摘 要： 通过研究日光温室温度多节点大系统的识别采集和处理过程，提出了日光温室复杂大系统智能物联网控制系统的关键技术和存在的问题。 针对占用带宽、网络时延特性、丢包率以及功耗等 4 个方面对物联网承受能力进行了参数数学建模，并运用 MCU 信号放大系统和信号传感器联合控制日光温室的温度效应，最终发现智能大系统的占用带宽达到 35 kB，网络时延最高达到 20 s，丢包率最大为 2.5%，证明了智能大系统的物联网特性要比局部小系统控制复杂程度高。
关键词： 日光温室; 大系统智能控制; 农业物联网; MCU 信号放大系统; 网络时延特性; 丢包率
0 引言
随着农村劳动力的转移，农业生产劳动力越来越少，因此实现农业现代化是解决农村粮食生产问题的必由之路。 农作物的种植一般属于大面积种植，实现智能自动化控制必须依赖于大系统控制。 本文针对日光温室的建设、生物信息采集以及温度调控，运用物联网技术对复杂大系统的智能控制做了深入研究。首先，结合农业复杂大系统智能控制以及日光温室的特点，提出了日光温室智能调控物联网系统的设计思路;然后，对于信息的识别采集和传输进行了数学建模;最后，对日光温室大系统智能控制的物联网系统性能做了实验研究，发现了系统存在的主要问题和关键技术瓶颈，为农业物联网技术的发展提供了理论参考和现实依据。
1 农业复杂大系统智能控制介绍
目前，很多农作物的栽培和收割过程都实现了机械自动化，并且在农作物生长过程中也实现了精准施肥精准滴灌等现代化农作物生产技术手段。 物联网技术是早先提出的一种识别物品的管理方法，通过射频来识别物品的条码等数字化信息，并且将设备进行局部联网，实现物品的自动化识别和管理。 近年来，随着农业信息化的发展，物联网逐渐在农业生产中开始进行尝试。 日光温室是我国特有的温室结构形式，具有造价低、节约能源和经济效益良好的特点。
如果日光温室能够进行大系统智能调控，将大大节省人力资源，并且能够提高农作物的生产效率。 智能大系统的控制属于自动控制中的闭环控制，其特点在于系统的自我协同性和自我调控性。 在无人工干预的情况下，系统能够自动识别日光温室温度，并通过信息处理自动调整日光温室温度。 这种农业智能系统离不开物联网技术的支持，在物联网基础上农业信息和智能调控进行双向流动，才能达到智能培育农作物的效果。 本文对于日光温室设计的大体思路如图 1 所示。
由图 1 可以看出，日光温室的智能化调控系统主要由信息采集系统、信息处理系统以及执行系统组成。 其中，信息采集系统在后文中做重点介绍。 信息处理系统中主要包括信息的自动化处理以及人工干预等行为。 信息进行处理后(如日光温室的温度信息)，信息将预设温度和输入温度进行对比，通过执行机构对温度进行调控，温度调控过程中每个节点上的传感器会实时将温度进行反馈，最后将日光温室的温度调整在合适的温度范围之内。
2 日光温室复杂大系统智能控制物联网实现形式
日光温室复杂大系统智能控制物联网的架设主要与物联网 4 方面的特性有关。 本文主要针对占用带宽、网络时延特性、丢包率以及功耗等 4 个方面对物联网承受能力进行了参数数学建模。
要实现日光温室复杂大系统的智能化自动控制，最主要的是生物信息以及温度信息的采集过程。 本文运用敏感性较强的热敏电阻对温度实时监控，控制的模型示意图如图 2 所示。
由图 3 和图 4 可以看出，两种信号发射方式的能耗趋势大致相同，但是能耗功率具体数值有所不同。将信号逐渐放大之后，通过测量得到信号放大倍数与通信距离之间的关系如图 5 所示。
从图 5 可以看出，信息放大的倍数越高，通信距离可以实现的距离越长，但是这种关系不是完全的线性关系。 本文通过量化处理，将放大倍数和通信距离量化处理成近似的正比例关系。
3 试验研究
日光温室复杂大系统智能控制物联网网络控制模式中最主要的是信号的采集处理与传输过程。 智能系统根据信号自动进行处理，处理之后通过继电装置做出自动反应，调控日光温室的温度，具体实现过程如图 6 所示。
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图 6 中，电源信号自动传输给 NRF 信号处理装置和功率放大器，MCU 通过信号传感器可以控制信号功率放大装置，因此 MCU 可以控制信号无线传输模块。将温度信号传输给自动控制模块，自动控制模块根据预先设定的温度判断日光温室内的温度是否达标。如果温度不达标，则根据需要重新调整日光室的温度，使温度达到需要的模式。首先，设置硬件网络设施能提供的最大网络特性。 本文针对占用带宽、网络时延特性、丢包率以及功耗等 4 个方面对物联网承受能力进行了参数设置，如表 1 所示。
通过对物联网特性的实验得到了一系列的物联网特性数据，物联网占用带宽示意图如图 7 所示。 由图 7可以看出：日光温室复杂大系统智能控制农业物联网所占用的带宽要大于日光温室局部农业小物联网的维护，占用带宽最大达到了 35kB。
时延特性示意图如图 8 所示。 由图 8 可以看出：日光温室复杂大系统智能控制农业物联网的时延特性要大于日光温室局部农业小物联网的时延特性，最大时延达到了 20s。
网络丢包率示意图如图 9 所示。 由图 9 可以看出：网络丢包率日光温室复杂大系统智能控制农业物联网也要高于日光温室局部农业物联网，最大丢包率可达 2.5%。
物联网能耗示意图如图 10 所示。 由图 10 可以看出：日光温室大系统农业物联网由于采用智能控制系统，因此它与日光温室小物联网的能耗比较接近，最大都达到 30mW。
4 结束语
本文主要研究了日光温室大系统智能控制的物联网特性以及关键技术。 文中第 1 部分结合智能控制以及物联网特性给出了日光温室大系统智能控制系统的设计流程图;在第 2 部分结合信息采集和传输的数学模型特点分析了信息传输过程的内部能耗和外部能耗特点，通过分析发现内部放大能耗和外部放大能耗大体趋势不同，但是数值不一样，外部放大能耗最大可达 100mW，是内部放大能耗的 3 倍左右;最后对日光温室大系统智能控制物联网系统的特性做了实验研究，通过实验发现物联网所占带宽最大可达30kB，最大时延特性为 20s，最大丢包率为 2.5%，最大能耗为 30mW，比普通的局部控制系统都要大，因此在大系统智能控制设计中应该综合考虑这些因素，保证系统的可靠性和稳定性。——论文作者：赵同林1， 刘志刚2， 徐伟恒1， 林 宏1， 林卫国3， 孙欣杰2
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