日光溫室內環(huán)境科學數據監(jiān)測傳感器的布設

彭秀媛 白冰 王楓 周國民

摘要：從傳感監(jiān)測數據準確性的角度，研究日光溫室內環(huán)境科學數據監(jiān)測傳感器布設位置。以溫度為例，在遼寧省冬茬西紅柿種植日光溫室內進行試驗，將作物、環(huán)境、監(jiān)控設備作為整體考慮，采用農業(yè)環(huán)境監(jiān)控設備在日光溫室內多點（M1～M11）測量空氣溫度。通過對數據的整體分析，并依據數據特點采用最佳平方逼近最小二乘法計算，研究現有生產方式下，日光溫室內哪個位置的傳感數據能夠代表日光溫室內溫度的整體情況。結果表明，日光溫室種植區(qū)域的中心點（監(jiān)測點M6）及附近區(qū)域的溫度最能代表日光溫室內溫度的整體情況，該區(qū)域即為溫度傳感器的最佳布設區(qū)域。該結論為日光溫室內溫度數據監(jiān)測的準確性提供了理論支撐，也為日光溫室內其他環(huán)境監(jiān)測傳感器布設研究提供了思路。

關鍵詞：日光溫室；環(huán)境科學數據；溫度傳感器；布設區(qū)域；最佳平方逼近最小二乘法

中圖分類號： TP212.9文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）10-0167-03

農業(yè)物聯網是新一代信息技術在農業(yè)領域的高度集成和綜合運用[1]。近些年來，美國、歐洲的一些發(fā)達國家相繼開展了農業(yè)物聯網應用示范研究，實現了物聯網技術在農業(yè)生產、經營、管理、服務等階段“人-機-物”信息交互與精準農業(yè)的實踐與推廣[2-5]。我國農業(yè)物聯網技術應用總體處于試驗示范階段，中國農業(yè)大學、國家農業(yè)工程技術研究中心、中國農業(yè)科學院信息研究所等科研機構及相關學者近些年開展了較多的應用研究，在設施農業(yè)、大田作物、果園等方面形成了典型的應用示范案例[1]，而實際推廣應用則較多集中在設施農業(yè)環(huán)境監(jiān)測與控制方面。雖然農業(yè)環(huán)境監(jiān)控設備已經被廣泛應用，但實際生產中的完全自動控制、監(jiān)測數據的再利用等卻很少，重要的原因是監(jiān)測數據的準確性不能保證，導致基于該數據的指導與決策沒有實際可操作性及意義，也反過來阻礙了該應用模式的發(fā)展。

筆者總結多年推廣實踐認為，日光溫室生產環(huán)境科學數據測量的準確性主要受以下因素影響：傳感器的精度、靈敏度、分辨率；接收傳感器數據監(jiān)測設備的硬件設計及軟件部分對監(jiān)測數據的處理；監(jiān)測傳感器的布設。前2點可以通過傳感器的選型、監(jiān)控設備的設計、生產工藝進行保證。在傳感器布設方面，經文獻調研，已有眾多研究者從無線傳感器網絡覆蓋角度，研究了傳感節(jié)點在農田環(huán)境中的部署策略和方法[6-8]。但在設施農業(yè)生產中，少有從傳感監(jiān)測數據準確性角度研究傳感器布設，實際應用中傳感器布設主要根據安裝人員的想法和經驗。傳感器監(jiān)測的數據是智慧農業(yè)的最底層，也是最重要的一層，它的準確性是對它進行控制的基礎，并直接影響上層模型建設及進一步決策等的準確性。特別是日光溫室由于其結構特性，使得它本身具有環(huán)境不均勻性。因此，研究日光溫室中環(huán)境科學數據監(jiān)測傳感器布設十分有必要。

在研究日光溫室微生態(tài)環(huán)境變化的過程中，光照度、氣溫、濕度、CO2濃度、水分含量等溫室環(huán)境因子中溫度、濕度對作物生育的影響最顯著[9]。溫度、濕度具有耦合關系，因此本試驗以溫度為例，將作物、環(huán)境、監(jiān)控設備作為整體考慮，研究現有生產方式下，日光溫室內哪個位置的傳感數據能夠代表日光溫室內溫度的整體情況。該方面的研究并沒有相關先驗知識的指導，因此針對此問題，筆者在遼寧省農業(yè)科學院的一個日光溫室內進行實地試驗，采用遼寧省農業(yè)科學院自主研發(fā)的農業(yè)環(huán)境監(jiān)控設備在日光溫室內多點測量空氣溫度，通過對監(jiān)測數據的分析，以期發(fā)現空氣溫度傳感器的最佳布設位置，為日光溫室內空氣溫度傳感器的布設提供理論支持。

