北方番茄日光溫室溫度傳感器布設(shè)位置研究

于玉婷 ， 柳平增 ， 王秀麗 ， 張艷 *， 王珅 ， 宋成寶 ， 馬峰

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 泰安 271018； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部黃淮海智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)重點實驗室，山東 泰安 271018； 3.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)研究中心，山東 泰安 271018；4.德州市陵城區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山東 德州 235035）

設(shè)施蔬菜是一種高產(chǎn)、高效的農(nóng)業(yè)溫室生產(chǎn)方式，也是北方番茄種植的重要形式，其優(yōu)勢在于溫室內(nèi)部環(huán)境可控、不易受季節(jié)影響。其中溫室環(huán)境監(jiān)測是設(shè)施蔬菜發(fā)展的一項重要內(nèi)容[1-4]，目前日光溫室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測主要以布設(shè)固定監(jiān)測點為主，由于固定監(jiān)測點覆蓋范圍有限[5]，且缺乏科學(xué)的布設(shè)方案，造成溫室環(huán)境感知精準性差、資源浪費等問題，影響數(shù)字農(nóng)業(yè)精準化發(fā)展。

國內(nèi)外學(xué)者通過對溫室溫度變化進行探索，得到了溫室溫度場分布規(guī)律，為溫室傳感器布設(shè)提供了理論依據(jù)。為實現(xiàn)溫室傳感器的合理布局，宗哲英[6]研究了溫室內(nèi)環(huán)境時空變化參數(shù)，為作物種植、合理控制優(yōu)化溫室結(jié)構(gòu)提供了支持。趙建貴等[7]以番茄日光溫室為研究對象，采用濾波法對溫室內(nèi)不同位置、不同高度的環(huán)境數(shù)據(jù)進行分析，明確了華北地區(qū)日光溫室內(nèi)部環(huán)境參數(shù)的時空分布規(guī)律?？岛暝吹萚8]采用密集布設(shè)點的方式采集溫室內(nèi)豎截面的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過計算流體動力學(xué)（computational fluid dynamics , CFD）對典型天氣下日光溫室內(nèi)的溫度場和濕度場進行了有效分析。塔娜等[9]在溫室內(nèi)布設(shè)了多個空氣溫度傳感器，通過二維溫度場對溫室內(nèi)部環(huán)境進行了分析，揭示了北方日光溫室溫度場內(nèi)溫度分布特點。

基于溫度變化規(guī)律，以數(shù)據(jù)驅(qū)動為依據(jù)，國內(nèi)外學(xué)者對溫室內(nèi)傳感器布設(shè)位置進行了深入探索。為實現(xiàn)溫室不同區(qū)域的低成本、全面、精準的感知，侯加林等[10]設(shè)計了移動式溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。彭秀媛等[11]從傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性出發(fā)，采用最佳平方逼近最小二乘法研究了番茄溫室內(nèi)最具代表性的傳感器監(jiān)測位置。針對北方日光溫室內(nèi)傳感器布設(shè)問題，許可等[12]通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)融合的方法研究了番茄開花坐果期和結(jié)果期的溫室傳感器布設(shè)位置。王凡等[13]采用最小二乘法分析了溫室內(nèi)土壤水分傳感器的安放位置，為土壤水分傳感器埋設(shè)深度和寬度提供了參考。為確定監(jiān)測和控制溫室內(nèi)部環(huán)境的最佳監(jiān)測位置，Lee等[14]基于誤差傳感器布設(shè)和基于熵獲得設(shè)施溫室內(nèi)傳感器最佳安放位置。Tajnafoi等[15]通過變分高斯過程實現(xiàn)預(yù)測模型在線更新，利用貪心選擇算法從數(shù)值嵌入空間中定位，實現(xiàn)最優(yōu)空間定位。Romain等[16]采用深度學(xué)習(xí)算法對傳感器布局進行優(yōu)化，在技術(shù)上為傳感器尋優(yōu)布設(shè)提供了支撐。Cumbo等[17]研究了基于卡爾曼濾波的最優(yōu)傳感器配置方法，旨在從系統(tǒng)可觀角度上尋求最優(yōu)傳感器布設(shè)。

