倉橋水晶梨生長監測系統研究

摘要：在深入了解國內外農作物監測系統研究現狀的基礎上，根據現代無線技術的發展，設計研發了倉橋水晶梨生長監測系統，提出以AT89S52為核心、以積分變換PID控制算法為主要控制方式。系統可以監測并調節空氣溫濕度、土壤濕度、光照度等參數，從而對水晶梨參數信息進行實時監測和調整并報警，通過無線傳輸模塊nRF905將采集信息傳送給控制主機，再結合有線技術傳送給上位機，將無線技術和有線技術結合起來，實現遠程參數的無線監測。

關鍵詞：水晶梨；生長參數；遠程監測；無線技術；應用效果

中圖分類號： TP277.2；S126文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）06-0380-04

收稿日期：2013-09-06

基金項目：教育部高等學校博士學科點專項科研基金（編號：200802800007）；上海市科學技術委員會項目（編號：10510500600）；上海市特色高等職業院校建設項目（編號：C603）；上海農林職業技術學院項目（編號：091221）。

作者簡介：王興旺（1978—），男，河南開封人，博士研究生，副教授，主要研究方向為數字農業、農業信息技術。Tel：（021）57729719；E-mail：gpguiping@163.com。農作物生長監測技術在許多發達國家如荷蘭、美國、以色列等已相當先進，能夠達到對多因素綜合控制的水平，但其價格昂貴，維護不方便，以荷蘭為代表的歐美國家的生長監測系統開始向網絡化、無線化方向發展[1]。2002年英特爾公司率先在俄勒岡州建立了第1個無線葡萄園，用于測量葡萄園中環境的細微變化[2]。傳感器節點被分布在葡萄園的每個角落，每隔1 min檢測1次土壤溫度、濕度或該區域有害物的數量以確保葡萄可以健康生長，進而獲得大豐收。英國的農作物生長監測系統、西班牙和奧地利的遙控溫室系統都是計算機控制與管理在農作物生長過程中的成功應用[3]。美國開發的農作物生長監測系統可以根據溫室作物的特點和要求，對溫室內光照、溫度、水、氣、肥等諸多因子進行自動監測，還可利用差溫管理技術實現對花卉、果蔬等產品的開花和成熟期進行控制，以滿足生產和市場的需要。目前，美國已將全球定位系統、電腦和遙感遙測等高新技術應用于農作物生產[4]。

隨著無線傳感器網絡技術的快速發展，人們也開展了農作物生長監測系統的應用研究。例如，北京市科委計劃項目“蔬菜生產智能網絡傳感器體系研究與應用”把無線傳感器網絡示范應用于溫室農作物生產中[5]；2008年10月，上海市計算機研究所研發三部已將自主知識產權的自組織樹型無線傳感器網絡系統應用到了上海奉賢花卉大棚監測系統中，大大提高了工作效率。

倉橋水晶梨是一種新型的梨品種，其果實為圓球形或扁圓形，平均單果重385 g，最大560 g；果皮近成熟時乳黃色，表面晶瑩光亮，有透明感，外觀誘人；果肉白色，肉質細膩，致密嫩脆，汁液多，可溶性固形物含量14%，石細胞極少，果心小，味蜜甜，香味濃郁，品質特優[6]。2011年，倉橋水晶梨正式被國家質監總局批準為“國家地理標志產品”。倉橋水晶梨日前已經成為上海地區重要的水果類拳頭產品，但針對倉橋水晶梨生長的監測系統很少，甚至未見報道，根據目前倉橋水晶梨的生產現狀，筆者對倉橋水晶梨生長監測系統的研發與應用展開了研究工作。

1系統電路設計

倉橋水晶梨生長監測系統硬件部分主要由控制器模塊、電源電路模塊、空氣溫濕度測量電路模塊、土壤濕度測量電路模塊、光強測量電路模塊、二氧化碳濃度測量電路模塊、顯示電路模塊、報警電路模塊、通信電路模塊、控制電路模塊組成。

