蘋(píng)果園中空氣溫濕度分布特征研究

郭秀明 周?chē)?guó)民

摘要：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）應(yīng)用于蘋(píng)果園中能提高蘋(píng)果生產(chǎn)的信息化水平，但WSN溫濕度傳感器部署的數(shù)量及位置是WSN節(jié)點(diǎn)部署中亟需解決的問(wèn)題?；诖?，在北京市豐臺(tái)區(qū)一個(gè)普通蘋(píng)果園進(jìn)行了實(shí)地試驗(yàn)，采用溫濕度儀測(cè)量了大量點(diǎn)的溫濕度，研究空氣溫濕度的空間分布特征以決定傳感器部署策略。結(jié)果表明，對(duì)于單個(gè)冠層，空氣溫濕度在每個(gè)平面具有相同的走勢(shì)；距離果園邊緣的果樹(shù)冠層空氣溫濕度的極差大于果園中心位置的果樹(shù)，相差約3倍；果樹(shù)間隙的空氣溫濕度極差和果園中心處的冠層極差相近?；诖耍岢隽艘环N“先平面后整體，外密里疏”的蘋(píng)果園中空氣溫濕度傳感器的部署方法。

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）；空氣溫濕度；蘋(píng)果園；節(jié)點(diǎn)部署

中圖分類(lèi)號(hào)：S661.1；S162.5+5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）05-1189-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.05.026

Studies on Distribution Characteristics of Air Temperature

and Humidity in an Apple Orchard

GUO Xiu-ming， ZHOU Guo-min

（Agricultural Information Institute， China Academy of Agricultural Sciences， Beijing 100081， China）

Abstract： Wireless sensor networks（WSN） application in apple orchards can improve the informationization level of the apple industry， however the deployment number and position of WSN temperature and humidity sensor is a problem to be solved urgently. To solve the problems， the field experiments were performed in a common apple orchard in Fengtai district of Beijing city， and the air temperature and humidity at a large number of positions was measured to research the distribution characteristics of air temperature and humidity in an apple orchard， so as to determine the deployment stradegy of the sensor. The results showed that， air temperature and humidity had the same variation tendency in different horizontal levels for an individual canopy. The range in the canopy at the edge was much more than that at the center， with a differential approximately 3 times. The range in the trees clearance was similar with that in the canopy at the center. According to the results， a “plane first then the whole， and dense on the edge and sparse in the center” deployment method was proposed.

Key words： wireless sensor networks（WSN）； air temperature and humidity； apple orchard； sensor deployment

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）可通過(guò)分布式的眾多傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)客體環(huán)境的感知，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)物和人的連接，是繼互聯(lián)網(wǎng)之后的革命性的新技術(shù)。WSN具有低功耗，自組網(wǎng)，靈活性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，受到眾多研究者的青睞，已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用于農(nóng)田生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)中[1-5]。中國(guó)是蘋(píng)果生產(chǎn)大國(guó)，然而，中國(guó)蘋(píng)果產(chǎn)業(yè)存在技術(shù)落后、信息化水平低、管理粗放、防病蟲(chóng)害能力差等問(wèn)題[6-8]?？諝鉁貪穸仁翘O(píng)果園中重要的環(huán)境參數(shù)之一，和蘋(píng)果病蟲(chóng)害[9]及蘋(píng)果的品質(zhì)[10]密切相關(guān)，將WSN應(yīng)用于蘋(píng)果園中采集溫濕度參數(shù)，可提高蘋(píng)果的產(chǎn)量及品質(zhì)。然而，在搭建WSN系統(tǒng)平臺(tái)時(shí)，節(jié)點(diǎn)部署是WSN應(yīng)用中重要的一步，決定WSN的效率和性能，溫濕度傳感器部署的數(shù)量及位置是WSN節(jié)點(diǎn)部署中亟需解決的問(wèn)題。