上述研究通過最小二乘法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、誤差法、深度學(xué)習(xí)等智能算法對溫室采集數(shù)據(jù)進行分析，但針對北方番茄不同生長時期的研究相對較少。番茄在我國大宗蔬菜中占有舉足輕重的地位，且具有良好的經(jīng)濟效益，我國番茄種植主要以設(shè)施溫室為主。番茄溫室中小氣候環(huán)境因子主要包括空氣溫度、空氣濕度、有效光輻射、CO2含量、土壤溫度和濕度等，番茄生長分為苗期、開花坐果期、結(jié)果期3個時期，各生長周期中空氣溫度、有效光輻射對番茄生長和發(fā)育影響顯著[18-19]，且溫室溫度與有效光輻射之間有極強的相關(guān)性[20]。因此，可將番茄、溫室、設(shè)備看作整體來研究溫度傳感器最佳布設(shè)位置。溫室溫度日變化曲線類似于開口向下的拋物線，但由于受到風(fēng)口開關(guān)及環(huán)境變化的影響多呈多峰狀態(tài)。

為探究科學(xué)的傳感器布設(shè)方案，促進精準農(nóng)業(yè)、數(shù)字農(nóng)業(yè)以及番茄產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，本研究在番茄不同生長時期選用多點布設(shè)，基于高斯（Gaussian）函數(shù)的多峰擬合法對北方番茄溫室溫度傳感器最佳布設(shè)位置進行研究,旨在為溫室環(huán)境精準監(jiān)測奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

日光溫室位于山東省泰安市山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)綜合實驗基地，溫室采用新型日光溫室建筑標準，東西長69.25 m，南北寬9.80 m，后墻高3.80 m，脊高5.00 m，設(shè)有上、下2個通風(fēng)口，下通風(fēng)口位于距地面0.60 m處，上通風(fēng)口位于溫室頂部，通風(fēng)口長度約1.30 m。番茄自2020年8月30日定植，10月1日起開花面積達80%以上進入開花坐果期，自10月19日起進入結(jié)果期，至2021年1月18日拉秧，整個生長周期共計141 d，其中苗期31 d，開花坐果期18 d，結(jié)果期92 d。番茄種植行距1.6 m，株距17.5 cm，自2020年12月25日開始采收，采收期共25 d，產(chǎn)量共計4 181.5 kg。

環(huán)境采集設(shè)備選用山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)研究中心自主研發(fā)的“神農(nóng)物聯(lián)Ⅳ”系統(tǒng)，其中選用DB171空氣溫度傳感器（大連北方測控工程有限公司）進行溫度監(jiān)測，其測量精度高、反應(yīng)靈敏，滿足農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境檢測需求。

1.2 試驗方法

1.2.1 傳感器布設(shè) 本研究以固定采樣點的方式布設(shè)了20個監(jiān)測點（N1~N20）對溫室溫度進行長期監(jiān)測，為保證所測數(shù)據(jù)能準確表征溫室環(huán)境狀態(tài)，將采樣點均勻布設(shè)于溫室內(nèi)，如圖1所示，利用采樣點對溫室進行了等分，番茄吊蔓鋼絲的最大高度為1.8 m，因此以0.6 m為基準對其進行三等分，在1.2 m處布設(shè)俯視平面上的各監(jiān)測點。

圖1 監(jiān)測點布設(shè)俯視圖Fig. 1 Top view of monitoring site layout

自左往右第3列（N13~N19）和第6列（N3~N9）的縱截面豎直方向的監(jiān)測點部署如圖2所示。由于后墻體高為3.8 m，溫室寬約為10 m,溫室前屋面呈弧形向下彎曲，因此以0.6 m為基準將溫室空間在豎直方向上分為6層，以2.5 m為基準將南北方向上分為4部分，將監(jiān)測點均勻布設(shè)于溫室側(cè)切面上[9]，實時監(jiān)測番茄溫室內(nèi)溫度變化情況。

