设施温室物联网智能测控系统研究

摘 要： 针对温室环境调控中手动控制和阈值条件调控存在调控精度低、参数超调严重等问题，以设施番茄温室为例，研究提出一种基于环境预测的精准调控策略。首先，构建专用物联网“六域”架构，采用MSP430F5438A作为主控模块，设计感知、通信等功能模块。其次，构建SSA-LSTM预测模型实现对温室环境的精准预测，并根据模型预测结果确定环境调控策略，通过PSO-PID 控制模型实现对温室风口电机的精准控制。实验结果表明，相较于传统LSTM模型，SSA-LSTM预测模型的MAE降低58.52%，MAPE降低61.68%，RMSE降低63.84%。同时，相较于传统PID 模型，PSOPID控制模型的超调量降低89.99%，调节时间降低59.85%。系统经过实地部署验证，在保持种植品种和农事管理操作一致的情形下，智能调控的温室产量相较于传统温室提升约8.5%，证明了系统的有效实用性。

关键词： 温度预测；控制模型；农业物联网；温室环境

中图法分类号： S625.5+1 文献标识码： A 文章编号： 1000-2324（2024）04-0633-11

番茄作为我国设施温室栽培的典型蔬菜，温室环境是否适宜直接影响其生长发育状况［1-3］。当前设施温室环境调控普遍存在调控精度不足、参数超调严重等问题，导致温室环境时常产生波动并超出最佳适宜范围，这不利于番茄在稳定适宜的环境中生长，影响其正常生长发育，最终导致产量下降。为解决这些问题，开发精准、高效、智能的设施温室测控系统尤为迫切。

随着现代信息技术在农业领域的广泛应用，国内外学者在设施温室环境测控领域开展了大量研究［4-6］。在设施温室环境监测方面，程力［7］开发了一种基于物联网的温室环境参数实时监测系统。M Marcu［8］等研发了农业智能物联网系统，对农业环境进行实时智能监测。在设施温室环境调控方面，李胜利［9］通过实验确定了夏季番茄苗期最适宜的环境调控范围，为温室环境调控提供了依据。陆万荣［10］和高立婷［11］则利用计算机控制技术，构建了温室PID 控制模型。除了传统的控制方法，智能优化算法也被引入到温室环境调控中，李师［12］利用智能优化算法结合PID 控制器构建温室环境调控模型，提高了控制精度，在一定程度上解决了传统PID 算法在温室控制中自适应能力差的问题。Manonmani A［13］等利用神经网络算法对温室环境建模，并对环境进行智能调控。Guesbaya M［14］对温室系统的温湿度进行分析，利用PSO 算法的全局优化能力，对PID 控制器参数进行了优化，实现了温室温湿度的调控，但存在一定的滞后性。杜太行［15］等提出基于模型预测的温度优化控制方法，实现了对温室温度的预测控制。

虽然对设施温室环境测控领域的研究已取得较大进展，但在设施温室环境测控过程中依旧存在测控精度低、参数超调严重等问题。针对这些问题，本文拟研发设施温室物联网智能测控系统，构建基于精准预测的智能控制模型，旨在通过预测主要环境指标优化智能调控策略，实现对设施温室环境全面、透彻感知和智能、精准调控，以期为设施温室环境调控提供一种解决方案。

1 设施温室物联网智能测控系统架构

1.1 设施温室环境测控系统总体设计

当前，物联网技术展现出快速发展势头，其体系结构因应用场景和具体需求的变化呈现出多种形态。研究综合考虑温室环境数据全面感知，数据可靠传输、存储及设备智能调控等功能需求，最终优选了功能划分明确、扩展性强的六层体系结构。系统的总体架构如图1 所示。“六域”结构的具体组成如下：

用户域（User Domain，UD），是不同类型物联网用户和用户系统的实体集合。本系统的用户域主要包括系统管理员、现场工作人员、农业专家及政府人员和用户系统组成。

目标对象域（Target Object Domain，TOD），是物联网用户期望获取相关信息或执行相关操控的对象实体集合，包括感知对象和控制对象。感知对象是用于获取设施温室内环境参数的设备集合，主要包括温度传感器、湿度传感器、光照传感器和土壤湿度传感器等。控制对象则是用于执行环境调控任务的设备集合，包括通风设备、补光设备等。

感知控制域（Sensing Control Domain，SCD），是各类获取感知对象信息与操控控制对象的软硬件系统的实体集合。本系统的感知控制域主要包括物联网网关、传感器网络系统、视频信息采集系统和智能控制系统等。

服务提供域（Service Delivery Domain，SDD），是实现物联网基础服务和业务服务的软硬件系统的实体集合。本系统的服务提供域主要包括数据服务系统、上位机系统、APP 系统和大数据平台系统等。

运维管控域（Operation Management Domain，OMD），是实现物联网运行维护和法规符合性监管的软硬件系统的实体集合。

资源交换域（Resource Interchange Domain，RID），是实现物联网系统与外部系统间信息资源的共享与交换，以及实现物联网系统信息和服务集中交易的软硬件系统的实体集合。

1.2 系统核心模块设计

主控模块作为系统的核心，主要包括中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出（I/O）接口电路以及其他功能模块。德州仪器公司的MSP430 系列处理器具有低功耗、性能稳定和扩展性强等优势，综合考虑性能和成本，研究选择了MSP430F5438A作为核心主控模块。对比结果如表1所示。