農(nóng)田中WSN節(jié)點(diǎn)部署策略的研究日益受到關(guān)注[11-16]。然而，關(guān)于蘋(píng)果園中空氣溫濕度采集節(jié)點(diǎn)的部署方案鮮見(jiàn)報(bào)道。蘋(píng)果園中空氣溫濕度采集節(jié)點(diǎn)的部署方案和園中空氣溫濕度的空間分布特性相關(guān)，為此，在北京市豐臺(tái)區(qū)的一個(gè)普通蘋(píng)果園進(jìn)行了試驗(yàn)，從不同空間角度研究了空氣溫濕度在蘋(píng)果園中的空間分布特性，基于試驗(yàn)結(jié)果提出了一種“先平面后整體，外密里疏”的空氣溫濕度采集節(jié)點(diǎn)部署方案，以期為WSN在蘋(píng)果園中的應(yīng)用提供一定的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 蘋(píng)果園概況

選取北京市豐臺(tái)區(qū)的一個(gè)普通蘋(píng)果園為試驗(yàn)蘋(píng)果園，2000年建園，占地約5.3 hm2，主栽蘋(píng)果品種為富貴和華紅。果樹(shù)的行列間距為4 m×4 m， 果樹(shù)高約3 m，主干高約0.5 m。果樹(shù)冠層為紡錘形，冠層長(zhǎng)×寬約為3 m×3 m。試驗(yàn)于2014年9月19日蘋(píng)果膨脹期進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)方法

采用臺(tái)灣TES-1360A型數(shù)字溫濕度測(cè)量?jī)x測(cè)量蘋(píng)果園中的空氣溫濕度，其空氣溫濕度的分辨率分別為0.1 ℃和0.1% RH，其準(zhǔn)確度分別為±0.8 ℃和±3% RH。

在蘋(píng)果園中選取采樣點(diǎn)測(cè)量空氣溫濕度，測(cè)量方法如圖1所示。果樹(shù)冠層是一個(gè)復(fù)雜的微系統(tǒng)，為了研究冠層內(nèi)部空氣溫濕度的變化規(guī)律，需在冠層內(nèi)部選取多個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行空氣溫濕度的測(cè)量。果樹(shù)處在蘋(píng)果園環(huán)境中，距離蘋(píng)果園邊緣的距離不同，通風(fēng)性及日照均有差別，為了研究蘋(píng)果園不同深處溫濕度的差異，需在蘋(píng)果園邊緣到中心不同距離采樣測(cè)量?；谝陨蟽牲c(diǎn)，選取位于蘋(píng)果園邊緣、中心及兩者之間的3棵果樹(shù)（圖1中A、C、B所示），在每個(gè)冠層選取多個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。

在冠層中，距離地面的高度不同，受地面的影響也不同，果樹(shù)對(duì)日照的遮擋也有差異，空氣溫濕度可能不同?？拷趯又行牡木嚯x不同，通風(fēng)性和光照不同，也可能會(huì)造成空氣溫濕度的差異。以果樹(shù)根部所在的點(diǎn)為中心點(diǎn)，建立一個(gè)長(zhǎng)×寬為3 m×3 m的正方形，將此正方形均勻劃分為9個(gè)1 m×1 m的正方形，分別測(cè)量每個(gè)交點(diǎn)處的空氣溫濕度。以0.5 m為間隔，依次在距離地面0.5～2.0 m水平高度的正方形上測(cè)量交點(diǎn)處的空氣溫濕度。如圖1中D所示，為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，只畫(huà)出了地面和最高2 m處的測(cè)量平面。

蘋(píng)果園環(huán)境由多棵離散的果樹(shù)分布組成，每棵果樹(shù)冠層都是一個(gè)獨(dú)立的微環(huán)境，除了果樹(shù)冠層，果樹(shù)之間的空隙空氣溫濕度可能也存在差異。為了研究果樹(shù)空隙中空氣溫濕度的變化規(guī)律，在蘋(píng)果園邊緣一行中選定兩棵果樹(shù)，測(cè)量它們之間空隙間垂直于地面的5個(gè)高度0、0.5、1.0、1.5、2.0 m的空氣溫濕度。以同樣的方法，對(duì)3棵采樣果樹(shù)進(jìn)行了測(cè)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 果樹(shù)冠層內(nèi)部溫濕度分布特征