圖2 監(jiān)測點布設(shè)側(cè)視圖Fig. 2 Side view of monitoring points

1.2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理 為提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和可靠性，利用Python對3個時期的室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)進行分析，并選用格拉布斯準則對番茄溫室數(shù)據(jù)進行預(yù)處理[21]。格拉布斯準則通過判斷所監(jiān)測數(shù)據(jù)的殘差值來判斷被檢測數(shù)據(jù)中異常值。該準則認為，當(dāng)檢測的殘差值較大時該值為異常值，被處理的數(shù)據(jù)需符合正態(tài)分布，將樣本數(shù)值設(shè)為x1,x2,x3,…,xn，從小到大排列順序為x(1),x(2),…,x(n)，統(tǒng)計臨界系數(shù)為g0(n,α)，其中α為顯著性水平，g1、gn計算公式如下。

1.2.3 基于最小二乘法的高斯多峰擬合 運用Origin 9.0對溫室溫度變化曲線進行了多峰擬合，選用高斯函數(shù)為目標函數(shù)，其表達式如下。

式中，y0表示基線，一般選擇函數(shù)曲線中出現(xiàn)的最小值；xc為峰中心；A為峰面積；w為峰的半高寬，每個高斯函數(shù)峰都由xc、A、w決定。yc為高斯峰高，σ為高斯分布的標準差，得w=2σ。

將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進行高斯多峰擬合，溫度變化曲線由多個高斯單峰進行疊加，對溫室溫度日變化曲線進行分析時，以基線（y0）、峰中心（xc）、峰面積（A）、峰的半高寬（w）為特征參數(shù)，建立擬合模型公式（4）。

式中，i為高斯峰個數(shù)的索引值（i=1,2,……,M），xci為第i個峰的峰中心，A為第i個峰的峰面積，同理wi為第i個峰的半高寬[22]。

選取番茄不同生長時期，以日為單位對溫室溫度變化趨勢進行分析，以5min為時間梯度，令(t=1，2，……，288)為 20 個溫室環(huán)境監(jiān)測點(N1，N2，……，N20)不同時間下的溫度平均值。

式中，Tni為第N監(jiān)測點第i個時間的溫度。

2 結(jié)果與分析

2.1 番茄各生長時期平均溫度分析

圖3所示為整個生長周期下日平均溫度的占比，苗期平均溫度主要集中在20~25 ℃之間，占苗期總時長的70%，開花坐果期溫度有50%以上時間位于15~20 ℃之間，結(jié)果期溫度有60%時間位于15~20 ℃之間，因此在番茄苗期隨機選取日平均溫度位于20~25 ℃之間的1 d數(shù)據(jù)，開花坐果期和結(jié)果期各選擇日均溫位于15~20 ℃之間的1 d數(shù)據(jù)進行后續(xù)分析。

圖3 番茄各生長周期平均溫度分布Fig. 3 Average temperature distribution of tomato in each growth cycle

2.2 擬合分析

以苗期為例，通過Origin 9.0對函數(shù)進行一階導(dǎo)數(shù)殘差尋找隱峰，選用Savitzky-Golay平滑方法去噪得到6個特征峰，即M=6。如圖4所示，第4 個峰波動最強面積最大，Ai＞0，Wi＞0 ，帶入公式（4）得到苗期表達方程。

圖4 溫度曲線尋峰Fig. 4 Peak search for temperature curve

溫度變化曲線與時間（x軸）形成的面積反映了擬合曲線的變化狀態(tài)，因此以高斯多峰擬合模型為依據(jù)，選取最接近溫室整體平均變化水平的溫度監(jiān)測點，并將此監(jiān)測點定義為本研究番茄不同生長時期中最佳監(jiān)測點。將溫室溫度日變化曲線積分所得面積定義如下。

