行了分析。

2.1 分蘖期RSSI三维曲面模型建立与验证

在小麦分蘖期试验中，建立了地上接收节点高度以及地上接收节点和地下发射节点间水平距离对RSSI影响的三维曲面，进行模型拟合分析，并对实测数据与预测模型计算结果进行了对比。接收节点布置高度和节点间水平距离对RSSI影响的三维曲面如图6所示。

注：RSSI随颜色变化，深红色>-65 dBm、深蓝色RSSI<-75 dBm；图6 小麦分蘖期试验中RSSI三维曲面Fig.6 Curved surface of RSSI in wheat tillering stage experiments

由图6可知，发射节点和接收节点间水平距离越大，接收节点布置高度越高，则RSSI越小。节点间水平距离和接收节点高度均在变化范围内变化时，接收信号强度最小值达到-80 dBm。通过Matlab进行分析，建立关系如式(2)所示，节点间水平距离和接收节点高度对RSSI基本呈二元二次关系，拟合优度R2较高，为0.903。

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

(2)

式中：Rss为通信中的接收信号强度，dBm；Ih为地上接收节点接收高度，m；Hr为节点间水平距离，m。

为了能够评估地下发射节点和地上接收节点间通信预测模型，采用SPASS软件对能较好反映数据波动的拟合优度R2和均方根误差RMSE进行了分析，如表2所示。

由表2可知，地下发射节点和地上接收节点通信中，模型计算结果和实际测量值之间的拟合优度R2在接收节点高度2 m时最小为0.714，在接收节点高度0.5 m时最大为0.927。RMSE在1.518～3.372 dBm之间。

2.2 拔节期RSSI三维曲面模型建立与验证

在小麦拔节期试验中，建立了地上接收节点高度以及地上接收节点和地下发射节点间水平距离对RSSI影响的三维曲面，进行模型拟合分析，并对实测数据与预测模型计算结果进行了对比。接收节点布置高度和节点间水平距离对RSSI影响的三维曲面如图7所示。

表2 小麦分蘖期不同接收节点高度实测数据与预测模型的拟合优度和均方根误差Tab.2 R2 and RMSE between measured and computed data at different receiving node high in wheat tillering stage

图7 小麦拔节期试验中RSSI三维曲面Fig.7 Curved surface of RSSI in wheat jointing stage experiments

由图7可知，随着节点间水平距离和接收节点高度的增加，地下发射节点和地上接收节点间通信的接收信号强度RSSI减小。节点间水平距离和接收节点高度均在变化范围内变化时，接收信号强度最小值达到-90 dBm。通过Matlab进行分析，建立关系如式(3)所示，节点间水平距离和接收节点高度对RSSI基本呈二元二次关系，拟合优度R2较高，为0.901。

(3)

为了能够评估地下发射节点和地上接收节点间通信预测模型，采用SPASS软件对能较好反映数据波动的拟合优度R2和均方根误差RMSE进行了分析，如表3所示。

表3 小麦拔节期不同接收节点高度实测数据与预测模型的拟合优度和均方根误差Tab.3 R2 and RMSE between measured and computed data at different receiving node high in wheat jointing stage

由表3可知，地下发射节点和地上接收节点通信中，模型计算结果和实际测量值之间的拟合优度R2在接收节点高度1.5 m时最小为0.664，在接收节点高度1 m时最大为0.986。RMSE在0.571～3.491 dBm之间。

2.3 抽穗期RSSI三维曲面模型建立与验证

在小麦抽穗期试验中，建立了地上接收节点高度、以及地上接收节点和地下发射节点间水平距离对RSSI影响的三维曲面，进行模型拟合分析，并对实测数据与预测模型计算结果进行了对比。接收节点布置高度和节点间水平距离对RSSI影响的三维曲面如图8所示。

图8 小麦抽穗期试验中RSSI三维曲面Fig.8 Curved surface of RSSI in wheat heading stage experiments

由图8可知，地上接收节点高度和节点间水平距离的增加，地下发射节点和地上接收节点间通信的接收信号强度RSSI值逐渐减小。节点间水平距离和接收节点高度均在变化范围内变化时，接收信号强度最小值达到-98 dBm。通过Matlab进行分析，建立关系如式(4)所示，节点间水平距离和接收节点高度对RSSI基本呈二元二次关系，拟合优度R2较高，为0.877。

(4)

为了能够评估地下发射节点和地上接收节点间通信预测模型，采用SPASS软件对能较好反映数据波动的拟合优度R2和均方根误差RMSE进行了分析，如表4所示。

表4 小麦抽穗期不同接收节点高度实测数据与预测模型的拟合优度和均方根误差Tab.4 R2 and RMSE between measured and computed data at different receiving node high in wheat heading stage

由表4可知，地下发射节点和地上接收节点通信中，模型计算结果和实际测量值之间的拟合优度R2在接收节点高度1.5 m时最小为0.673，在接收节点高度2 m时最大为0.888。RMSE在1.569～4.372 dBm之间。

2.4 灌浆期RSSI三维曲面模型建立与验证

在小麦灌浆期试验中，建立了地上接收节点高度、以及地上接收节点和地下发射节点间水平距离对RSSI影响的三维曲面，进行模型拟合分析，并对实测数据与预测模型计算结果进行了对比。接收节点布置高度和节点间水平距离对RSSI影响的三维曲面如图9所示。

图9 小麦灌浆期试验中RSSI三维曲面Fig.9 Curved surface of RSSI in wheat watery stage experiments

由图9可知，发射节点和接收节点间通信中，接收信号强度RSSI随节点间水平距离和接收节点距地面高度的变化而变化，且呈减小趋势。当节点间水平距离和接收节点高度均在变化范围内变化时，接收信号强度最小值达到-105 dBm。通过Matlab进行分析，建立关系如式(5)所示，节点间水平距离和接收节点高度对RSSI基本呈二元二次关系，拟合优度R2较高，为0.877。

(5)

为了能够评估地下发射节点和地上接收节点间通信预测模型，采用SPASS软件对能较好反映数据波动的拟合优度R2和均方根误差RMSE进行了分析，如表5所示。

表5 小麦灌浆期不同接收节点高度实测数据与预测模型的拟合优度和均方根误差Tab.5 R2 and RMSE between measured and computed data at different receiving node high in wheat watery stage

由表5可知，地下发射节点和地上接收节点通信中，模型计算结果和实际测量值之间的拟合优度R2在接收节点高度1 m时最小为0.665，在接收节点高度1.5 m时最大为0.784。RMSE在4.062～4.842 dBm之间。

结果表明，实测接收信号强度与计算的接收信号强度相差较小。该模型能够较好地对通信中不同接收节点高度不同发射节点和接收节点间水平距离的接收信号强度进行预测。

3 结 语

本研究在433 MHz载波频率下，研究了混合无线传感器网络透地通信特性。选取的因素有地上接收节点高度、节点间水平距离，利用MATLAB建立小麦4个生育期中RSSI变化的三维曲面模型，并采用SPASS软件分析了数据波动的拟合优度R2和均方根误差。

根据所得模型进一步研究分析，发现农田土壤信息采集传感器节点的通信与接收节点距地面布置的高度、地下发射节点和地上接收节点间水平距离有直接的关系，接收节点高度越高，以及节点间水平距离越大，通信性能越差。在小麦4个主要生育期，分蘖期试验测试通信中RSSI相对最强。