1.1空氣溫濕度測量電路模塊設計

本設計選擇SHT10數字式溫濕度傳感器來檢測水晶梨大棚中空氣的溫濕度。SHT10數字式溫濕度傳感器是由Sensirion公司推出的一種可以同時測量濕度、溫度的傳感器，不需外圍元件直接輸出經過標定了的相對濕度、溫度的數字信號，可以有效解決傳統溫、濕度傳感器的不足。

如圖2所示，SHT10數字式溫濕度傳感器來檢測溫室大棚中空氣的溫濕度，并將檢測到的信號傳送給單片機的P0口，讓單片機處理。

1.2土壤濕度測量電路模塊設計

本設計選擇FDS-100型土壤水分傳感器檢測土壤中水分的含量。FDS-100型土壤水分傳感器引腳功能如下：紅線（VDD），5～12 V電源輸入；黃線（V-OUT），電壓輸出0～1.875 V直流電；黑線（GND），地線。功能及特點如下：（1）本傳感器體積小巧化設計，攜帶方便，安裝、操作及維護簡單；（2）結構設計合理，不繡鋼探針保證使用壽命；（3）外部以環氧樹脂純膠體封裝，密封性好，可直接埋入土壤中使用，且不受腐蝕；（4）土質影響較小，應用地區廣泛；（5）測量精度高，性能可靠，確保正常工作；（6）響應速度快，數據傳輸效率高。

FDS-100型土壤水分傳感器經過LM358經信號放大輸送至單片機P0口，電路如圖3所示。

1.3光強測量電路模塊設計

本設計選擇TSL2561光強傳感器檢測水晶梨大棚的光照度。各引腳的功能如下：腳1和腳3分別是電源引腳和信號地，其工作電壓工作范圍是是2.7～3.5V；腳2為器件訪問地址選擇引腳，由于該引腳電平不同，該器件有3個不同的訪問地址；腳4和腳6為總線的時鐘信號線和數據線；腳5為中斷信號輸出引腳，當光強度超過用戶編程設置的上或下閾值時器件會輸出1個中斷信號。TSL2561光強度數字轉換芯片與單片機P0相接，電路原理如圖4所示。

1.4報警電路模塊設計

本系統專門設計了報警電路模塊，由晶體管和蜂鳴器組成。由單片機I/O口輸出信號控制晶體管的導通或截止，晶體管導通則蜂鳴器報警。當某個監控參數長時間（具體時間由程序設定）超出其合理的上下限范圍時，報警系統啟動，它與單片機的連接電路如圖5所示。

2積分變換PID控制算法設計

2.1積分變換PID控制算法的提出

在普通PID控制中，引入積分環節的目的主要是為了消除靜差。但在過程的啟動、結束或大幅度增減設定時，短時間內系統輸出有很大偏差，會造成PID運算的積分積累，致使控制量超過了執行機構可能允許的最大動作范圍對應的極限控制量，引起系統較大的超調，甚至引起系統較大的振蕩，這在生產過程中是絕對不允許的。根據PID控制算法的局限性，我們提出了積分變換PID控制算法。

積分變換PID控制基本思想是：當被控量與設定值偏差較大時，取消積分的作用，以免由于積分作用使系統穩定性降低，超調量增大；當被控量接近給定值時，引入積分控制，以便

消除靜差，提高控制精度。其具體實現步驟如下：

第1步，根據實際情況，人為設定閾值ε>0；

第2步，當|error（k）| >ε時，采用PD控制，可避免產生過大的超調，又使系統有較快的響應；

第3步，當|error（k）| ≤ε時，采用PID控制，以保證系統的控制精度。

積分變換控制算法可表示為：

u（k）=kperror（k）+βk∑kj=0error（j）kd[error（k）-error（k-1）]/T。（1）

式中：T為采樣時間；β為積分項的開關系數。

β=1|error（k）|≤ε

0|error（k）|>ε。（2）

2.2積分變換PID控制算法試驗

設被控對象為一個延遲對象：G（s）=e80s60s+1采樣時間為20 s，延遲時間為4個采樣時間，即80 s，被控對象離散化為：

y（k）=-den（2）y（k-1）+mum（2）u（k-5）。（3）

試驗：采用M語言進行仿真。取M=1，采用積分變換式PID控制器進行階躍響應，采用分段積分變換方式，即根據誤差絕對值的不同，采用不同的積分強度。仿真中指令信號為r（k）=40，控制器輸出限制在[-110，110]。取M=2，采用普通PID控制。

