摘 要： 針對(duì)溫室環(huán)境調(diào)控中手動(dòng)控制和閾值條件調(diào)控存在調(diào)控精度低、參數(shù)超調(diào)嚴(yán)重等問題，以設(shè)施番茄溫室為例，研究提出一種基于環(huán)境預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)調(diào)控策略。首先，構(gòu)建專用物聯(lián)網(wǎng)“六域”架構(gòu)，采用MSP430F5438A作為主控模塊，設(shè)計(jì)感知、通信等功能模塊。其次，構(gòu)建SSA-LSTM預(yù)測(cè)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，并根據(jù)模型預(yù)測(cè)結(jié)果確定環(huán)境調(diào)控策略，通過PSO-PID 控制模型實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室風(fēng)口電機(jī)的精準(zhǔn)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)LSTM模型，SSA-LSTM預(yù)測(cè)模型的MAE降低58.52%，MAPE降低61.68%，RMSE降低63.84%。同時(shí)，相較于傳統(tǒng)PID 模型，PSOPID控制模型的超調(diào)量降低89.99%，調(diào)節(jié)時(shí)間降低59.85%。系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)地部署驗(yàn)證，在保持種植品種和農(nóng)事管理操作一致的情形下，智能調(diào)控的溫室產(chǎn)量相較于傳統(tǒng)溫室提升約8.5%，證明了系統(tǒng)的有效實(shí)用性。

關(guān)鍵詞： 溫度預(yù)測(cè)；控制模型；農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；溫室環(huán)境

中圖法分類號(hào)： S625.5+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1000-2324（2024）04-0633-11

番茄作為我國設(shè)施溫室栽培的典型蔬菜，溫室環(huán)境是否適宜直接影響其生長(zhǎng)發(fā)育狀況［1-3］。當(dāng)前設(shè)施溫室環(huán)境調(diào)控普遍存在調(diào)控精度不足、參數(shù)超調(diào)嚴(yán)重等問題，導(dǎo)致溫室環(huán)境時(shí)常產(chǎn)生波動(dòng)并超出最佳適宜范圍，這不利于番茄在穩(wěn)定適宜的環(huán)境中生長(zhǎng)，影響其正常生長(zhǎng)發(fā)育，最終導(dǎo)致產(chǎn)量下降。為解決這些問題，開發(fā)精準(zhǔn)、高效、智能的設(shè)施溫室測(cè)控系統(tǒng)尤為迫切。

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者在設(shè)施溫室環(huán)境測(cè)控領(lǐng)域開展了大量研究［4-6］。在設(shè)施溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，程力［7］開發(fā)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。M Marcu［8］等研發(fā)了農(nóng)業(yè)智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)智能監(jiān)測(cè)。在設(shè)施溫室環(huán)境調(diào)控方面，李勝利［9］通過實(shí)驗(yàn)確定了夏季番茄苗期最適宜的環(huán)境調(diào)控范圍，為溫室環(huán)境調(diào)控提供了依據(jù)。陸萬榮［10］和高立婷［11］則利用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，構(gòu)建了溫室PID 控制模型。除了傳統(tǒng)的控制方法，智能優(yōu)化算法也被引入到溫室環(huán)境調(diào)控中，李師［12］利用智能優(yōu)化算法結(jié)合PID 控制器構(gòu)建溫室環(huán)境調(diào)控模型，提高了控制精度，在一定程度上解決了傳統(tǒng)PID 算法在溫室控制中自適應(yīng)能力差的問題。Manonmani A［13］等利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)溫室環(huán)境建模，并對(duì)環(huán)境進(jìn)行智能調(diào)控。Guesbaya M［14］對(duì)溫室系統(tǒng)的溫濕度進(jìn)行分析，利用PSO 算法的全局優(yōu)化能力，對(duì)PID 控制器參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了溫室溫濕度的調(diào)控，但存在一定的滯后性。杜太行［15］等提出基于模型預(yù)測(cè)的溫度優(yōu)化控制方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室溫度的預(yù)測(cè)控制。

