彭秀媛 白冰 王楓 周?chē)?guó)民

摘要：從傳感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的角度，研究日光溫室內(nèi)環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)傳感器布設(shè)位置。以溫度為例，在遼寧省冬茬西紅柿種植日光溫室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，將作物、環(huán)境、監(jiān)控設(shè)備作為整體考慮，采用農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控設(shè)備在日光溫室內(nèi)多點(diǎn)（M1～M11）測(cè)量空氣溫度。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的整體分析，并依據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)采用最佳平方逼近最小二乘法計(jì)算，研究現(xiàn)有生產(chǎn)方式下，日光溫室內(nèi)哪個(gè)位置的傳感數(shù)據(jù)能夠代表日光溫室內(nèi)溫度的整體情況。結(jié)果表明，日光溫室種植區(qū)域的中心點(diǎn)（監(jiān)測(cè)點(diǎn)M6）及附近區(qū)域的溫度最能代表日光溫室內(nèi)溫度的整體情況，該區(qū)域即為溫度傳感器的最佳布設(shè)區(qū)域。該結(jié)論為日光溫室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性提供了理論支撐，也為日光溫室內(nèi)其他環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器布設(shè)研究提供了思路。

關(guān)鍵詞：日光溫室；環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)；溫度傳感器；布設(shè)區(qū)域；最佳平方逼近最小二乘法

中圖分類號(hào)： TP212.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）10-0167-03

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的高度集成和綜合運(yùn)用[1]。近些年來(lái)，美國(guó)、歐洲的一些發(fā)達(dá)國(guó)家相繼開(kāi)展了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范研究，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、管理、服務(wù)等階段“人-機(jī)-物”信息交互與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實(shí)踐與推廣[2-5]。我國(guó)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用總體處于試驗(yàn)示范階段，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、國(guó)家農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院信息研究所等科研機(jī)構(gòu)及相關(guān)學(xué)者近些年開(kāi)展了較多的應(yīng)用研究，在設(shè)施農(nóng)業(yè)、大田作物、果園等方面形成了典型的應(yīng)用示范案例[1]，而實(shí)際推廣應(yīng)用則較多集中在設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制方面。雖然農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控設(shè)備已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，但實(shí)際生產(chǎn)中的完全自動(dòng)控制、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的再利用等卻很少，重要的原因是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性不能保證，導(dǎo)致基于該數(shù)據(jù)的指導(dǎo)與決策沒(méi)有實(shí)際可操作性及意義，也反過(guò)來(lái)阻礙了該應(yīng)用模式的發(fā)展。

筆者總結(jié)多年推廣實(shí)踐認(rèn)為，日光溫室生產(chǎn)環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確性主要受以下因素影響：傳感器的精度、靈敏度、分辨率；接收傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)及軟件部分對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理；監(jiān)測(cè)傳感器的布設(shè)。前2點(diǎn)可以通過(guò)傳感器的選型、監(jiān)控設(shè)備的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝進(jìn)行保證。在傳感器布設(shè)方面，經(jīng)文獻(xiàn)調(diào)研，已有眾多研究者從無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋角度，研究了傳感節(jié)點(diǎn)在農(nóng)田環(huán)境中的部署策略和方法[6-8]。但在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，少有從傳感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性角度研究傳感器布設(shè)，實(shí)際應(yīng)用中傳感器布設(shè)主要根據(jù)安裝人員的想法和經(jīng)驗(yàn)。傳感器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)是智慧農(nóng)業(yè)的最底層，也是最重要的一層，它的準(zhǔn)確性是對(duì)它進(jìn)行控制的基礎(chǔ)，并直接影響上層模型建設(shè)及進(jìn)一步?jīng)Q策等的準(zhǔn)確性。特別是日光溫室由于其結(jié)構(gòu)特性，使得它本身具有環(huán)境不均勻性。因此，研究日光溫室中環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)傳感器布設(shè)十分有必要。

在研究日光溫室微生態(tài)環(huán)境變化的過(guò)程中，光照度、氣溫、濕度、CO2濃度、水分含量等溫室環(huán)境因子中溫度、濕度對(duì)作物生育的影響最顯著[9]。溫度、濕度具有耦合關(guān)系，因此本試驗(yàn)以溫度為例，將作物、環(huán)境、監(jiān)控設(shè)備作為整體考慮，研究現(xiàn)有生產(chǎn)方式下，日光溫室內(nèi)哪個(gè)位置的傳感數(shù)據(jù)能夠代表日光溫室內(nèi)溫度的整體情況。該方面的研究并沒(méi)有相關(guān)先驗(yàn)知識(shí)的指導(dǎo)，因此針對(duì)此問(wèn)題，筆者在遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院的一個(gè)日光溫室內(nèi)進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)，采用遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院自主研發(fā)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控設(shè)備在日光溫室內(nèi)多點(diǎn)測(cè)量空氣溫度，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，以期發(fā)現(xiàn)空氣溫度傳感器的最佳布設(shè)位置，為日光溫室內(nèi)空氣溫度傳感器的布設(shè)提供理論支持。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)的日光溫室