當(dāng)Sj最接近時，則判定該監(jiān)測點最接近溫室平均水平，將日平均溫度的曲線變化面積與Sj做差得到ΔS，通過對比曲線積分面積差值的絕對值（|ΔS|）的大小，判定最接近溫室溫度平均變化水平的監(jiān)測點。

如表1所示，所得的基線（y0）及各峰中心（xci）、峰面積（Ai）、峰的半高寬（wi）（i=M）的相關(guān)性都達到極顯著水平，除A5在P＜0.01水平差異顯著外，其他都達到P＜0.001顯著水平。

表1 多峰擬合參數(shù)Table 1 Multi-peak fitting parameters

表1 多峰擬合參數(shù)Table 1 Multi-peak fitting parameters 續(xù)表 Continued

2.3 苗期溫室最佳監(jiān)測位置分析

依據(jù)番茄苗期平均溫度占比分析，選取2020年9月30日番茄苗期溫室環(huán)境數(shù)據(jù)進行高斯多峰擬合，如圖5所示。通過擬合分析，共得到1條原始溫度曲線、1條基線、6個峰值（分別是峰擬合1～6）和1條累計峰擬合曲線，得M=6。

圖5 苗期擬合效果Fig. 5 Seedling period fitting effect

2.2 開花坐果期溫室最佳監(jiān)測位置分析

開花坐果期選取2020年10月9日溫室數(shù)據(jù)對溫室溫度變化曲線進行高斯多峰擬合，由圖6可見，共擬合得到1條溫度曲線、1條基線、1條累積峰擬合曲線、4個峰擬合曲線，即得到4個峰值，因此M=4，日平均溫度決定系數(shù)（R2)為0.997，殘差平方和（SSE）為9.908，均方根誤差為0.240，擬合效果較理想，由公式（5）得積分面積=774.116。

圖6 開花坐果期擬合效果Fig. 6 Fitting effect diagram of flowering and fruit-setting period

表3為各監(jiān)測點所對應(yīng)的積分面積Si(i=1,2,…,20)、決定系數(shù)、殘差平方和以及Si(i=1,2,…,20)曲線積分面積與日平均溫度積分面積的絕對差|ΔS|，其中最小決定系數(shù)為0.992，最大殘差平方和為22.318,擬合效果較為理想，N15監(jiān)測點和N10監(jiān)測點面積的絕對差相對較小，因此，在番茄開花坐果期，N15和N10監(jiān)測點的溫度變化水平最接近溫室平均變化水平。

表3 開花坐果期溫度監(jiān)測點分析Table 3 Analysis of temperature monitoring points during flowering and fruit-setting period

表3 開花坐果期溫度監(jiān)測點分析Table 3 Analysis of temperature monitoring points during flowering and fruit-setting period 續(xù)表 Continued

2.3 結(jié)果期溫室最佳監(jiān)測位置分析

結(jié)果期選取2021年1月8日對番茄結(jié)果期內(nèi)溫室溫度數(shù)據(jù)進行分析，如圖7所示，擬合得到3個峰擬合曲線（峰擬合1~3），即M=3。經(jīng)計算得日平均溫度決定系數(shù)(R2)為 0.984，殘差平方和（SSE）為26.303，均方根誤差為0.553，積分面積=614.021,擬合效果較為理想。

圖7 結(jié)果期擬合效果Fig. 7 Fitting effect diagram during the fruiting period

表4 結(jié)果期溫度監(jiān)測點分析Table 4 Analysis of temperature monitoring points in fruiting period

2.4 傳感器監(jiān)測結(jié)果與位置分析

2.4.1 溫室中部對稱位置監(jiān)測結(jié)果分析 綜上所述，以泰安市典型番茄日光溫室為例，通過對溫室實測數(shù)據(jù)分析得，位于溫室中部監(jiān)測點所采集的數(shù)據(jù)最接近溫室整體平均溫度變化水平，位于風(fēng)口、門口及陰影帶附近的監(jiān)測點表現(xiàn)最不穩(wěn)定。表5為同一溫室相同時期下對稱位置監(jiān)測點所采集的溫度數(shù)據(jù)。