空氣溫度及濕度在3棵不同的果樹(shù)冠層的分布如圖2和圖3所示。對(duì)于每個(gè)冠層，展示了5個(gè)水平面上各16個(gè)點(diǎn)的測(cè)量值。對(duì)于每棵測(cè)量的果樹(shù)，都建立相對(duì)于果樹(shù)的同樣方位的坐標(biāo)系：以地面為x軸和y軸所在的平面，以樹(shù)根位置為x軸和y軸的交點(diǎn)，x軸和y軸分別平行于長(zhǎng)方形果園的兩條邊。由圖2和3可以看出，同一冠層，不同水平面上的空氣溫濕度分布變化趨勢(shì)相同。果樹(shù)1每個(gè)水平面上，空氣溫度均隨著x軸的增加逐漸增加，果樹(shù)2每個(gè)水平面上的空氣溫度變化不大，果樹(shù)3空氣濕度在每個(gè)水平面上都隨著距離x軸的增加逐漸增加?？諝鉁囟入S著距離果園中心距離的減小而降低，空氣濕度則相反，溫濕度的變化規(guī)律具有一定相關(guān)性。由圖2可知，曲線(xiàn)組位置明顯降低，果樹(shù)3的分布曲線(xiàn)位于坐標(biāo)空間的最下端。圖3中，曲線(xiàn)組整體式逐漸上移，尤其是在x軸為正的半空間。冠層不同水平面上的空氣溫度的差異在邊緣處的果樹(shù)大于果園內(nèi)部的果樹(shù)。

2.2 果樹(shù)間隙溫濕度的分布特征

從蘋(píng)果園邊緣開(kāi)始的第1個(gè)位置點(diǎn)直至近蘋(píng)果園中心位置的第8個(gè)位置點(diǎn)不同高度的空氣溫濕度如圖4所示。為了保持一致性，空氣溫濕度的縱坐標(biāo)選取與圖2一樣的取值范圍。位置點(diǎn)“0”表示蘋(píng)果園外空白地的測(cè)量值?？諝鉁囟入S著向蘋(píng)果園中心的延伸僅略有增加，總體上隨著高度的增加溫度逐漸增加，最大相差約0.5 ℃?？諝鉂穸入S著向蘋(píng)果園中心的延伸呈線(xiàn)性減小，由約73%減小至68%，不同高度的空氣濕度相差較小。

2.3 蘋(píng)果園空氣溫濕度的統(tǒng)計(jì)分析

為了清晰地展示空氣溫濕度在蘋(píng)果園中的分布及變化規(guī)律，計(jì)算了果樹(shù)冠層、果樹(shù)間隙及整個(gè)蘋(píng)果園每個(gè)果園空間不同高度的空氣溫濕度的最大值、最小值、極差、平均值及均方根誤差，具體見(jiàn)表1和表2。

由表1可知，不同高度層空氣溫濕度的極差因果園空間（包括不同的果樹(shù)冠層、果樹(shù)間隙及整個(gè)果園）的不同而不同，對(duì)同一空間對(duì)象，極差在不同層的變化很小?？諝鉁囟葮O差在果樹(shù)1冠層、果樹(shù)2冠層、果樹(shù)3冠層、果樹(shù)間隙及整個(gè)蘋(píng)果園5個(gè)高度的變化范圍分別為1.6～2.3 ℃、0.6～0.9 ℃、0.6～0.8 ℃、0.3～0.5 ℃、1.9～2.3 ℃?？諝鉂穸葮O差在5個(gè)空間對(duì)象不同高度的變化范圍分別為8.8%～11.7%、5.7%～7.5%、3.8%～4.8%、4.4%～5.5%、9.6%～11.9%。雖然果樹(shù)間隙和單棵果樹(shù)冠層相比空間范圍大，空氣溫度極差在果樹(shù)間隙的變化幅度為0.2 ℃，不大于極差在任一其他果樹(shù)冠層的變化幅度?？諝鉂穸葮O差在果樹(shù)間隙的變化幅度為1.1%，與果樹(shù)3冠層的1.0%的變化幅度相當(dāng)，小于果樹(shù)1冠層和果樹(shù)2冠層的變化幅度，這與果樹(shù)冠層大量分布不規(guī)則的枝葉對(duì)光照及通風(fēng)的影響有關(guān)。雖然果樹(shù)冠層體積較小，但每個(gè)冠層都是一個(gè)復(fù)雜的微系統(tǒng)，冠層內(nèi)部的光合作用、水分蒸騰等果樹(shù)生理活動(dòng)在一刻不停地進(jìn)行著，影響冠層內(nèi)部空氣溫濕度的變化。

