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摘 要： 摘 要： 通過(guò)研究日光溫室溫度多節(jié)點(diǎn)大系統(tǒng)的識(shí)別采集和處理過(guò)程，提出了日光溫室復(fù)雜大系統(tǒng)智能物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和存在的問(wèn)題。 針對(duì)占用帶寬、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延特性、丟包率以及功耗等 4 個(gè)方面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)承受能力進(jìn)行了參數(shù)數(shù)學(xué)建模，并運(yùn)用 MCU 信號(hào)放大系統(tǒng)和信號(hào)傳
摘 要： 通過(guò)研究日光溫室溫度多節(jié)點(diǎn)大系統(tǒng)的識(shí)別采集和處理過(guò)程，提出了日光溫室復(fù)雜大系統(tǒng)智能物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和存在的問(wèn)題。 針對(duì)占用帶寬、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延特性、丟包率以及功耗等 4 個(gè)方面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)承受能力進(jìn)行了參數(shù)數(shù)學(xué)建模，并運(yùn)用 MCU 信號(hào)放大系統(tǒng)和信號(hào)傳感器聯(lián)合控制日光溫室的溫度效應(yīng)，最終發(fā)現(xiàn)智能大系統(tǒng)的占用帶寬達(dá)到 35 kB，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延最高達(dá)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(fù)雜程度高。
關(guān)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(hào)放大系統(tǒng); 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延特性; 丟包率
0 引言
隨著農(nóng)村勞動(dòng)力的轉(zhuǎn)移，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動(dòng)力越來(lái)越少，因此實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化是解決農(nóng)村糧食生產(chǎn)問(wèn)題的必由之路。 農(nóng)作物的種植一般屬于大面積種植，實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)化控制必須依賴(lài)于大系統(tǒng)控制。 本文針對(duì)日光溫室的建設(shè)、生物信息采集以及溫度調(diào)控，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)復(fù)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(fù)雜大系統(tǒng)智能控制以及日光溫室的特點(diǎn)，提出了日光溫室智能調(diào)控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路;然后，對(duì)于信息的識(shí)別采集和傳輸進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模;最后，對(duì)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(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展提供了理論參考和現(xiàn)實(shí)依據(jù)。
1 農(nóng)業(yè)復(fù)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(guò)程都實(shí)現(xiàn)了機(jī)械自動(dòng)化，并且在農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中也實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)施肥精準(zhǔn)滴灌等現(xiàn)代化農(nóng)作物生產(chǎn)技術(shù)手段。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是早先提出的一種識(shí)別物品的管理方法，通過(guò)射頻來(lái)識(shí)別物品的條碼等數(shù)字化信息，并且將設(shè)備進(jìn)行局部聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)物品的自動(dòng)化識(shí)別和管理。 近年來(lái)，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(kāi)始進(jìn)行嘗試。 日光溫室是我國(guó)特有的溫室結(jié)構(gòu)形式，具有造價(jià)低、節(jié)約能源和經(jīng)濟(jì)效益良好的特點(diǎn)。
如果日光溫室能夠進(jìn)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(dòng)控制中的閉環(huán)控制，其特點(diǎn)在于系統(tǒng)的自我協(xié)同性和自我調(diào)控性。 在無(wú)人工干預(yù)的情況下，系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別日光溫室溫度，并通過(guò)信息處理自動(dòng)調(diào)整日光溫室溫度。 這種農(nóng)業(yè)智能系統(tǒng)離不開(kāi)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持，在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上農(nóng)業(yè)信息和智能調(diào)控進(jìn)行雙向流動(dòng)，才能達(dá)到智能培育農(nóng)作物的效果。 本文對(duì)于日光溫室設(shè)計(jì)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(diǎn)介紹。 信息處理系統(tǒng)中主要包括信息的自動(dòng)化處理以及人工干預(yù)等行為。 信息進(jìn)行處理后(如日光溫室的溫度信息)，信息將預(yù)設(shè)溫度和輸入溫度進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)控，溫度調(diào)控過(guò)程中每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的傳感器會(huì)實(shí)時(shí)將溫度進(jìn)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(fù)雜大系統(tǒng)智能控制物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)形式