由試驗結果得出結論，采用積分變換方法對系統進行控制其平穩性和快速性都要優于普通的PID控制，控制效果有很大的改善。值得注意的是，為保證引入積分作用后系統的穩定性不變，在輸入積分作用時比例系數kp可進行相應變化。此外，β值應根據具體對象及要求而定，若β過大，則達不到積分變換的目的；若β過小，則會導致無法進入積分區。如果只進行PID控制，會使控制出現余差。

3系統測試及應用效果分析

3.1系統應用后溫濕度變化值對比

系統完成后，筆者于2012年10月24日在上海倉橋水晶梨基地對水晶梨大棚進行了溫濕度監測精度測試，系統操作與溫濕度計測量結果對比見表1。

時刻采集溫度

（℃）實際溫度

（℃）溫度誤差

（℃）相對濕度

（%）實際濕度

（%）濕度誤差

（百分點）09：0011.411.50.187.787.50.210：0010.811.60.287.887.60.211：0011.211.30.187.488.20.212：0010.711.50.287.087.30.313：0011.211.30.188.687.70.114：001111.10.187.887.60.215：0010.811.70.187.087.20.216：0010.711.60.187.288.41.217：0010.610.90.387.788.60.9

系統每10 min 采集1 次溫濕度數據，每1 h取平均值后與SK-110TRH 型溫濕度計測得的標準溫濕度對比（表1）。測試結果證明，系統溫度最大誤差±0.3 ℃，濕度最大誤差±1.2百分點，與同類溫濕度監測系統相比，精度較高。

3.2實際生產效果對比

倉橋水晶梨由于品質的不同，價格變化也較大，倉橋水晶梨在銷售過程中約定：價格在20元/kg以上的為優質水晶梨，價格在10元/kg左右的為普通水晶梨，價格在5元/kg以下的為劣質水晶梨。課題組成員于2012年11月至2013年8月在倉橋水晶梨基地兩塊相同大小的水晶梨大棚內做了是否使用生長監測系統的數據統計，根據數據統計結果得出如圖6所示的效果對比。

由圖6可知，通過使用倉橋水晶梨生長監測系統，對水晶梨生長過程中的溫度、濕度、光照等參數信息進行及時的監測和調節，使得環境因子保持在一個比較適宜的范圍，水晶梨的優質率和普通率有一定程度的提高，劣質率有一定程度的下降，這說明適宜的生長環境對水晶梨的品質有較大的影響作用。

4結論

筆者通過對農作物生長監測系統的研究，結合倉橋水晶梨的生長特點，設計研發了倉橋水晶梨生長監測系統，主要完成了空氣溫濕度測量電路模塊設計、土壤濕度測量電路模塊設計、光強測量電路模塊設計、報警電路模塊設計等。在系統控制方面，提出了積分變換PID控制算法，并進行了相應的控制試驗，試驗結果表明積分變換PID控制算法對系統進行控制的平穩性和快速性都要優于普通的PID控制。系統完成后在倉橋水晶梨基地做了系統測試并投入應用，經過近1年的使用，發現水晶梨的優質率和普通率有了穩步的提升，劣質率有了一定程度的下降，帶來了一定的經濟效益和社會效益，但是對于水晶梨生長環境的溫度、濕度、光照等參數的自動控制及精確控制還比較困難，這個問題將作為今后研究的重點內容和方向。

參考文獻：

[1]孫利民，李建中，陳渝. 無線傳感器網絡[M]. 北京：清華大學出版社，2005：53-65.

[2]王雪. 無線傳感網絡測量系統[M]. 北京：機械工業出版社，2007：156-178.

[3]韓華峰. 農業環境信息遠程監控與管理系統設計[D]. 北京：中國農業科學院，2009：13-14.

