設施溫室物聯網智能測控系統研究

摘 要： 針對溫室環境調控中手動控制和閾值條件調控存在調控精度低、參數超調嚴重等問題，以設施番茄溫室為例，研究提出一種基于環境預測的精準調控策略。首先，構建專用物聯網“六域”架構，采用MSP430F5438A作為主控模塊，設計感知、通信等功能模塊。其次，構建SSA-LSTM預測模型實現對溫室環境的精準預測，并根據模型預測結果確定環境調控策略，通過PSO-PID 控制模型實現對溫室風口電機的精準控制。實驗結果表明，相較于傳統LSTM模型，SSA-LSTM預測模型的MAE降低58.52%，MAPE降低61.68%，RMSE降低63.84%。同時，相較于傳統PID 模型，PSOPID控制模型的超調量降低89.99%，調節時間降低59.85%。系統經過實地部署驗證，在保持種植品種和農事管理操作一致的情形下，智能調控的溫室產量相較于傳統溫室提升約8.5%，證明了系統的有效實用性。

關鍵詞： 溫度預測；控制模型；農業物聯網；溫室環境

中圖法分類號： S625.5+1 文獻標識碼： A 文章編號： 1000-2324（2024）04-0633-11

番茄作為我國設施溫室栽培的典型蔬菜，溫室環境是否適宜直接影響其生長發育狀況［1-3］。當前設施溫室環境調控普遍存在調控精度不足、參數超調嚴重等問題，導致溫室環境時常產生波動并超出最佳適宜范圍，這不利于番茄在穩定適宜的環境中生長，影響其正常生長發育，最終導致產量下降。為解決這些問題，開發精準、高效、智能的設施溫室測控系統尤為迫切。

隨著現代信息技術在農業領域的廣泛應用，國內外學者在設施溫室環境測控領域開展了大量研究［4-6］。在設施溫室環境監測方面，程力［7］開發了一種基于物聯網的溫室環境參數實時監測系統。M Marcu［8］等研發了農業智能物聯網系統，對農業環境進行實時智能監測。在設施溫室環境調控方面，李勝利［9］通過實驗確定了夏季番茄苗期最適宜的環境調控范圍，為溫室環境調控提供了依據。陸萬榮［10］和高立婷［11］則利用計算機控制技術，構建了溫室PID 控制模型。除了傳統的控制方法，智能優化算法也被引入到溫室環境調控中，李師［12］利用智能優化算法結合PID 控制器構建溫室環境調控模型，提高了控制精度，在一定程度上解決了傳統PID 算法在溫室控制中自適應能力差的問題。Manonmani A［13］等利用神經網絡算法對溫室環境建模，并對環境進行智能調控。Guesbaya M［14］對溫室系統的溫濕度進行分析，利用PSO 算法的全局優化能力，對PID 控制器參數進行了優化，實現了溫室溫濕度的調控，但存在一定的滯后性。杜太行［15］等提出基于模型預測的溫度優化控制方法，實現了對溫室溫度的預測控制。

雖然對設施溫室環境測控領域的研究已取得較大進展，但在設施溫室環境測控過程中依舊存在測控精度低、參數超調嚴重等問題。針對這些問題，本文擬研發設施溫室物聯網智能測控系統，構建基于精準預測的智能控制模型，旨在通過預測主要環境指標優化智能調控策略，實現對設施溫室環境全面、透徹感知和智能、精準調控，以期為設施溫室環境調控提供一種解決方案。

1 設施溫室物聯網智能測控系統架構

1.1 設施溫室環境測控系統總體設計

當前，物聯網技術展現出快速發展勢頭，其體系結構因應用場景和具體需求的變化呈現出多種形態。研究綜合考慮溫室環境數據全面感知，數據可靠傳輸、存儲及設備智能調控等功能需求，最終優選了功能劃分明確、擴展性強的六層體系結構。系統的總體架構如圖1 所示。“六域”結構的具體組成如下：

用戶域（User Domain，UD），是不同類型物聯網用戶和用戶系統的實體集合。本系統的用戶域主要包括系統管理員、現場工作人員、農業專家及政府人員和用戶系統組成。

目標對象域（Target Object Domain，TOD），是物聯網用戶期望獲取相關信息或執行相關操控的對象實體集合，包括感知對象和控制對象。感知對象是用于獲取設施溫室內環境參數的設備集合，主要包括溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器和土壤濕度傳感器等。控制對象則是用于執行環境調控任務的設備集合，包括通風設備、補光設備等。

感知控制域（Sensing Control Domain，SCD），是各類獲取感知對象信息與操控控制對象的軟硬件系統的實體集合。本系統的感知控制域主要包括物聯網網關、傳感器網絡系統、視頻信息采集系統和智能控制系統等。

服務提供域（Service Delivery Domain，SDD），是實現物聯網基礎服務和業務服務的軟硬件系統的實體集合。本系統的服務提供域主要包括數據服務系統、上位機系統、APP 系統和大數據平臺系統等。

運維管控域（Operation Management Domain，OMD），是實現物聯網運行維護和法規符合性監管的軟硬件系統的實體集合。

資源交換域（Resource Interchange Domain，RID），是實現物聯網系統與外部系統間信息資源的共享與交換，以及實現物聯網系統信息和服務集中交易的軟硬件系統的實體集合。

1.2 系統核心模塊設計

主控模塊作為系統的核心，主要包括中央處理器（CPU）、隨機存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、輸入/輸出（I/O）接口電路以及其他功能模塊。德州儀器公司的MSP430 系列處理器具有低功耗、性能穩定和擴展性強等優勢，綜合考慮性能和成本，研究選擇了MSP430F5438A作為核心主控模塊。對比結果如表1所示。