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(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，了解射頻信號在溫室中的傳輸特性與分布情況已經(jīng)成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。研究了以433 MHz為工作頻率，通過調(diào)節(jié)發(fā)射節(jié)點(diǎn)與接受節(jié)點(diǎn)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(gòu)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(fā)射天線的每個高度上，不同的接收天線高度層接收信號強(qiáng)度符合對數(shù)路徑損耗模型，溫室內(nèi)的路徑損耗指數(shù)（2.19）比室外（3.6）的小，溫室內(nèi)無作物接收信號強(qiáng)度比有作物大約10 dBm;溫室北側(cè)接收信號強(qiáng)度略高于南側(cè)，高約5 dBm;溫室中布置節(jié)點(diǎn)應(yīng)避開有金屬（鋁線等）的位置。

關(guān) 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(xiàn)標(biāo)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(lián)網(wǎng)在溫室環(huán)境在線測控、水肥一體化、生產(chǎn)管理等方面得到了廣泛應(yīng)用[1-4]。采用433 MHz頻段無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、傳輸性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)施農(nóng)業(yè)應(yīng)用中占據(jù)很大的比重。由于日光溫室環(huán)境復(fù)雜，建筑物材料不同、種植作物不同、電氣參數(shù)不同均會對附帶監(jiān)測信息的電磁波造成干擾[5-7]，從而影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信號傳輸與節(jié)點(diǎn)部署，因此需要采用無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)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(dāng)前對農(nóng)業(yè)環(huán)境下的無線電波的傳輸特性的研究主要集中在無建筑設(shè)施情況下以及在各種溫室環(huán)境中的傳輸特性研究。無建筑設(shè)施情況下，主要研究在田間不同作物環(huán)境如小麥田、桃園、蘋果園、樹林[8-10]等，節(jié)點(diǎn)間的水平距離以及節(jié)點(diǎn)布設(shè)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(qiáng)度得出棕櫚樹中無線射頻信號呈指數(shù)衰減，樹干對信號的衰減最小，樹葉對信號的衰減最大的結(jié)論。郭秀明等[12]根據(jù)從接收數(shù)據(jù)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(jié)點(diǎn)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?shù)木嚯x遞增的結(jié)論。

在溫室環(huán)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(shù)據(jù)的采集以及溫室路徑損耗模型的建立。Peng等[14]設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的無線節(jié)點(diǎn)并探索其在溫室不同天線方向的傳播特性，根據(jù)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(nèi)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(shù)學(xué)模型關(guān)系，其數(shù)據(jù)來自接收數(shù)據(jù)中提取的RSSI值，得出最優(yōu)的蘭花大棚發(fā)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(wǎng)絡(luò)并根據(jù)無線接收節(jié)點(diǎn)的RSSI值對比了433 MHz、780 MHz、2.4 GHz 3個頻段在日光溫室內(nèi)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(qiáng)度指示參數(shù)，當(dāng)有人為干擾或遮擋物時，節(jié)點(diǎn)設(shè)備可能接收不到數(shù)據(jù)或者由于設(shè)備穩(wěn)定性差導(dǎo)致獲得的RSSI值不準(zhǔn)確，且節(jié)點(diǎn)設(shè)備與頻譜儀相比靈敏度不高，獲取不到更低的信號強(qiáng)度。同時更多研究是結(jié)合某個植物場景，缺少日光溫室內(nèi)無線傳輸特性支撐。

本文選取北京小湯山農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)基地日光溫室作為試驗(yàn)地點(diǎn)，研究了溫室內(nèi)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(fā)射節(jié)點(diǎn)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(jù)所測接收信號強(qiáng)度來進(jìn)行建模分析，并進(jìn)行模擬仿真，從而為傳感器節(jié)點(diǎn)在溫室中的靈活部署提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)場地與設(shè)備