[4]于海斌，曾鵬，梁韡.智能無線傳感器網絡系統[M]. 北京：科學出版社，2006：45-78.

[5]于海濱，曾鵬，梁韉.智能無線傳感器網絡系統[M]. 北京：科學出版社，2006：45-78.

[6]韓清華，李樹君，張云川，等. 食用菌工廠化栽培環境的遠程監測系統[J]. 農業機械學報，2008，39（8）：123-127.

2積分變換PID控制算法設計

2.1積分變換PID控制算法的提出

在普通PID控制中，引入積分環節的目的主要是為了消除靜差。但在過程的啟動、結束或大幅度增減設定時，短時間內系統輸出有很大偏差，會造成PID運算的積分積累，致使控制量超過了執行機構可能允許的最大動作范圍對應的極限控制量，引起系統較大的超調，甚至引起系統較大的振蕩，這在生產過程中是絕對不允許的。根據PID控制算法的局限性，我們提出了積分變換PID控制算法。

積分變換PID控制基本思想是：當被控量與設定值偏差較大時，取消積分的作用，以免由于積分作用使系統穩定性降低，超調量增大；當被控量接近給定值時，引入積分控制，以便

消除靜差，提高控制精度。其具體實現步驟如下：

第1步，根據實際情況，人為設定閾值ε>0；

第2步，當|error（k）| >ε時，采用PD控制，可避免產生過大的超調，又使系統有較快的響應；

第3步，當|error（k）| ≤ε時，采用PID控制，以保證系統的控制精度。

積分變換控制算法可表示為：

u（k）=kperror（k）+βk∑kj=0error（j）kd[error（k）-error（k-1）]/T。（1）

式中：T為采樣時間；β為積分項的開關系數。

β=1|error（k）|≤ε

0|error（k）|>ε。（2）

2.2積分變換PID控制算法試驗

設被控對象為一個延遲對象：G（s）=e80s60s+1采樣時間為20 s，延遲時間為4個采樣時間，即80 s，被控對象離散化為：

y（k）=-den（2）y（k-1）+mum（2）u（k-5）。（3）

試驗：采用M語言進行仿真。取M=1，采用積分變換式PID控制器進行階躍響應，采用分段積分變換方式，即根據誤差絕對值的不同，采用不同的積分強度。仿真中指令信號為r（k）=40，控制器輸出限制在[-110，110]。取M=2，采用普通PID控制。

由試驗結果得出結論，采用積分變換方法對系統進行控制其平穩性和快速性都要優于普通的PID控制，控制效果有很大的改善。值得注意的是，為保證引入積分作用后系統的穩定性不變，在輸入積分作用時比例系數kp可進行相應變化。此外，β值應根據具體對象及要求而定，若β過大，則達不到積分變換的目的；若β過小，則會導致無法進入積分區。如果只進行PID控制，會使控制出現余差。

3系統測試及應用效果分析

3.1系統應用后溫濕度變化值對比

系統完成后，筆者于2012年10月24日在上海倉橋水晶梨基地對水晶梨大棚進行了溫濕度監測精度測試，系統操作與溫濕度計測量結果對比見表1。

時刻采集溫度

（℃）實際溫度

（℃）溫度誤差

（℃）相對濕度

（%）實際濕度

（%）濕度誤差

（百分點）09：0011.411.50.187.787.50.210：0010.811.60.287.887.60.211：0011.211.30.187.488.20.212：0010.711.50.287.087.30.313：0011.211.30.188.687.70.114：001111.10.187.887.60.215：0010.811.70.187.087.20.216：0010.711.60.187.288.41.217：0010.610.90.387.788.60.9

系統每10 min 采集1 次溫濕度數據，每1 h取平均值后與SK-110TRH 型溫濕度計測得的標準溫濕度對比（表1）。測試結果證明，系統溫度最大誤差±0.3 ℃，濕度最大誤差±1.2百分點，與同類溫濕度監測系統相比，精度較高。