日光溫室復(fù)雜大系統(tǒng)智能控制物聯(lián)網(wǎng)的架設(shè)主要與物聯(lián)網(wǎng) 4 方面的特性有關(guān)。 本文主要針對(duì)占用帶寬、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延特性、丟包率以及功耗等 4 個(gè)方面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)承受能力進(jìn)行了參數(shù)數(shù)學(xué)建模。
要實(shí)現(xiàn)日光溫室復(fù)雜大系統(tǒng)的智能化自動(dòng)控制，最主要的是生物信息以及溫度信息的采集過(guò)程。 本文運(yùn)用敏感性較強(qiáng)的熱敏電阻對(duì)溫度實(shí)時(shí)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(hào)發(fā)射方式的能耗趨勢(shì)大致相同，但是能耗功率具體數(shù)值有所不同。將信號(hào)逐漸放大之后，通過(guò)測(cè)量得到信號(hào)放大倍數(shù)與通信距離之間的關(guān)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(shí)現(xiàn)的距離越長(zhǎng)，但是這種關(guān)系不是完全的線性關(guān)系。 本文通過(guò)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(guān)系。
3 試驗(yàn)研究
日光溫室復(fù)雜大系統(tǒng)智能控制物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制模式中最主要的是信號(hào)的采集處理與傳輸過(guò)程。 智能系統(tǒng)根據(jù)信號(hào)自動(dòng)進(jìn)行處理，處理之后通過(guò)繼電裝置做出自動(dòng)反應(yīng)，調(diào)控日光溫室的溫度，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖 6 所示。
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圖 6 中，電源信號(hào)自動(dòng)傳輸給 NRF 信號(hào)處理裝置和功率放大器，MCU 通過(guò)信號(hào)傳感器可以控制信號(hào)功率放大裝置，因此 MCU 可以控制信號(hào)無(wú)線傳輸模塊。將溫度信號(hào)傳輸給自動(dòng)控制模塊，自動(dòng)控制模塊根據(jù)預(yù)先設(shè)定的溫度判斷日光溫室內(nèi)的溫度是否達(dá)標(biāo)。如果溫度不達(dá)標(biāo)，則根據(jù)需要重新調(diào)整日光室的溫度，使溫度達(dá)到需要的模式。首先，設(shè)置硬件網(wǎng)絡(luò)設(shè)施能提供的最大網(wǎng)絡(luò)特性。 本文針對(duì)占用帶寬、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延特性、丟包率以及功耗等 4 個(gè)方面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)承受能力進(jìn)行了參數(shù)設(shè)置，如表 1 所示。
通過(guò)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)特性的實(shí)驗(yàn)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(fù)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(hù)，占用帶寬最大達(dá)到了 35kB。
時(shí)延特性示意圖如圖 8 所示。 由圖 8 可以看出：日光溫室復(fù)雜大系統(tǒng)智能控制農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)延特性要大于日光溫室局部農(nóng)業(yè)小物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)延特性，最大時(shí)延達(dá)到了 20s。
網(wǎng)絡(luò)丟包率示意圖如圖 9 所示。 由圖 9 可以看出：網(wǎng)絡(luò)丟包率日光溫室復(fù)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(dá) 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(dá)到 30mW。
4 結(jié)束語(yǔ)
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(guān)鍵技術(shù)。 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(shè)計(jì)流程圖;在第 2 部分結(jié)合信息采集和傳輸?shù)臄?shù)學(xué)模型特點(diǎn)分析了信息傳輸過(guò)程的內(nèi)部能耗和外部能耗特點(diǎn)，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)內(nèi)部放大能耗和外部放大能耗大體趨勢(shì)不同，但是數(shù)值不一樣，外部放大能耗最大可達(dá) 100mW，是內(nèi)部放大能耗的 3 倍左右;最后對(duì)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(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)所占帶寬最大可達(dá)30kB，最大時(shí)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(shè)計(jì)中應(yīng)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(guó)3， 孫欣杰2
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