1材料與方法

1.1試驗的日光溫室

選取遼寧省農業(yè)科學院專門用于測試信息化設備的日光溫室進行實地試驗，試驗溫室規(guī)格為45 m×9 m，主栽品種為西紅柿，采用基質栽培方式，行間距為1.1 m，溫室內降溫設備為放風電機、風機、水簾，降濕設備為放風電機。溫室內升溫設備為太陽能暖氣、電暖氣（備用設備）。試驗時間為2015年9月24日至2016年2月8日。覆蓋冬茬西紅柿開花坐果期和結果期，其中幼苗期為2015年8月10日至9月30日，開花坐果期為2015年10月1至20日，結果期為2015年10月21日至2016年1月28日。

1.2試驗方法

本試驗采取采樣點的方式測量日光溫室生產區(qū)域的空氣溫度。選取水平位置一致的11個典型位置點進行測量（圖1），以發(fā)現11個位置空氣溫度的差異以及日光溫室內哪個位置監(jiān)測點的數據能夠代表日光溫室環(huán)境的整體情況。考慮溫室內作物的生長，11個監(jiān)測點高度始終位于11株被測試位置西紅柿植株平均高度之上10 cm的位置，隨著西紅柿的生長進行調整，最高距地面1.9 m。

1.3試驗材料

采用遼寧省農業(yè)科學院信息中心自主研發(fā)的農業(yè)環(huán)境監(jiān)控器（WM2500型）在日光溫室內多點測量空氣溫度，監(jiān)測方案見圖2。農業(yè)環(huán)境監(jiān)控器在元器件篩選（靜態(tài)篩選、高低溫篩選、性能篩選等）、基準電壓配置[10]、傳感器選型、溫濕度的線性度[11]、傳感器重復度方面進行了大量工作，保證設備的準確性，適用溫度范圍為-10～50 ℃。選用DS18B20溫度傳

感器，其精度高達0.01 ℃，滿足農業(yè)應用需求。

[FL（2K2]2結果與分析

在生產過程中影響溫室內空氣溫度值的操作有2種：（1）放風設備根據溫度值自動放風，設置最低閾值28 ℃、最高閾值30 ℃，當溫度高于最高閾值，則開啟放風設備，當溫度低于最低閾值，則關閉放風設備；（2）人工根據溫室內的濕度進行放風操作，操作時間一般為一天中11：00—12：00的時間段。

2.1數據準備

通過對數據以天（d）為單位進行曲線走勢分析，歸納得出1 d的溫度變化可以分為3個時間段：00：00—09：00、09：00—14：00、14：00—24：00。其中00：00—09：00時間段為溫度上升階段，趨勢近似一次函數且變化緩慢；14：00—24：00時間段為溫度下降階段，趨勢近似一次函數且變化緩慢；09：00—14：00 時間段近似二次函數，曲線或為單峰或為雙峰，當人工放風操作時曲線為雙峰。

本研究不考慮波動平緩的一次曲線部分，著重考慮二次曲線部分，且不考慮人工放風操作對監(jiān)測點及二次曲線的影響，將此時間段看成開口向下的二次曲線函數，選取在12：00時間達到溫度峰值，由于主要是為了研究升溫的趨勢，因此09：00—12：00為重點研究時間段，同時在溫度下降趨勢階段選擇1個點作為校正，因此選擇09：03、10：03、11：03、14：03這4個時間點的監(jiān)測值。為了減少外溫、光照等因素對試驗結果的影響，選取較近日期的數據進行分析。綜上，選取本研究數據對象為：M1～M11共11個監(jiān)測點連續(xù)6日（2015年10月15、16、17、18、19、20日）分別在09：03、10：03、11：03、14：03這4個時間點的平均溫度數據。將數據按以下原則進行標準化：以12：03時作為x軸（即時間軸）0點，則09：03、10：03、11：03、14：03時在時間軸坐標分別為-3、-2、-1、2；以 11：03 時平均溫度作為y軸（即溫度軸）0點，則其他時間的平均溫度相對于11：03時平均溫度取值（表1）。

2.2最佳平方逼近最小二乘法[12]

由于溫度的變化近似二次曲線，所以設y=ax2+c，而（[CM（25*5]Ax，Ay）、（By，By）、（Cx，Cy）、（Dx，Dy）為每個監(jiān)測點用來擬