3.2實際生產效果對比

倉橋水晶梨由于品質的不同，價格變化也較大，倉橋水晶梨在銷售過程中約定：價格在20元/kg以上的為優質水晶梨，價格在10元/kg左右的為普通水晶梨，價格在5元/kg以下的為劣質水晶梨。課題組成員于2012年11月至2013年8月在倉橋水晶梨基地兩塊相同大小的水晶梨大棚內做了是否使用生長監測系統的數據統計，根據數據統計結果得出如圖6所示的效果對比。

由圖6可知，通過使用倉橋水晶梨生長監測系統，對水晶梨生長過程中的溫度、濕度、光照等參數信息進行及時的監測和調節，使得環境因子保持在一個比較適宜的范圍，水晶梨的優質率和普通率有一定程度的提高，劣質率有一定程度的下降，這說明適宜的生長環境對水晶梨的品質有較大的影響作用。

4結論

筆者通過對農作物生長監測系統的研究，結合倉橋水晶梨的生長特點，設計研發了倉橋水晶梨生長監測系統，主要完成了空氣溫濕度測量電路模塊設計、土壤濕度測量電路模塊設計、光強測量電路模塊設計、報警電路模塊設計等。在系統控制方面，提出了積分變換PID控制算法，并進行了相應的控制試驗，試驗結果表明積分變換PID控制算法對系統進行控制的平穩性和快速性都要優于普通的PID控制。系統完成后在倉橋水晶梨基地做了系統測試并投入應用，經過近1年的使用，發現水晶梨的優質率和普通率有了穩步的提升，劣質率有了一定程度的下降，帶來了一定的經濟效益和社會效益，但是對于水晶梨生長環境的溫度、濕度、光照等參數的自動控制及精確控制還比較困難，這個問題將作為今后研究的重點內容和方向。

參考文獻：

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[2]王雪. 無線傳感網絡測量系統[M]. 北京：機械工業出版社，2007：156-178.

[3]韓華峰. 農業環境信息遠程監控與管理系統設計[D]. 北京：中國農業科學院，2009：13-14.

[4]于海斌，曾鵬，梁韡.智能無線傳感器網絡系統[M]. 北京：科學出版社，2006：45-78.

[5]于海濱，曾鵬，梁韉.智能無線傳感器網絡系統[M]. 北京：科學出版社，2006：45-78.

[6]韓清華，李樹君，張云川，等. 食用菌工廠化栽培環境的遠程監測系統[J]. 農業機械學報，2008，39（8）：123-127.

2積分變換PID控制算法設計

2.1積分變換PID控制算法的提出

在普通PID控制中，引入積分環節的目的主要是為了消除靜差。但在過程的啟動、結束或大幅度增減設定時，短時間內系統輸出有很大偏差，會造成PID運算的積分積累，致使控制量超過了執行機構可能允許的最大動作范圍對應的極限控制量，引起系統較大的超調，甚至引起系統較大的振蕩，這在生產過程中是絕對不允許的。根據PID控制算法的局限性，我們提出了積分變換PID控制算法。

積分變換PID控制基本思想是：當被控量與設定值偏差較大時，取消積分的作用，以免由于積分作用使系統穩定性降低，超調量增大；當被控量接近給定值時，引入積分控制，以便

消除靜差，提高控制精度。其具體實現步驟如下：

第1步，根據實際情況，人為設定閾值ε>0；

第2步，當|error（k）| >ε時，采用PD控制，可避免產生過大的超調，又使系統有較快的響應；

第3步，當|error（k）| ≤ε時，采用PID控制，以保證系統的控制精度。

積分變換控制算法可表示為：

u（k）=kperror（k）+βk∑kj=0error（j）kd[error（k）-error（k-1）]/T。（1）

式中：T為采樣時間；β為積分項的開關系數。

β=1|error（k）|≤ε

0|error（k）|>ε。（2）

2.2積分變換PID控制算法試驗

設被控對象為一個延遲對象：G（s）=e80s60s+1采樣時間為20 s，延遲時間為4個采樣時間，即80 s，被控對象離散化為：

y（k）=-den（2）y（k-1）+mum（2）u（k-5）。（3）

試驗：采用M語言進行仿真。取M=1，采用積分變換式PID控制器進行階躍響應，采用分段積分變換方式，即根據誤差絕對值的不同，采用不同的積分強度。仿真中指令信號為r（k）=40，控制器輸出限制在[-110，110]。取M=2，采用普通PID控制。