本試驗(yàn)在日光溫室無作物條件下，研究無線電磁波的傳輸特性。實(shí)驗(yàn)場地選為北京農(nóng)科院小湯山基地9號日光溫室，溫室參數(shù)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(jié)構(gòu)，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(yàn)所采用的發(fā)射模塊為深圳安美通科技有限公司的APC300模塊，其中發(fā)射模塊的發(fā)射功率設(shè)置為10 dBm，工作頻率設(shè)置為433 MHz。發(fā)射節(jié)點(diǎn)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(qiáng)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(yàn)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(fā)射節(jié)點(diǎn)高度下的傳輸距離對接收信號強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)中發(fā)射節(jié)點(diǎn)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?yàn)闄M向，南北方向?yàn)榭v向。試驗(yàn)設(shè)置發(fā)射節(jié)點(diǎn)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(diǎn)（距發(fā)射節(jié)點(diǎn)西2 m、4 m、6 m、8 m、10 m、12 m）處和5個縱向位置點(diǎn)（距發(fā)射節(jié)點(diǎn)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(fā)射節(jié)點(diǎn)的高度為0.5 m、1.0 m、1.5 m重復(fù)同樣的試驗(yàn)。其中每個測試點(diǎn)取4組接收功率值，最終取其平均值。圖2a）為溫室布置節(jié)點(diǎn)的橫切圖，圖2b）為溫室布置節(jié)點(diǎn)的縱切圖。

1.3 對數(shù)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(huán)境引起的損耗，它被定義為發(fā)射機(jī)有效發(fā)射功率和接收機(jī)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(fā)射節(jié)點(diǎn)的有效發(fā)射功率，dBm;[Pr]為距離d處的接收功率，dBm。

在農(nóng)業(yè)室內(nèi)室外的很多環(huán)境中，路徑損耗都可以用對數(shù)距離路徑損耗模型來預(yù)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(shù)，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(fā)射節(jié)點(diǎn)1 m處為參考點(diǎn)，將A作為模型參數(shù)代入式（3）得

上式即為溫室中電波損耗的模型。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 橫向信號傳輸

發(fā)射節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)分別在0 m、0.5 m、1.0 m、1.5 m 4個水平高度h層與發(fā)射節(jié)點(diǎn)水平距離d為2～12 m，間隔2 m的6個位置點(diǎn)接收信號并計(jì)算接收信號的平均功率如圖3所示。無論發(fā)射節(jié)點(diǎn)在什么高度處，在每個接收節(jié)點(diǎn)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(fā)射節(jié)點(diǎn)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(qiáng)度，可以看出，圖3a）相同傳輸距離d處接收信號強(qiáng)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(fā)射節(jié)點(diǎn)天線高度越高，接收的信號功率越小。所以在溫室里布設(shè)節(jié)點(diǎn)時，發(fā)射節(jié)點(diǎn)的位置不能布設(shè)太高，接收節(jié)點(diǎn)可以布設(shè)的高些，具體依據(jù)溫室環(huán)境布設(shè)。

圖3b）中當(dāng)h = 0 m時，距發(fā)射節(jié)點(diǎn)4 m和10 m處接收信號強(qiáng)度均驟降，這是由于接收天線高度設(shè)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(fā)射節(jié)點(diǎn)10 m處接收信號強(qiáng)度有一個上升，這是由于發(fā)射天線頻率為433 MHz，其波長為0.7 m，距發(fā)射節(jié)點(diǎn)10 m恰好為波長的波峰附近處，所以信號稍強(qiáng)。圖3d）整體上下波動比較大，是由于發(fā)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(chǎn)生干擾使得接收信號不穩(wěn)定上下波動明顯。

2.1.2 縱向信號傳輸

發(fā)射節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)分別在0 m、0.5 m、1.0 m、1.5 m 4個水平高度h與發(fā)射節(jié)點(diǎn)相隔北1～3 m（x軸正半軸），南1～2 m（x軸負(fù)半軸），間隔1 m的5個位置點(diǎn)接收信號并計(jì)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(cè)的場強(qiáng)基本是對稱的，但由于溫室左右兩側(cè)的材料不同以及環(huán)境因素，導(dǎo)致溫室的南北兩側(cè)場強(qiáng)略有差異。北側(cè)略高于南側(cè)，高約5 dBm，其中溫室北側(cè)是石灰墻，南側(cè)是由骨架支撐的塑料膜。位于發(fā)射節(jié)點(diǎn)兩側(cè)的場強(qiáng)均隨傳輸距離的增加而減小。