選取遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院專門(mén)用于測(cè)試信息化設(shè)備的日光溫室進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)，試驗(yàn)溫室規(guī)格為45 m×9 m，主栽品種為西紅柿，采用基質(zhì)栽培方式，行間距為1.1 m，溫室內(nèi)降溫設(shè)備為放風(fēng)電機(jī)、風(fēng)機(jī)、水簾，降濕設(shè)備為放風(fēng)電機(jī)。溫室內(nèi)升溫設(shè)備為太陽(yáng)能暖氣、電暖氣（備用設(shè)備）。試驗(yàn)時(shí)間為2015年9月24日至2016年2月8日。覆蓋冬茬西紅柿開(kāi)花坐果期和結(jié)果期，其中幼苗期為2015年8月10日至9月30日，開(kāi)花坐果期為2015年10月1至20日，結(jié)果期為2015年10月21日至2016年1月28日。

1.2試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采取采樣點(diǎn)的方式測(cè)量日光溫室生產(chǎn)區(qū)域的空氣溫度。選取水平位置一致的11個(gè)典型位置點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量（圖1），以發(fā)現(xiàn)11個(gè)位置空氣溫度的差異以及日光溫室內(nèi)哪個(gè)位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)能夠代表日光溫室環(huán)境的整體情況?？紤]溫室內(nèi)作物的生長(zhǎng)，11個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)高度始終位于11株被測(cè)試位置西紅柿植株平均高度之上10 cm的位置，隨著西紅柿的生長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)整，最高距地面1.9 m。

1.3試驗(yàn)材料

采用遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院信息中心自主研發(fā)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控器（WM2500型）在日光溫室內(nèi)多點(diǎn)測(cè)量空氣溫度，監(jiān)測(cè)方案見(jiàn)圖2。農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控器在元器件篩選（靜態(tài)篩選、高低溫篩選、性能篩選等）、基準(zhǔn)電壓配置[10]、傳感器選型、溫濕度的線性度[11]、傳感器重復(fù)度方面進(jìn)行了大量工作，保證設(shè)備的準(zhǔn)確性，適用溫度范圍為-10～50 ℃。選用DS18B20溫度傳

感器，其精度高達(dá)0.01 ℃，滿足農(nóng)業(yè)應(yīng)用需求。

[FL（2K2]2結(jié)果與分析

在生產(chǎn)過(guò)程中影響溫室內(nèi)空氣溫度值的操作有2種：（1）放風(fēng)設(shè)備根據(jù)溫度值自動(dòng)放風(fēng)，設(shè)置最低閾值28 ℃、最高閾值30 ℃，當(dāng)溫度高于最高閾值，則開(kāi)啟放風(fēng)設(shè)備，當(dāng)溫度低于最低閾值，則關(guān)閉放風(fēng)設(shè)備；（2）人工根據(jù)溫室內(nèi)的濕度進(jìn)行放風(fēng)操作，操作時(shí)間一般為一天中11：00—12：00的時(shí)間段。

2.1數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)以天（d）為單位進(jìn)行曲線走勢(shì)分析，歸納得出1 d的溫度變化可以分為3個(gè)時(shí)間段：00：00—09：00、09：00—14：00、14：00—24：00。其中00：00—09：00時(shí)間段為溫度上升階段，趨勢(shì)近似一次函數(shù)且變化緩慢；14：00—24：00時(shí)間段為溫度下降階段，趨勢(shì)近似一次函數(shù)且變化緩慢；09：00—14：00 時(shí)間段近似二次函數(shù)，曲線或?yàn)閱畏寤驗(yàn)殡p峰，當(dāng)人工放風(fēng)操作時(shí)曲線為雙峰。