空氣溫濕度在不同果園空間均方根誤差不同?？諝鉁囟鹊木礁`差在果樹(shù)1冠層、果樹(shù)2冠層、果樹(shù)3冠層、果樹(shù)間隙及整個(gè)蘋(píng)果園中5個(gè)高度的變化范圍分別為0.468～0.631 ℃、0.168～0.266 ℃、0.182～0.252 ℃、0.092～0.126 ℃、0.455～0.546 ℃；空氣濕度的均方根誤差在5個(gè)果園空間中5個(gè)高度的變化范圍分別為2.845%～3.789%、1.712%～1.987%、1.111%～1.371%、1.508%～1.648%、2.776%～3.115%，果樹(shù)1冠層的均方根誤差均大于其他果園空間的均方根誤差，這可能和果樹(shù)1在果園邊緣，受蘋(píng)果園外部環(huán)境影響較大有關(guān)?？諝鉁貪穸仍诠麡?shù)間隙的均方根誤差變化幅度均小于任一果樹(shù)冠層的變化幅度，說(shuō)明果樹(shù)冠層溫濕度受高度的變化影響大于果樹(shù)間隙，這是由于果樹(shù)間隙受枝葉影響較小的緣故。

無(wú)論在果園哪個(gè)空間，不同高度的空氣溫濕度均值相差很小，果樹(shù)1冠層的空氣溫濕度極差最大，分別為為2.3 ℃和1.12%?？諝鉁囟鹊牟煌叨绕骄翟诠麡?shù)1冠層、果樹(shù)2冠層、果樹(shù)3冠層、果樹(shù)間隙及整個(gè)蘋(píng)果園的變化幅度分別為0.23、0.06、0.13、0.3、0.06 ℃；空氣濕度的5個(gè)高度的平均值在5個(gè)果園空間的變化幅度分別為1.12%、0.9%、0.9%、0.4%、0.3%?？諝鉁貪穸染翟诓煌叨鹊淖畲蟛▌?dòng)均出現(xiàn)在果樹(shù)1冠層，這與果樹(shù)1冠層在果園中處于邊緣位置有關(guān)。

空氣溫度的極差分別為2.3、0.9、0.8、0.7、2.4 ℃；空氣濕度的極差分別為11.7%、8.6%、5.1%、5.6%、12.3%?？諝鉁貪穸鹊臉O差在果樹(shù)1冠層、果樹(shù)2冠層、果樹(shù)3冠層、果樹(shù)間隙為逐漸遞減的關(guān)系。這與果樹(shù)在果園中所處的位置距離果樹(shù)邊緣的遠(yuǎn)近不同有關(guān)，距離蘋(píng)果園邊緣的距離不同，受氣象環(huán)境及蘋(píng)果園微氣候的影響不同。果樹(shù)1冠層的空氣溫濕度極差與整個(gè)蘋(píng)果園相差不大，差值分別為0.1 ℃和0.6%。說(shuō)明蘋(píng)果園邊緣果樹(shù)溫濕度的變化差異是整個(gè)果園溫濕度變化差異的主要原因。

