基于多传感器融合与LabVIEW及遗传算法优化模糊控制的智能温室环境控制系统

《Smart Agricultural Technology》：Multi-sensor Fusion Based Intelligent Greenhouse Environmental Control System with LabVIEW and GA-Optimized Fuzzy Control

　　

针对受控环境农业（CEA）中多变量耦合、传感器噪声干扰及能量调节效率低等挑战，研究人员开发了一种集成多传感器融合、卡尔曼滤波（Kalman Filtering）与遗传算法（GA）优化模糊控制的智能温室环境控制系统。该系统结合空气温度、相对湿度、CO?浓度及光合光子通量密度（PPFD）的实时感知，在LabVIEW平台上实现分层控制架构。引入卡尔曼滤波算法提升感知可靠性，并采用GA优化策略自动调整模糊隶属度函数与控制规则，增强常规模糊控制器在动态温室条件下的适应性。系统整合自动–手动切换、执行器状态反馈、报警管理及基于MySQL的数据存储，实现可靠调控。通过受控温室实验与长期田间运行综合评估，相比常规比例–积分–微分（PID）控制，所提GA优化模糊控制策略降低能耗17.6%（p < 0.01），控制响应时间缩短至1.8 s，空气温度稳定性维持在±0.5°C、相对湿度±2.1% RH以内。180天连续田间验证显示系统可用性达99.7%，证实了该框架的可靠性与实用适用性。所开发系统为智能温室环境控制提供了自适应、可扩展且节能的解决方案，计算智能方法与多传感器融合的集成在可持续受控环境农业与农业能量管理中具有潜在应用价值。

研究背景方面，受控环境农业（CEA）在保障作物产量与品质中作用日益凸显，但现有系统面临三大瓶颈：无线传感网虽提升感知能力，仍受传感器噪声、测量不确定性与设备故障影响；温度、湿度、CO?与光照强度等变量呈强非线性耦合，而多数实用系统依赖解耦或基于规则调节，易致执行器反复动作与无效能耗；先进预测控制需复杂模型与大计算资源，难以在中下规模温室部署。为此，研究人员在《Smart Agricultural Technology》发表研究，构建一种融合可靠多源数据处理、多变量协调调控与低计算复杂度优化的实用框架。

关键技术方法上，研究人员以300 m2温室（36.2°N，117.1°E）为现场，于2025年3月对樱桃、番茄、黄瓜三作物四生长阶段开展同期对照：传统PID（OMRON E5CC，Ziegler–Nichols整定）、未优化模糊控制（625条规则）、本文Kalman+GA模糊系统各连续运行10天；硬件含GHHB-001-485温湿、LI-COR LI-190R PPFD、GHHB-004-485 CO?、FC-28土壤湿度传感器，JY-0404A边缘控制器与ESP8266 Wi-Fi，LabVIEW 2023上位机，MySQL 8.0存数；算法层采用常值预测模型卡尔曼滤波（Q=1×10^?4，R=1×10^?3）去噪，实数编码GA（种群100、代200、联赛选择、算术交叉0.8、高斯变异0.01）优化三角隶属度（NB/NM/ZO/PM/PB）与规则权，适应度J=0.6·RMSE+0.4·E/E?。

研究结果按原文小节浓缩如下。整体方案（2节）给出分布式四模块拓扑（工作站–边缘–传感–执行），选Wi-Fi 802.11n+TCP，1 Hz采样，RS-485驱继电器带照明/风机/泵/加热。监测程序（3节）含登录、选择、主监、历史/异常查询五界面，双报警（界面闪烁+邮件）；数据预处理用卡尔曼滤波加滑动窗（窗5）修单点异，连3点越限判故障切备份；状态方程x_k=Ax_k?1+w_k?1、观测z_k=Hx_k+v_k，A=H=1。控制程序（4节）含自动/手动双模，GA模糊以四误差E_T/E_H/E_C/E_L输入、5×5×5×5规则基经GA调隶属度与贡献，1 Hz闭环时序：采0–50 ms→滤波融50–150 ms→模糊化150–220 ms→推理解模糊220–320 ms→RS485执行320–420 ms→反馈存库420–980 ms；MySQL分sensor_data/control_log/equipment_status/abnormal_event四表，月分区+LZ4压。运行测试（5节）显示：相较PID，GA模糊能耗降17.6%（p<0.01），响应1.8 s，温控±0.5°C、湿控±2.1% RH；180天田间可用率99.7%。

讨论与结论翻译浓缩：研究人员指出，该框架以模块化低成本适配中小温室，卡尔曼滤波抑噪与GA免手调参数共同解决耦合与噪声问题；常规PID因无解耦致重复作动耗能，未优化模糊规则冗余，而GA优化在精度–能耗双目标（α=0.6）下取得最优折中。结论为：所提基于多传感器融合、卡尔曼滤波与GA优化模糊控制的LabVIEW系统，在动态CEA环境下兼顾±0.5°C稳温、17.6%节能与99.7%可用率，为可持续受控环境农业与农业能量管理提供可扩展自适应实用路径。