2.3分析結果

采用上述方法擬合出11條二次曲線（表2），對a值進行觀察得出監(jiān)測點M1的a值與其余監(jiān)測點差別較大，可能由于監(jiān)測點M1位于溫室門附近，因此其溫度受室外溫度以及溫室內種植活動影響較大，因此剔除監(jiān)測點M1數據。

取N=10，j=2，3，…，11，由公式（4）、公式（5）分別得出 M2～M11的Tj、T[TX-]值，最后由公式（6）得出a[TX-*5]值為-0.437，將a[TX-*5]與aj值取正，通過比對得出與a[TX-*5]最相近的曲線a值對應監(jiān)測點M6（圖3），該點位于溫室種植區(qū)域的中心點，該點及附近點最能代表溫室整體溫度情況，即溫度傳感器的最佳布設區(qū)域。

3結論與討論

農業(yè)物聯網感、傳、智、用、運、管六大環(huán)節(jié)的首要就是感，其要求是準確感知。因此，筆者以實踐過程中存在的問題為導向，開展日光溫室生產環(huán)境溫度數據監(jiān)測傳感器布設研究。通過在遼寧省農業(yè)科學院日光溫室內進行溫度數據監(jiān)測試驗[CM（25]、數據整體分析以及依據數據特點對其進行最佳平方逼近

最小二乘法計算，得出以下結論：（1）冬茬種植中，監(jiān)測點M1位于門附近，其溫度數據受室外溫度以及溫室內種植活動影響較大，導致該點溫度偏低；（2）由于溫室左側近半被太陽能升溫設備部分遮擋，造成試驗對稱監(jiān)測點溫差相差3～5 ℃，可能對結論的精確度有影響；（3）監(jiān)測點M6的擬合二次曲線a值與總體加權平均后的a[TX-*5]極其接近。

綜上得出，日光溫室種植區(qū)域的中心點（監(jiān)測點M6）及附近的溫度最能代表日光溫室內溫度的整體情況，該區(qū)域即為溫度傳感器的最佳布設區(qū)域。該結論為日光溫室內環(huán)境數據監(jiān)測的準確性提供了理論支撐，奠定了農業(yè)環(huán)境監(jiān)控設備“自動化-智能化-智慧化”遞進過程的基礎。該試驗也為日光溫室內其他環(huán)境監(jiān)控傳感器布設研究提供了思路。本研究下一步將采用更為通用的日光溫室，進行具有耦合性的多環(huán)境參數數據監(jiān)測，采用回歸方法進行分析，得出更精準的結論，并進一步驗證此次試驗結論。

參考文獻：

[1]葛文杰，趙春江. 農業(yè)物聯網研究與應用現狀及發(fā)展對策研究[J]. 農業(yè)機械學報，2014，45（7）：222-230.

[2]Commission of the European Communities. Internet of things-an action plan for Europe[R]. Brussels：Commission of the European Communities，2009.

[3]Bowman K D. Longevity of radio frequency identification device microchips in citrus trees[J]. Hortscienc，2010，45（3）：451-452.

[4]Hwang J，Shin C，Yoe H. Study on an agricultural environment monitoring server system using wireless sensor networks[J]. Sensors，2010，10（12）：11189-11211.

[5]Park D H，Park J W. Wireless sensor network-based greenhouse environment monitoring and automatic control system for dew condensation prevention [J]. Sensors，2011，11（4）：3640-3651.

[6]孫玉文，沈明霞，周良，等. 農田無線傳感器網絡的節(jié)點部署仿真與實現[J]. 農業(yè)工程學報，2010，26（8）：211-215.

[7]郭秀明，趙春江，楊信廷，等. 基于網格掃描的實現目標點覆蓋的確定性傳感器節(jié)點部署方法[J]. 傳感技術學報，2012，25（1）：104-109.

[8]劉卉，孟志軍，徐敏，等. 基于規(guī)則網格的農田環(huán)境監(jiān)測傳感器節(jié)點部署方法[J]. 農業(yè)工程學報，2011，27（8）：265-270.

[9]賈炳彥，張文煥，王雙喜，等. 日光大棚溫室中溫濕度控制器的研究[J]. 山西農業(yè)大學學報（自然科學版），2008，28（2）：216-219.

[10]張惠國，王曉玲，唐玉蘭，等. 一種用于FPGA配置的抗干擾維持電路[J]. 電子學報，2011，39（5）：1169-1173.

[11]梁志國，成志堯. 靜態(tài)測量系統(tǒng)線性度與溫度的模型化補償方法[J]. 計量學報，2001，22（4）：259-263.

[12]黃明游，馮果忱. 數值分析（下冊）[M]. 北京：高等教育出版社，2008：131-138.

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