發布時間：2022-05-13所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要： 通過研究日光溫室溫度多節點大系統的識別采集和處理過程，提出了日光溫室復雜大系統智能物聯網控制系統的關鍵技術和存在的問題。 針對占用帶寬、網絡時延特性、丟包率以及功耗等 4 個方面對物聯網承受能力進行了參數數學建模，并運用 MCU 信號放大系統和信號傳
摘 要： 通過研究日光溫室溫度多節點大系統的識別采集和處理過程，提出了日光溫室復雜大系統智能物聯網控制系統的關鍵技術和存在的問題。 針對占用帶寬、網絡時延特性、丟包率以及功耗等 4 個方面對物聯網承受能力進行了參數數學建模，并運用 MCU 信號放大系統和信號傳感器聯合控制日光溫室的溫度效應，最終發現智能大系統的占用帶寬達到 35 kB，網絡時延最高達到 20 s，丟包率最大為 2.5%，證明了智能大系統的物聯網特性要比局部小系統控制復雜程度高。
關鍵詞： 日光溫室; 大系統智能控制; 農業物聯網; MCU 信號放大系統; 網絡時延特性; 丟包率
0 引言
隨著農村勞動力的轉移，農業生產勞動力越來越少，因此實現農業現代化是解決農村糧食生產問題的必由之路。 農作物的種植一般屬于大面積種植，實現智能自動化控制必須依賴于大系統控制。 本文針對日光溫室的建設、生物信息采集以及溫度調控，運用物聯網技術對復雜大系統的智能控制做了深入研究。首先，結合農業復雜大系統智能控制以及日光溫室的特點，提出了日光溫室智能調控物聯網系統的設計思路;然后，對于信息的識別采集和傳輸進行了數學建模;最后，對日光溫室大系統智能控制的物聯網系統性能做了實驗研究，發現了系統存在的主要問題和關鍵技術瓶頸，為農業物聯網技術的發展提供了理論參考和現實依據。
1 農業復雜大系統智能控制介紹
目前，很多農作物的栽培和收割過程都實現了機械自動化，并且在農作物生長過程中也實現了精準施肥精準滴灌等現代化農作物生產技術手段。 物聯網技術是早先提出的一種識別物品的管理方法，通過射頻來識別物品的條碼等數字化信息，并且將設備進行局部聯網，實現物品的自動化識別和管理。 近年來，隨著農業信息化的發展，物聯網逐漸在農業生產中開始進行嘗試。 日光溫室是我國特有的溫室結構形式，具有造價低、節約能源和經濟效益良好的特點。
如果日光溫室能夠進行大系統智能調控，將大大節省人力資源，并且能夠提高農作物的生產效率。 智能大系統的控制屬于自動控制中的閉環控制，其特點在于系統的自我協同性和自我調控性。 在無人工干預的情況下，系統能夠自動識別日光溫室溫度，并通過信息處理自動調整日光溫室溫度。 這種農業智能系統離不開物聯網技術的支持，在物聯網基礎上農業信息和智能調控進行雙向流動，才能達到智能培育農作物的效果。 本文對于日光溫室設計的大體思路如圖 1 所示。
由圖 1 可以看出，日光溫室的智能化調控系統主要由信息采集系統、信息處理系統以及執行系統組成。 其中，信息采集系統在后文中做重點介紹。 信息處理系統中主要包括信息的自動化處理以及人工干預等行為。 信息進行處理后(如日光溫室的溫度信息)，信息將預設溫度和輸入溫度進行對比，通過執行機構對溫度進行調控，溫度調控過程中每個節點上的傳感器會實時將溫度進行反饋，最后將日光溫室的溫度調整在合適的溫度范圍之內。
2 日光溫室復雜大系統智能控制物聯網實現形式
日光溫室復雜大系統智能控制物聯網的架設主要與物聯網 4 方面的特性有關。 本文主要針對占用帶寬、網絡時延特性、丟包率以及功耗等 4 個方面對物聯網承受能力進行了參數數學建模。
要實現日光溫室復雜大系統的智能化自動控制，最主要的是生物信息以及溫度信息的采集過程。 本文運用敏感性較強的熱敏電阻對溫度實時監控，控制的模型示意圖如圖 2 所示。
由圖 3 和圖 4 可以看出，兩種信號發射方式的能耗趨勢大致相同，但是能耗功率具體數值有所不同。將信號逐漸放大之后，通過測量得到信號放大倍數與通信距離之間的關系如圖 5 所示。
從圖 5 可以看出，信息放大的倍數越高，通信距離可以實現的距離越長，但是這種關系不是完全的線性關系。 本文通過量化處理，將放大倍數和通信距離量化處理成近似的正比例關系。
3 試驗研究
日光溫室復雜大系統智能控制物聯網網絡控制模式中最主要的是信號的采集處理與傳輸過程。 智能系統根據信號自動進行處理，處理之后通過繼電裝置做出自動反應，調控日光溫室的溫度，具體實現過程如圖 6 所示。
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圖 6 中，電源信號自動傳輸給 NRF 信號處理裝置和功率放大器，MCU 通過信號傳感器可以控制信號功率放大裝置，因此 MCU 可以控制信號無線傳輸模塊。將溫度信號傳輸給自動控制模塊，自動控制模塊根據預先設定的溫度判斷日光溫室內的溫度是否達標。如果溫度不達標，則根據需要重新調整日光室的溫度，使溫度達到需要的模式。首先，設置硬件網絡設施能提供的最大網絡特性。 本文針對占用帶寬、網絡時延特性、丟包率以及功耗等 4 個方面對物聯網承受能力進行了參數設置，如表 1 所示。
通過對物聯網特性的實驗得到了一系列的物聯網特性數據，物聯網占用帶寬示意圖如圖 7 所示。 由圖 7可以看出：日光溫室復雜大系統智能控制農業物聯網所占用的帶寬要大于日光溫室局部農業小物聯網的維護，占用帶寬最大達到了 35kB。
時延特性示意圖如圖 8 所示。 由圖 8 可以看出：日光溫室復雜大系統智能控制農業物聯網的時延特性要大于日光溫室局部農業小物聯網的時延特性，最大時延達到了 20s。
網絡丟包率示意圖如圖 9 所示。 由圖 9 可以看出：網絡丟包率日光溫室復雜大系統智能控制農業物聯網也要高于日光溫室局部農業物聯網，最大丟包率可達 2.5%。
物聯網能耗示意圖如圖 10 所示。 由圖 10 可以看出：日光溫室大系統農業物聯網由于采用智能控制系統，因此它與日光溫室小物聯網的能耗比較接近，最大都達到 30mW。
4 結束語
本文主要研究了日光溫室大系統智能控制的物聯網特性以及關鍵技術。 文中第 1 部分結合智能控制以及物聯網特性給出了日光溫室大系統智能控制系統的設計流程圖;在第 2 部分結合信息采集和傳輸的數學模型特點分析了信息傳輸過程的內部能耗和外部能耗特點，通過分析發現內部放大能耗和外部放大能耗大體趨勢不同，但是數值不一樣，外部放大能耗最大可達 100mW，是內部放大能耗的 3 倍左右;最后對日光溫室大系統智能控制物聯網系統的特性做了實驗研究，通過實驗發現物聯網所占帶寬最大可達30kB，最大時延特性為 20s，最大丟包率為 2.5%，最大能耗為 30mW，比普通的局部控制系統都要大，因此在大系統智能控制設計中應該綜合考慮這些因素，保證系統的可靠性和穩定性。——論文作者：趙同林1， 劉志剛2， 徐偉恒1， 林 宏1， 林衛國3， 孫欣杰2
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