摘 要： 針對溫室環(huán)境調(diào)控中手動控制和閾值條件調(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)境預測的精準調(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)計感知、通信等功能模塊。其次，構(gòu)建SSA-LSTM預測模型實現(xiàn)對溫室環(huán)境的精準預測，并根據(jù)模型預測結(jié)果確定環(huán)境調(diào)控策略，通過PSO-PID 控制模型實現(xiàn)對溫室風口電機的精準控制。實驗結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)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(tǒng)PID 模型，PSOPID控制模型的超調(diào)量降低89.99%，調(diào)節(jié)時間降低59.85%。系統(tǒng)經(jīng)過實地部署驗證，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)的有效實用性。

關(guān)鍵詞： 溫度預測；控制模型；農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；溫室環(huán)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(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發(fā)育狀況［1-3］。當前設(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)嚴重等問題，導致溫室環(huán)境時常產(chǎn)生波動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，影響其正常生長發(fā)育，最終導致產(chǎn)量下降。為解決這些問題，開發(fā)精準、高效、智能的設(shè)施溫室測控系統(tǒng)尤為迫切。

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的廣泛應用，國內(nèi)外學者在設(shè)施溫室環(huán)境測控領(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)實時監(jiān)測系統(tǒng)。M Marcu［8］等研發(fā)了農(nóng)業(yè)智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，對農(nóng)業(yè)環(huán)境進行實時智能監(jiān)測。在設(shè)施溫室環(huán)境調(diào)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(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］則利用計算機控制技術(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能力差的問題。Manonmani A［13］等利用神經(jīng)網(wǎng)絡算法對溫室環(huán)境建模，并對環(huán)境進行智能調(diào)控。Guesbaya M［14］對溫室系統(tǒng)的溫濕度進行分析，利用PSO 算法的全局優(yōu)化能力，對PID 控制器參數(shù)進行了優(yōu)化，實現(xiàn)了溫室溫濕度的調(diào)控，但存在一定的滯后性。杜太行［15］等提出基于模型預測的溫度優(yōu)化控制方法，實現(xiàn)了對溫室溫度的預測控制。

雖然對設(shè)施溫室環(huán)境測控領(lǐng)域的研究已取得較大進展，但在設(shè)施溫室環(huán)境測控過程中依舊存在測控精度低、參數(shù)超調(diào)嚴重等問題。針對這些問題，本文擬研發(fā)設(shè)施溫室物聯(lián)網(wǎng)智能測控系統(tǒng)，構(gòu)建基于精準預測的智能控制模型，旨在通過預測主要環(huán)境指標優(yōu)化智能調(diào)控策略，實現(xiàn)對設(shè)施溫室環(huán)境全面、透徹感知和智能、精準調(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)智能測控系統(tǒng)架構(gòu)

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

當前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)展現(xiàn)出快速發(fā)展勢頭，其體系結(jié)構(gòu)因應用場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、擴展性強的六層體系結(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)的實體集合。本系統(tǒng)的用戶域主要包括系統(tǒng)管理員、現(xiàn)場工作人員、農(nóng)業(yè)專家及政府人員和用戶系統(tǒng)組成。

目標對象域（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(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ο髣t是用于執(zhí)行環(huán)境調(diào)控任務的設(shè)備集合，包括通風設(shè)備、補光設(shè)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(tǒng)的實體集合。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)絡系統(tǒng)、視頻信息采集系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)等。

服務提供域（Service Delivery Domain，SDD），是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)服務和業(yè)務服務的軟硬件系統(tǒng)的實體集合。本系統(tǒng)的服務提供域主要包括數(shù)據(jù)服務系統(tǒng)、上位機系統(tǒng)、APP 系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)平臺系統(tǒng)等。

運維管控域（Operation Management Domain，OMD），是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)運行維護和法規(guī)符合性監(jiān)管的軟硬件系統(tǒng)的實體集合。

資源交換域（Resource Interchange Domain，RID），是實現(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，以及實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)信息和服務集中交易的軟硬件系統(tǒng)的實體集合。

1.2 系統(tǒng)核心模塊設(shè)計

主控模塊作為系統(tǒng)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(wěn)定和擴展性強等優(yōu)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(jié)果如表1所示。