3 小結(jié)

試驗(yàn)結(jié)果表明，空氣溫濕度在果樹(shù)冠層的變化范圍隨著離果樹(shù)邊緣距離的增加而逐漸減小。果樹(shù)冠層的溫度極差由邊緣處的2.3 ℃減小到蘋(píng)果園中心處的0.8 ℃。所以，要實(shí)現(xiàn)同樣的較小精度的蘋(píng)果園環(huán)境監(jiān)測(cè)，蘋(píng)果園邊緣的果樹(shù)冠層需要放置的傳感器節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)應(yīng)大于蘋(píng)果園中心處的個(gè)數(shù)。假設(shè)x為待監(jiān)測(cè)的蘋(píng)果園溫度精確度，則蘋(píng)果園邊緣處的果樹(shù)需要放置的溫度傳感器個(gè)數(shù)為2.3/x的向上取整，蘋(píng)果園中心處果樹(shù)冠層需放置的個(gè)數(shù)為0.8/x的向上取整。如果x不小于2.3，即目標(biāo)采集的蘋(píng)果園溫度的精確度要求較低或傳感器的靈敏度較差，則整個(gè)蘋(píng)果園只需一個(gè)溫度傳感器即可。蘋(píng)果園濕度在果樹(shù)冠層的分布變化規(guī)律和蘋(píng)果園溫度的變化規(guī)律相似。

在果樹(shù)冠層中，空氣溫濕度在每個(gè)高度層的分布曲面具有相似的走勢(shì)，在監(jiān)測(cè)果樹(shù)冠層溫濕度時(shí)，可采取重點(diǎn)監(jiān)測(cè)一個(gè)平面而其他平面只取一兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)即可，通過(guò)監(jiān)測(cè)曲面上的點(diǎn)估計(jì)待監(jiān)測(cè)平面的相應(yīng)位置點(diǎn)上溫濕度的方法，可以減少WSN節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

果樹(shù)間隙的空氣溫濕度的變化極差與蘋(píng)果園中心處的果樹(shù)冠層相近，所以如需要監(jiān)測(cè)果樹(shù)間隙溫濕度的變化特性，對(duì)于同樣的監(jiān)測(cè)精度要求，監(jiān)測(cè)果樹(shù)間隙的空氣溫濕度需要和蘋(píng)果園中心位置點(diǎn)的果樹(shù)相似數(shù)量的傳感器。同時(shí)，由于空氣溫度隨著高度的增加逐漸增加，增幅均值約為0.3 ℃，且增幅的波動(dòng)較小，采用只監(jiān)測(cè)一個(gè)高度的溫度，其他高度可根據(jù)已有高度進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法?？諝鉂穸入S著距離蘋(píng)果園中心位置的靠近而減小，且每個(gè)高度層之間平均相差約為0.5%，最大不超過(guò)1.5%。如果對(duì)濕度的監(jiān)測(cè)精度較小，可監(jiān)測(cè)一個(gè)高度的空氣濕度即可。

基于以上幾點(diǎn)，在WSN部署在蘋(píng)果園中實(shí)現(xiàn)空氣溫濕度的監(jiān)測(cè)應(yīng)用時(shí)，提出一種基于果樹(shù)方位的“先平面后整體，外密里疏”的節(jié)點(diǎn)部署方法，即由蘋(píng)果園邊緣至蘋(píng)果園中心位置，依據(jù)果樹(shù)距離邊緣的遠(yuǎn)近選定幾棵果樹(shù)，對(duì)于每棵果樹(shù)將多個(gè)節(jié)點(diǎn)部署在同一水平高度層，在其他高度放置2、3個(gè)節(jié)點(diǎn)在固定位置。由于蘋(píng)果園邊緣的果樹(shù)空氣溫濕度的變化范圍較蘋(píng)果園中心區(qū)大很多，因此邊緣的果樹(shù)所部署的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)要遠(yuǎn)大于果園中心區(qū)果樹(shù)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，相差約3倍。

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