表5 對稱監(jiān)測點實測溫度數(shù)據(jù)Table 5 Measured data from symmetrical monitoring sites （℃）

苗期和開花坐果期的最佳監(jiān)測位置在N10和N15監(jiān)測點附近。N10位于溫室中部，N11與N10對稱排列，由于溫室外覆蓋保溫被白天會形成陰影帶，N11監(jiān)測點受到陰影帶的影響，相對于N10監(jiān)測點效果較不穩(wěn)定。結(jié)果期的最佳監(jiān)測位置在N3和N10監(jiān)測點附近，隨著溫室環(huán)境的變化及番茄植株的生長和發(fā)育，各監(jiān)測點也呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。

2.4.2 溫室端點監(jiān)測結(jié)果分析 如表6所示，番茄不同生長時期下，將溫室平均溫度、中部監(jiān)測點（N10）、兩端監(jiān)測點（N1、N20）、靠近風(fēng)口監(jiān)測點（N9、N19）進行了對比。N10監(jiān)測點所監(jiān)測的數(shù)據(jù)與溫室平均值最為接近；N1監(jiān)測點靠近溫室東墻，由于墻體具有蓄熱性故N1監(jiān)測點溫度普遍偏高；監(jiān)測點N20位于西側(cè)入口處，受溫室門開關(guān)影響較大，表現(xiàn)相對不穩(wěn)定；監(jiān)測點N9與N19靠近溫室上風(fēng)口，受到溫室熱壓效應(yīng)及室內(nèi)外環(huán)境變化的影響，變現(xiàn)較不穩(wěn)定與溫室平均溫度相差較大。

表6 溫室溫度監(jiān)測點實測數(shù)據(jù)Table 6 Measured data of greenhouse temperature monitoring points （℃）

為探尋最接近溫室整體變化水平的溫度監(jiān)測點，選定了番茄苗期、開花坐果期、結(jié)果期3個時期所得最佳監(jiān)測點的重復(fù)交叉位置（圖8），即N10監(jiān)測點及其附近區(qū)域作為北方番茄日光溫室最佳監(jiān)測區(qū)域，該區(qū)域位于溫室中部。

圖8 傳感器最佳布設(shè)區(qū)域Fig. 8 Optimal sensor layout area

3 討論

由于溫室內(nèi)溫度場分布具有不均衡性，溫室溫度變化不僅受到外界環(huán)境的影響，還會受溫室結(jié)構(gòu)、作物生長、傳感器選型的影響。本研究在選定溫室類型、作物種類后，選擇同一類型傳感器，進行不同位置的溫度監(jiān)測，極大縮小了誤差范圍。同一溫室對稱位置，相同類型傳感器采集到的數(shù)據(jù)也具有不同程度的差異（表5）。因此建議在番茄生長不同時期選擇最切合溫室整體平均變化水平的監(jiān)測點。

溫室內(nèi)環(huán)境因子之間具有較強的耦合性和遲滯性，本文針對山東泰安地區(qū)日光溫室內(nèi)的溫度傳感器布設(shè)方案進行了研究，溫室內(nèi)溫度、濕度、光照強度、土壤溫度以及室外溫度、光照強度皆與室內(nèi)溫度具有較強的相關(guān)性，因此接下來應(yīng)通過設(shè)置定變量，選擇合適模型結(jié)合溫室濕度、土壤溫濕度、光照強度等環(huán)境因子對番茄溫室傳感器布設(shè)位置進行綜合分析，研究溫度場變化與其他環(huán)境變量之間的關(guān)系。此外，應(yīng)依據(jù)番茄不同生長時期結(jié)合不同地區(qū)、不同類型的溫室對室內(nèi)傳感器布設(shè)方案的普適性和可靠性進行驗證，為精準感知、智能控制及數(shù)字農(nóng)業(yè)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。