發(fā)布時間：2022-05-13所屬分類：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要： 通過研究日光溫室溫度多節(jié)點大系統(tǒng)的識別采集和處理過程，提出了日光溫室復雜大系統(tǒng)智能物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的關鍵技術和存在的問題。 針對占用帶寬、網(wǎng)絡時延特性、丟包率以及功耗等 4 個方面對物聯(lián)網(wǎng)承受能力進行了參數(shù)數(shù)學建模，并運用 MCU 信號放大系統(tǒng)和信號傳
摘 要： 通過研究日光溫室溫度多節(jié)點大系統(tǒng)的識別采集和處理過程，提出了日光溫室復雜大系統(tǒng)智能物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的關鍵技術和存在的問題。 針對占用帶寬、網(wǎng)絡時延特性、丟包率以及功耗等 4 個方面對物聯(lián)網(wǎng)承受能力進行了參數(shù)數(shù)學建模，并運用 MCU 信號放大系統(tǒng)和信號傳感器聯(lián)合控制日光溫室的溫度效應，最終發(fā)現(xiàn)智能大系統(tǒng)的占用帶寬達到 35 kB，網(wǎng)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(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)特性要比局部小系統(tǒng)控制復雜程度高。
關鍵詞： 日光溫室; 大系統(tǒng)智能控制; 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng); MCU 信號放大系統(tǒng); 網(wǎng)絡時延特性; 丟包率
0 引言
隨著農(nóng)村勞動力的轉(zhuǎn)移，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動力越來越少，因此實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化是解決農(nóng)村糧食生產(chǎn)問題的必由之路。 農(nóng)作物的種植一般屬于大面積種植，實現(xiàn)智能自動化控制必須依賴于大系統(tǒng)控制。 本文針對日光溫室的建設、生物信息采集以及溫度調(diào)控，運用物聯(lián)網(wǎng)技術對復雜大系統(tǒng)的智能控制做了深入研究。首先，結(jié)合農(nóng)業(yè)復雜大系統(tǒng)智能控制以及日光溫室的特點，提出了日光溫室智能調(diào)控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設計思路;然后，對于信息的識別采集和傳輸進行了數(shù)學建模;最后，對日光溫室大系統(tǒng)智能控制的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)性能做了實驗研究，發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)存在的主要問題和關鍵技術瓶頸，為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展提供了理論參考和現(xiàn)實依據(jù)。
1 農(nóng)業(yè)復雜大系統(tǒng)智能控制介紹
目前，很多農(nóng)作物的栽培和收割過程都實現(xiàn)了機械自動化，并且在農(nóng)作物生長過程中也實現(xiàn)了精準施肥精準滴灌等現(xiàn)代化農(nóng)作物生產(chǎn)技術手段。 物聯(lián)網(wǎng)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(shù)字化信息，并且將設備進行局部聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)物品的自動化識別和管理。 近年來，隨著農(nóng)業(yè)信息化的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)逐漸在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中開始進行嘗試。 日光溫室是我國特有的溫室結(jié)構(gòu)形式，具有造價低、節(jié)約能源和經(jīng)濟效益良好的特點。
如果日光溫室能夠進行大系統(tǒng)智能調(diào)控，將大大節(jié)省人力資源，并且能夠提高農(nóng)作物的生產(chǎn)效率。 智能大系統(tǒng)的控制屬于自動控制中的閉環(huán)控制，其特點在于系統(tǒng)的自我協(xié)同性和自我調(diào)控性。 在無人工干預的情況下，系統(tǒng)能夠自動識別日光溫室溫度，并通過信息處理自動調(diào)整日光溫室溫度。 這種農(nóng)業(yè)智能系統(tǒng)離不開物聯(lián)網(wǎng)技術的支持，在物聯(lián)網(wǎng)基礎上農(nóng)業(yè)信息和智能調(diào)控進行雙向流動，才能達到智能培育農(nóng)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(diào)控系統(tǒng)主要由信息采集系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)以及執(zhí)行系統(tǒng)組成。 其中，信息采集系統(tǒng)在后文中做重點介紹。 信息處理系統(tǒng)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(zhí)行機構(gòu)對溫度進行調(diào)控，溫度調(diào)控過程中每個節(jié)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(diào)整在合適的溫度范圍之內(nèi)。