本研究不考慮波動(dòng)平緩的一次曲線部分，著重考慮二次曲線部分，且不考慮人工放風(fēng)操作對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)及二次曲線的影響，將此時(shí)間段看成開(kāi)口向下的二次曲線函數(shù)，選取在12：00時(shí)間達(dá)到溫度峰值，由于主要是為了研究升溫的趨勢(shì)，因此09：00—12：00為重點(diǎn)研究時(shí)間段，同時(shí)在溫度下降趨勢(shì)階段選擇1個(gè)點(diǎn)作為校正，因此選擇09：03、10：03、11：03、14：03這4個(gè)時(shí)間點(diǎn)的監(jiān)測(cè)值。為了減少外溫、光照等因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，選取較近日期的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。綜上，選取本研究數(shù)據(jù)對(duì)象為：M1～M11共11個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)連續(xù)6日（2015年10月15、16、17、18、19、20日）分別在09：03、10：03、11：03、14：03這4個(gè)時(shí)間點(diǎn)的平均溫度數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)按以下原則進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化：以12：03時(shí)作為x軸（即時(shí)間軸）0點(diǎn)，則09：03、10：03、11：03、14：03時(shí)在時(shí)間軸坐標(biāo)分別為-3、-2、-1、2；以 11：03 時(shí)平均溫度作為y軸（即溫度軸）0點(diǎn)，則其他時(shí)間的平均溫度相對(duì)于11：03時(shí)平均溫度取值（表1）。

2.2最佳平方逼近最小二乘法[12]

由于溫度的變化近似二次曲線，所以設(shè)y=ax2+c，而（[CM（25*5]Ax，Ay）、（By，By）、（Cx，Cy）、（Dx，Dy）為每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)用來(lái)擬

2.3分析結(jié)果

采用上述方法擬合出11條二次曲線（表2），對(duì)a值進(jìn)行觀察得出監(jiān)測(cè)點(diǎn)M1的a值與其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)差別較大，可能由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)M1位于溫室門(mén)附近，因此其溫度受室外溫度以及溫室內(nèi)種植活動(dòng)影響較大，因此剔除監(jiān)測(cè)點(diǎn)M1數(shù)據(jù)。

取N=10，j=2，3，…，11，由公式（4）、公式（5）分別得出 M2～M11的Tj、T[TX-]值，最后由公式（6）得出a[TX-*5]值為-0.437，將a[TX-*5]與aj值取正，通過(guò)比對(duì)得出與a[TX-*5]最相近的曲線a值對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)M6（圖3），該點(diǎn)位于溫室種植區(qū)域的中心點(diǎn)，該點(diǎn)及附近點(diǎn)最能代表溫室整體溫度情況，即溫度傳感器的最佳布設(shè)區(qū)域。

3結(jié)論與討論

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感、傳、智、用、運(yùn)、管六大環(huán)節(jié)的首要就是感，其要求是準(zhǔn)確感知。因此，筆者以實(shí)踐過(guò)程中存在的問(wèn)題為導(dǎo)向，開(kāi)展日光溫室生產(chǎn)環(huán)境溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)傳感器布設(shè)研究。通過(guò)在遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院日光溫室內(nèi)進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)[CM（25]、數(shù)據(jù)整體分析以及依據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行最佳平方逼近

最小二乘法計(jì)算，得出以下結(jié)論：（1）冬茬種植中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)M1位于門(mén)附近，其溫度數(shù)據(jù)受室外溫度以及溫室內(nèi)種植活動(dòng)影響較大，導(dǎo)致該點(diǎn)溫度偏低；（2）由于溫室左側(cè)近半被太陽(yáng)能升溫設(shè)備部分遮擋，造成試驗(yàn)對(duì)稱監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫差相差3～5 ℃，可能對(duì)結(jié)論的精確度有影響；（3）監(jiān)測(cè)點(diǎn)M6的擬合二次曲線a值與總體加權(quán)平均后的a[TX-*5]極其接近。

綜上得出，日光溫室種植區(qū)域的中心點(diǎn)（監(jiān)測(cè)點(diǎn)M6）及附近的溫度最能代表日光溫室內(nèi)溫度的整體情況，該區(qū)域即為溫度傳感器的最佳布設(shè)區(qū)域。該結(jié)論為日光溫室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性提供了理論支撐，奠定了農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控設(shè)備“自動(dòng)化-智能化-智慧化”遞進(jìn)過(guò)程的基礎(chǔ)。該試驗(yàn)也為日光溫室內(nèi)其他環(huán)境監(jiān)控傳感器布設(shè)研究提供了思路。本研究下一步將采用更為通用的日光溫室，進(jìn)行具有耦合性的多環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，采用回歸方法進(jìn)行分析，得出更精準(zhǔn)的結(jié)論，并進(jìn)一步驗(yàn)證此次試驗(yàn)結(jié)論。

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