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2 0 2 6年 第1期 作物温室环境建模与多模态感知平台多工况验证 韩炽 1 黄振海 1 韩慧敏 1 刘子军 2 周文毓 2 李立文 2 1 海南科技职业大学机电工程学院 海口 571126 2 海南云智联科技有限公司 海口 570203 摘要 为提升设施农业的环境感知与预警能力 同时兼顾连续可靠与成本可控 以 Arduino UNO R3为主控 构建了多模 态感知与预警平台 集成温湿度和光照等多传感器 电路系统采用三层叠板结构 上位机实现阈值警告与可视化操作界面 基于能量守恒与水汽守恒提出名义预测环境模型 并结合辐照度分解 传热与换气 推导出温室参数的名义解析表达 并 在六个经纬度测试点采集多组数据进行工况验证 实验结果表明 在五档通风条件下 光照校准共 180 组样本 回归斜率接 近 1 温湿度实测与模型预测高度吻合 通风增强可将稳态温升由 56 64 区间显著拉低 并将相对湿度稳定在约 35 50 RH之间 多模态联动测试中 火焰 超声 CO 2与可燃气体通道的响应灵敏度分别为 99 89 95 91 实现 了从透过辐射到室内多模态响应的闭环集成 为面向不同温室环境测量的推广与应用提供了可行的技术路径 关键词 设施农业 小型温室 多模态感知 环境建模 工况验证 1 引言 在台风等极端灾害频发及劳动力成本攀升的背景 下 设施农业正由经验驱动向数据驱动转变 温室作 物对环境状态感知与预警的依赖程度不断提高 中小 规模设施受制于成本约束 在传感与控制系统建设方 面仍普遍存在模型与现场工况脱节以及跨工况验证不 足等问题 因此 围绕温室环境多源信息获取与数据驱 动建模 现有研究主要从多传感器融合与数据驱动预测 两条路径展开探索 多传感器融合方面 罗焕芝与王骥 2024 提出以改进 ICDO 算法优化 RBFNN 的多传感 器 融 合 方 法 显 著 提 升 农 业 环 境 感 知 的 精 度 与 稳 健 性 1 在多源多节点的时空预测上 在机理建模与模型校准 方面 Zhao L 等 2023 基于能量平衡构建一维瞬态温 度预测模型 以 MATLAB 求解获取各表面日变化轨迹 在 晴 天 与 多 云 均 能 较 好 再 现 热 环 境 演 变 为 能 量 守 恒 框架在温室中的可用性提供证据 2 现 有 研 究 表 明 温 室环境感知正由单点测量向多源融合的数据协同建模 转变 但在中小设施中构建低成本 可扩展的环境认知 与预警体系仍是亟待突破的研究方向 2 系统总体设计 2 1主控单元 基金项目 海口市科工信局与海口市科技计划重点项目 项目编号 2024 024 海南省农垦投资控股集团有限公司 2025 年科技创新 揭 榜挂帅 项目 项目编号 HKKJ2025JBGS04 作者简介 韩炽 1996 男 讲师 研究方向 先进装备制造与智能控制 运动控制与多模态机器学习 通讯作者 韩慧敏 1987 女 博士 副教授 研究方向 增材制造与智能控制 电子技术与人工智能 中国农机装备 生物系统与环境装备 作物温室环境建模与多模态感知平台多工况验证 选用 Arduino UNO R3 开发板作为下位机控制核 心 图 1 该主控具备较为完备的数字和模拟接口 资源 配套生态成熟 成本较低 可满足温室环境参 数采集 评估和报警等需求 适用于作物温室场景规 模化部署 3 2 2传感器组成 系统设计覆盖温室环境 位置与姿态 安全告警 三类关键信息 且传感链路设计具备可校准 可复用 和可扩展性 采用串口屏进行本地交互 4 如图 2 所示 系统围绕环境监测 空间状态识别 与人机交互预警三条设计主线 对气温 湿度 光照 烟雾 火焰 土壤含水率等多源数据实时检测与预警 处理 并在统一时间窗内完成互证 在算力受限条件 图 1 Arduino UNO R3 开发板 2 0 2 6年 第1期 中国农机装备 生物系统与环境装备 作物温室环境建模与多模态感知平台多工况验证 下 通过端侧轻处理实现本地快速预警响应 2 3电路板焊接 采用三层叠板结构 底层板集成设备定位 土壤 含水率检测及串口显示等模块 实现采集与控制状态 的本地可视化 图 3 中间板作为电源与通信枢纽 为上下层提供电源并统一汇聚数据通道 顶层板实现 环境感知与告警 集成温度 湿度 空气质量与光照 强度等传感单元 并与告警系统联动输出状态提示 各器件按功能分区焊接 板层间通过 6P 8P 线束与主 控引脚对接 2 4系统电路图 硬件围绕 ArduinoUNO 开发板构建星型连接拓扑 各传感模块分布式接入其数字与模拟引脚 实现对环 境与工况的多通道感知 各模块由统一 5V 母线供电 并局部引出 3 3V 支路以适配低压外设 公共地线保 证回路完整性与抗干扰能力 系统电路图如图 4 所示 3 上位机界面设计 3 1登录与权限控制 为确保上位机安全与效率一致 登录采用单页表 单并明确状态反馈 完成字段合法性检查与凭据校验 后直达主界面 并保留必要的状态信息以减少重复加 载 流程与图 5 所示的 登录 与 登录成功 两页相 对应 降低跳转频次 在会话管理上采用 短会话 可续期 策略 当 会话空闲时间达到预设阈值即被自动注销 压缩暴露 窗口时间 系统限制连续认证失败次数 并在检测到 弱口令时主动给出改进建议 如图 6 所示 3 2主界面布局与可视化 如图 7 a 所示 主界面设计遵循 一屏总览 的原则 将关键传感节点与监测区域映射到背景场景 通过图标与状态标记编码运行状态 值守人员可在单 屏内完成对数据的快速扫视与定位 图 7 b 所示的界面页用于单指标的时序分析 图 7 a 突出传感器在物理空间中的布设与关联关系 图 7 b 则聚焦关键指标的时间序列特征 为后续 的异常追踪与溯源分析提供入口 图 2 系统拓扑图 a 感知布局界面 b 时序采样界面 图 7 传感可视化界面 a 底 层 板 b 中 间 板 c 顶 层 板 图 3 装置三层电路板结构与接口布局 图 4 系统总体电路图 a 登录主页面 b 权限控制页面 图 5 登录主页面 图 6 系统登录结果
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