2 日光溫室復雜大系統(tǒng)智能控制物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)形式
日光溫室復雜大系統(tǒng)智能控制物聯(lián)網(wǎng)的架設主要與物聯(lián)網(wǎng) 4 方面的特性有關。 本文主要針對占用帶寬、網(wǎng)絡時延特性、丟包率以及功耗等 4 個方面對物聯(lián)網(wǎng)承受能力進行了參數(shù)數(shù)學建模。
要實現(xiàn)日光溫室復雜大系統(tǒng)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(jiān)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(fā)射方式的能耗趨勢大致相同，但是能耗功率具體數(shù)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(shù)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(shù)越高，通信距離可以實現(xiàn)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(shù)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(tǒng)智能控制物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)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(tǒng)根據(jù)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(diào)控日光溫室的溫度，具體實現(xiàn)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(jù)預先設定的溫度判斷日光溫室內(nèi)的溫度是否達標。如果溫度不達標，則根據(jù)需要重新調(diào)整日光室的溫度，使溫度達到需要的模式。首先，設置硬件網(wǎng)絡設施能提供的最大網(wǎng)絡特性。 本文針對占用帶寬、網(wǎng)絡時延特性、丟包率以及功耗等 4 個方面對物聯(lián)網(wǎng)承受能力進行了參數(shù)設置，如表 1 所示。
通過對物聯(lián)網(wǎng)特性的實驗得到了一系列的物聯(lián)網(wǎng)特性數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)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(tǒng)智能控制農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)所占用的帶寬要大于日光溫室局部農(nóng)業(yè)小物聯(lián)網(wǎng)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(tǒng)智能控制農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的時延特性要大于日光溫室局部農(nóng)業(yè)小物聯(lián)網(wǎng)的時延特性，最大時延達到了 20s。
網(wǎng)絡丟包率示意圖如圖 9 所示。 由圖 9 可以看出：網(wǎng)絡丟包率日光溫室復雜大系統(tǒng)智能控制農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)也要高于日光溫室局部農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，最大丟包率可達 2.5%。
物聯(lián)網(wǎng)能耗示意圖如圖 10 所示。 由圖 10 可以看出：日光溫室大系統(tǒng)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)由于采用智能控制系統(tǒng)，因此它與日光溫室小物聯(lián)網(wǎng)的能耗比較接近，最大都達到 30mW。
4 結(jié)束語
本文主要研究了日光溫室大系統(tǒng)智能控制的物聯(lián)網(wǎng)特性以及關鍵技術。 文中第 1 部分結(jié)合智能控制以及物聯(lián)網(wǎng)特性給出了日光溫室大系統(tǒng)智能控制系統(tǒng)的設計流程圖;在第 2 部分結(jié)合信息采集和傳輸?shù)臄?shù)學模型特點分析了信息傳輸過程的內(nèi)部能耗和外部能耗特點，通過分析發(fā)現(xiàn)內(nèi)部放大能耗和外部放大能耗大體趨勢不同，但是數(shù)值不一樣，外部放大能耗最大可達 100mW，是內(nèi)部放大能耗的 3 倍左右;最后對日光溫室大系統(tǒng)智能控制物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的特性做了實驗研究，通過實驗發(fā)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)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(tǒng)都要大，因此在大系統(tǒng)智能控制設計中應該綜合考慮這些因素，保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。——論文作者：趙同林1， 劉志剛2， 徐偉恒1， 林 宏1， 林衛(wèi)國3， 孫欣杰2
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