由圖4a）、b）、c）、d）可以看出當(dāng)h為1.5 m時，對應(yīng)的場強(qiáng)是測不到的，這是由于溫室為二折式結(jié)構(gòu)，靠近塑料膜一端為折形最底端，高度不達(dá)1.5 m，故而無法測對應(yīng)處的場強(qiáng)，因而布設(shè)節(jié)點(diǎn)時需要注意臨近塑料膜時，節(jié)點(diǎn)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(fā)射節(jié)點(diǎn)北側(cè)1.0 m時，接受信號功率有一個下降，這是由于在發(fā)射節(jié)點(diǎn)北側(cè)1.0 m處1.76 m高處有銅線對接收信號產(chǎn)生了干擾。圖4d）中當(dāng)h = 1.0 m時，距發(fā)射節(jié)點(diǎn)南2.0 m處的信號強(qiáng)度高于其他處，這是由測量誤差引起。

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 模型回歸分析

采用MATLAB軟件對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)關(guān)系符合對數(shù)衰減規(guī)律，利用對數(shù)路徑衰減損耗模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析得到不同發(fā)射天線高度ht和接收天線高度h組合下，傳輸距離內(nèi)的接收信號功率模型的各參數(shù)的擬合值和相關(guān)系數(shù)R見表1。擬合的決定系數(shù)大多在0.8～1.0之間，最小的為0.696，最大的為0.988。無論發(fā)射節(jié)點(diǎn)的高度多高，接收天線接收的信號強(qiáng)度在各個高度上都是符合對數(shù)路徑損耗模型的，信號強(qiáng)度可以用式（4）來預(yù)測。

由表1可知，當(dāng)發(fā)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(shù)n最小，即此時衰減速度最慢，信號強(qiáng)度比較強(qiáng)。當(dāng)發(fā)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(shù)最大。并且各個發(fā)射天線高度下的路徑損耗指數(shù)是不同的，這說明發(fā)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(fā)射天線高度下，接收天線高度為1.5 m時，其路徑損耗指數(shù)幾乎是最小的，也驗(yàn)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(qiáng)度增強(qiáng)的結(jié)論。

表中路徑損耗指數(shù)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(nèi)的衰減指數(shù)。與室外[21]平均路徑損耗指數(shù)（3.6）相比要小，這是由于溫室墻面、地面等對無線信號產(chǎn)生反射，使接收信號中包含大量反射信號，產(chǎn)生了多徑效應(yīng)，使得信號強(qiáng)度加強(qiáng)，路徑損耗指數(shù)減小。與溫室有蘭花作物[15]的接收信號強(qiáng)度相比，無作物接收信號強(qiáng)度高約10 dBm。

2.2.2 模型參數(shù)A

在接收天線的每個高度下，對各發(fā)射天線高度的模型參數(shù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果表明模型參數(shù)A和發(fā)射天線高度ht符合二次多項(xiàng)式關(guān)系模型，相關(guān)系數(shù)在0.8～1.0之間，擬合的關(guān)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(shù)n

在接收天線的每個高度下，對各發(fā)射天線高度的模型參數(shù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果表明路徑損耗指數(shù)n和發(fā)射天線高度ht符合三次多項(xiàng)式關(guān)系模型，相關(guān)系數(shù)為1，擬合的關(guān)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(guān)系，式（10）為接收天線高度為0.5 m時的n與[ht]的關(guān)系，式（11）為接收天線高度為1.0 m時的n與[ht]的關(guān)系，式（12）為接收天線高度為1.5 m時的n與[ht]的關(guān)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(qiáng)度與傳輸距離d、發(fā)射天線高度ht以及路徑損耗指數(shù)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(fā)射節(jié)點(diǎn)與接收天線高度的仿真