雖然對(duì)設(shè)施溫室環(huán)境測(cè)控領(lǐng)域的研究已取得較大進(jìn)展，但在設(shè)施溫室環(huán)境測(cè)控過程中依舊存在測(cè)控精度低、參數(shù)超調(diào)嚴(yán)重等問題。針對(duì)這些問題，本文擬研發(fā)設(shè)施溫室物聯(lián)網(wǎng)智能測(cè)控系統(tǒng)，構(gòu)建基于精準(zhǔn)預(yù)測(cè)的智能控制模型，旨在通過預(yù)測(cè)主要環(huán)境指標(biāo)優(yōu)化智能調(diào)控策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)施溫室環(huán)境全面、透徹感知和智能、精準(zhǔn)調(diào)控，以期為設(shè)施溫室環(huán)境調(diào)控提供一種解決方案。

1 設(shè)施溫室物聯(lián)網(wǎng)智能測(cè)控系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 設(shè)施溫室環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)展現(xiàn)出快速發(fā)展勢(shì)頭，其體系結(jié)構(gòu)因應(yīng)用場(chǎng)景和具體需求的變化呈現(xiàn)出多種形態(tài)。研究綜合考慮溫室環(huán)境數(shù)據(jù)全面感知，數(shù)據(jù)可靠傳輸、存儲(chǔ)及設(shè)備智能調(diào)控等功能需求，最終優(yōu)選了功能劃分明確、擴(kuò)展性強(qiáng)的六層體系結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1 所示。“六域”結(jié)構(gòu)的具體組成如下：

用戶域（User Domain，UD），是不同類型物聯(lián)網(wǎng)用戶和用戶系統(tǒng)的實(shí)體集合。本系統(tǒng)的用戶域主要包括系統(tǒng)管理員、現(xiàn)場(chǎng)工作人員、農(nóng)業(yè)專家及政府人員和用戶系統(tǒng)組成。

目標(biāo)對(duì)象域（Target Object Domain，TOD），是物聯(lián)網(wǎng)用戶期望獲取相關(guān)信息或執(zhí)行相關(guān)操控的對(duì)象實(shí)體集合，包括感知對(duì)象和控制對(duì)象。感知對(duì)象是用于獲取設(shè)施溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的設(shè)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?？刂茖?duì)象則是用于執(zhí)行環(huán)境調(diào)控任務(wù)的設(shè)備集合，包括通風(fēng)設(shè)備、補(bǔ)光設(shè)備等。

感知控制域（Sensing Control Domain，SCD），是各類獲取感知對(duì)象信息與操控控制對(duì)象的軟硬件系統(tǒng)的實(shí)體集合。本系統(tǒng)的感知控制域主要包括物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、視頻信息采集系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)等。

服務(wù)提供域（Service Delivery Domain，SDD），是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)服務(wù)和業(yè)務(wù)服務(wù)的軟硬件系統(tǒng)的實(shí)體集合。本系統(tǒng)的服務(wù)提供域主要包括數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)、上位機(jī)系統(tǒng)、APP 系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)平臺(tái)系統(tǒng)等。

運(yùn)維管控域（Operation Management Domain，OMD），是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)和法規(guī)符合性監(jiān)管的軟硬件系統(tǒng)的實(shí)體集合。

資源交換域（Resource Interchange Domain，RID），是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與外部系統(tǒng)間信息資源的共享與交換，以及實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)信息和服務(wù)集中交易的軟硬件系統(tǒng)的實(shí)體集合。

1.2 系統(tǒng)核心模塊設(shè)計(jì)

主控模塊作為系統(tǒng)的核心，主要包括中央處理器（CPU）、隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）、只讀存儲(chǔ)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(wěn)定和擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，綜合考慮性能和成本，研究選擇了MSP430F5438A作為核心主控模塊。對(duì)比結(jié)果如表1所示。