由試驗結果得出結論，采用積分變換方法對系統進行控制其平穩性和快速性都要優于普通的PID控制，控制效果有很大的改善。值得注意的是，為保證引入積分作用后系統的穩定性不變，在輸入積分作用時比例系數kp可進行相應變化。此外，β值應根據具體對象及要求而定，若β過大，則達不到積分變換的目的；若β過小，則會導致無法進入積分區。如果只進行PID控制，會使控制出現余差。

3系統測試及應用效果分析

3.1系統應用后溫濕度變化值對比

系統完成后，筆者于2012年10月24日在上海倉橋水晶梨基地對水晶梨大棚進行了溫濕度監測精度測試，系統操作與溫濕度計測量結果對比見表1。

時刻采集溫度

（℃）實際溫度

（℃）溫度誤差

（℃）相對濕度

（%）實際濕度

（%）濕度誤差

（百分點）09：0011.411.50.187.787.50.210：0010.811.60.287.887.60.211：0011.211.30.187.488.20.212：0010.711.50.287.087.30.313：0011.211.30.188.687.70.114：001111.10.187.887.60.215：0010.811.70.187.087.20.216：0010.711.60.187.288.41.217：0010.610.90.387.788.60.9

系統每10 min 采集1 次溫濕度數據，每1 h取平均值后與SK-110TRH 型溫濕度計測得的標準溫濕度對比（表1）。測試結果證明，系統溫度最大誤差±0.3 ℃，濕度最大誤差±1.2百分點，與同類溫濕度監測系統相比，精度較高。

3.2實際生產效果對比

倉橋水晶梨由于品質的不同，價格變化也較大，倉橋水晶梨在銷售過程中約定：價格在20元/kg以上的為優質水晶梨，價格在10元/kg左右的為普通水晶梨，價格在5元/kg以下的為劣質水晶梨。課題組成員于2012年11月至2013年8月在倉橋水晶梨基地兩塊相同大小的水晶梨大棚內做了是否使用生長監測系統的數據統計，根據數據統計結果得出如圖6所示的效果對比。

由圖6可知，通過使用倉橋水晶梨生長監測系統，對水晶梨生長過程中的溫度、濕度、光照等參數信息進行及時的監測和調節，使得環境因子保持在一個比較適宜的范圍，水晶梨的優質率和普通率有一定程度的提高，劣質率有一定程度的下降，這說明適宜的生長環境對水晶梨的品質有較大的影響作用。

4結論

筆者通過對農作物生長監測系統的研究，結合倉橋水晶梨的生長特點，設計研發了倉橋水晶梨生長監測系統，主要完成了空氣溫濕度測量電路模塊設計、土壤濕度測量電路模塊設計、光強測量電路模塊設計、報警電路模塊設計等。在系統控制方面，提出了積分變換PID控制算法，并進行了相應的控制試驗，試驗結果表明積分變換PID控制算法對系統進行控制的平穩性和快速性都要優于普通的PID控制。系統完成后在倉橋水晶梨基地做了系統測試并投入應用，經過近1年的使用，發現水晶梨的優質率和普通率有了穩步的提升，劣質率有了一定程度的下降，帶來了一定的經濟效益和社會效益，但是對于水晶梨生長環境的溫度、濕度、光照等參數的自動控制及精確控制還比較困難，這個問題將作為今后研究的重點內容和方向。

參考文獻：

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[4]于海斌，曾鵬，梁韡.智能無線傳感器網絡系統[M]. 北京：科學出版社，2006：45-78.

[5]于海濱，曾鵬，梁韉.智能無線傳感器網絡系統[M]. 北京：科學出版社，2006：45-78.

[6]韓清華，李樹君，張云川，等. 食用菌工廠化栽培環境的遠程監測系統[J]. 農業機械學報，2008，39（8）：123-127.