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的溫室中射頻信號傳輸特性的數(shù)學(xué)模型，使用MATLAB對分布進(jìn)行模擬，得到發(fā)射節(jié)點(diǎn)位于溫室中央（距北墻3.8 m;距東墻15 m），節(jié)點(diǎn)高度為0 m時，接收天線位于溫室中距發(fā)射節(jié)點(diǎn)任意距離的接收信號強(qiáng)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(diǎn)（0，0，0）處為發(fā)射節(jié)點(diǎn)位置，x軸負(fù)距離表示接收天線位于發(fā)射節(jié)點(diǎn)西側(cè)，正距離表示接收天線位于發(fā)射節(jié)點(diǎn)東側(cè);y軸負(fù)距離表示接收天線位于發(fā)射節(jié)點(diǎn)南側(cè)，正距離表示接收天線位于發(fā)射節(jié)點(diǎn)北側(cè)。顏色由深紅到深藍(lán)表示信號強(qiáng)度由強(qiáng)到弱。由圖可知距離發(fā)射節(jié)點(diǎn)越遠(yuǎn)，信號強(qiáng)度呈對數(shù)衰減，距發(fā)射節(jié)點(diǎn)東西兩側(cè)的接收信號強(qiáng)度呈對稱關(guān)系，南北兩側(cè)的接收信號強(qiáng)度近似對稱。

2.3.2 固定發(fā)射節(jié)點(diǎn)與接收天線橫向位置的仿真

根據(jù)試驗(yàn)得到的溫室對數(shù)路徑損耗模型以及模型參數(shù)A、路徑損耗指數(shù)n與接收天線高度的數(shù)學(xué)關(guān)系，使用MATLAB對分布進(jìn)行仿真，得到發(fā)射節(jié)點(diǎn)位于溫室中央（距北墻3.8 m;距東墻15 m），節(jié)點(diǎn)高度為1.5 m時，接收天線位于距發(fā)射節(jié)點(diǎn)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(qiáng)度分布，如圖6所示。圖中原點(diǎn)（0，0，0）為發(fā)射節(jié)點(diǎn)位置。x軸負(fù)距離表示接收天線位于發(fā)射節(jié)點(diǎn)西側(cè)，正距離表示接收天線位于發(fā)射節(jié)點(diǎn)東側(cè)，y軸表示接收節(jié)點(diǎn)的高度。顏色由深紅到深藍(lán)表示信號強(qiáng)度由強(qiáng)到弱。

當(dāng)發(fā)射節(jié)點(diǎn)為其他高度時對應(yīng)的仿真圖與高度為1.5 m相似，故而僅仿真發(fā)射節(jié)點(diǎn)高度1.5 m的情況。由圖可知當(dāng)接收天線高度從低到高時，接收信號強(qiáng)度先逐漸變強(qiáng)后又開始減弱。距發(fā)射節(jié)點(diǎn)兩側(cè)的接收信號強(qiáng)度是對稱關(guān)系，離發(fā)射節(jié)點(diǎn)越遠(yuǎn)，接收信號強(qiáng)度越弱。無論接收天線位于何種高度，接收信號強(qiáng)度均隨橫向水平距離對數(shù)衰減。

3 結(jié)論

本文研究了溫室里433 MHz無線信號在不同發(fā)射天線高度和不同接收信號高度下接受信號強(qiáng)度的傳播情況。通過實(shí)地試驗(yàn)和對結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析得出結(jié)論。

1）隨著發(fā)射節(jié)點(diǎn)天線的增高，對應(yīng)傳輸距離的接收信號強(qiáng)度在各個高度上都有下移的趨勢。

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

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

因此在溫室布設(shè)無線傳感器時應(yīng)該注意發(fā)射節(jié)點(diǎn)不宜布設(shè)太高，接受節(jié)點(diǎn)應(yīng)該盡可能地布設(shè)高一些。溫室內(nèi)均可接受到比較強(qiáng)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(fā)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(wǎng)絡(luò)的部署中，研究溫室中發(fā)射節(jié)點(diǎn)在不同發(fā)射功率下的信號傳播規(guī)律也是很必要的。

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