基于多傳感器模糊控制的豬舍環境測控系統設計

摘 要：在測量參數比較多且控制要求也比較高的情況下，傳統方式往往很難精確測量，文章設計出一種采用模糊控制策略實現多傳感器的豬舍測控系統。根據現有的經驗總結了控制規則的設計參數，并以溫度測量為例，構建了模糊控制器，同時給出了系統的硬件設計結構。實驗結果表明，系統的測量性能具有明顯的提高和改善，而且運行穩定，精確度高。

關鍵詞：模糊控制；多傳感器；環境監控；STC12C5A60S2

中圖分類號:TP216 文獻標識碼:A 文章編號：2095-1302(2014)07-0012-03

0引言

隨著高密度集約化的飼養方式發展，豬舍環境的問題漸漸的引起人們的重視，由于人們對健康的重視，對豬肉及其制品的依賴，很多部門也十分關注豬只生長環境，但豬的生長及個體繁殖都受到豬舍空氣環境的制約。豬舍生長環境的監控是一個復雜的過程，調控的目標是為豬只生長繁殖提供合理的生活環境[1]，豬舍環境氣體成份復雜，它是一個典型的非線性多變量系統，傳統的控制方法采用大量傳感器獨立運算和處理，很難實現精確控制，而模糊控制則為各個參量的精確測控提供依據，有效的解決了自動控制的問題。

1系統控制原理

豬舍環境含有很多氣體成份，比重較大的如二氧化碳、氨氣等，這些氣體的光度易受環境因素的影響，也受豬只個體數量及密度有密切關系，當外界氣候是不利于氣體擴散時，豬舍有害氣體成份會明顯增加，當豬只個體分布密度達到一定程度時，局部有害氣體的濃度也會明顯增加，因此，從理論角度分析，豬舍環境是一個具有參數分布、延時大、耦合多變量的非線性復雜對象，針對這樣的復雜多變的環境，我們要做的主要任務是能夠完也多目標動態的協調控制。一般情況下，現有的控制技術多采用測量值和設定值比較的方法來控制，也有另外一部分是采用自適應整定算法，理論上后者也是很容易實現，但由于調整實驗實用的Ｐ參數和Ｉ參數是很困難的，因為不同的地方、不同的季節及不同的天氣都會有很大的影響，故不能取得良好的效果。采用模糊控制原理，正好可以很好的適應豬舍控制的特點，具有動態響應好、時間反應快的優點，更重要的是無須精確了解控制對象狀情況，因此，豬舍環境控制用模糊控制算法更為合適。

模糊控制技術是以模糊邏輯推理為作為理論基礎，它利用當前流行的計算機微控制技術來實現的一種數字控制閉環系統。模糊控制的控制器在進行模糊推理時必須是模糊量，因此如果輸入量是非模糊時，需要首先轉化為模糊量。模糊轉化的過程是把確定的量變成模糊集的過程。它的主要作用是依據輸入語言變量的隸屬度函數來確定對應的每個語言值的隸屬度[2]。根據模糊規則的判定以及事先規定好的推理方法求出模糊輸出量的過程，模糊輸出量也必須轉化為非模糊的輸出，這個過程也就是將模糊集轉換成確定值的過程。本系統測量的參數由溫濕度、光照、CO2和NH3組成，系統各個參數均以模糊控制原理根據傳感器參數來控制調節環境參數，本系統以溫度為例采用分級模糊控制，系統控制原理如圖1所示。

圖1模糊控制原理

2系統結構設計

豬舍環境監控系統由主控制器、溫濕度傳感器、光照變換模塊、CO2氣體傳感器、NH3氣傳感器等檢測電路構成，控制部分由繼電器、電源電路、LCD顯示電路、通信電路構成。系統結構框圖如圖2所示。

系統工作原理如下： 光照傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器采用數字接口，直接接到單片機IO口上，二氧化碳氣傳感器和氨氣傳感器采用模擬接口，采集氣體信號轉換為電壓信號，經運放放大，再經過AD 轉換輸入微控制器，LCD液晶屏顯示當前測量的環境參數值。驅動電路根據控制信號開關繼電器和報警器指示。根據環境的控制需要事先把報警和各參數的控制閥值存儲在EEPROM內部，系統用無線通信模塊經由計算機來下達各種命令，如實時查詢各測量值，控制繼電器動作等，來達到對環境的實時監控[3]。由于豬舍環境中氣體的腐蝕性較大，采用一般的空氣傳感器壽命是個問題，所以采用土壤型專用傳感器，它采用I2C總線的數據接口，與微控制器的接口及電路設計都十分簡單。這種傳感器的突出優點是把信號處理和傳感元件集成起來，直接輸出全標定的，能夠被直接讀出數字信號。具有極高的穩定性卓越的可靠性，在同一集成單元內部，集成有14位的A/D轉換器和串行總線接口，具有超強的抗干擾能力。

圖2系統結構圖

氨氣濃度檢測采用MQ-系列氣體傳感器，這種傳感器的特點是采用在干凈空氣中電導率較低的二氧化錫做氣敏材料，MQ-系列氣體傳感器對氨氣的靈敏度高，反應很快，它還可以同時檢測多種混合有含氨的氣體要樣，對有機胺的實時監測也十分理想，另外它的成本也很低，是理想的氨氣濃度檢測選擇。換氣風扇使用大功率的輪轉風機，它的物理結構采用先進的前凸形彎狀葉片、低噪音的轉子采用與電機直連系統，可置于墻壁邊或平放于地面上，風扇電機由于功率較大，工作電壓一般為380 V，普通的單片機一般工作在TTL電平，強電和弱電無法直接連接，因此系統通過繼電器來驅動電機來開關控制風扇，這是一種常用的典型以小電流去控制大電流運作的驅動電路。

本系統設計采用的是STC12C5A60S2單片機，它具有運行速度高、指令周期短、功耗低、抗干擾能力強的特點，與傳統的8051單片機無論從硬件引腳上，還是指令代碼上完全兼容，內容集成有專用的復位電路，內部資源有PWM、ADC控制器、兩個串行口，通過配置可以動態的增加RAM的大小，STC12C5A60S2單片機內部就自帶高達60 KB FLASH ROM，盡管ROM的空間很大，但對它的擦除改寫一點也不受影響，STC系列單片機支持串口程序燒寫。所以只需有一個MAX232電平轉換芯片即實現在線下載，無需另外購置下載器，因而開發成本大大降低，開發時間也大大縮短[4]。

光照傳感器采用BH1750，BH1750單元內部集成有一個16位模數轉換器，它能對環境光進行轉換，然后能夠直接輸出一個數字信號，不需要做復雜的計算，只需要按照輸出的數據格式組合就得到光強值，更為突出的是它量個兩線制的I2C接口，可以和單片機直接相連，無需額外的驅動電路，使用起來非常方便。

3模糊控制參數的設計

豬舍環境控制系統的參數檢測比較多，本設計以溫度監控為例，把溫度設定值與測量值的誤差e 和誤差變化率ec作為模糊控制器的輸入量，出量為閥門開通時間T， 其模糊控制器框圖如圖3所示。

圖3模糊控制器框圖

工作過程如下：控制器定時采樣溫度值和溫度變化率，再與設定值進行比較，進而得到誤差E和誤差變化率Ec，把E和Ec作為模糊控制器的輸入量，而控制繼電器的開通時間作這模糊控制器的輸出[5]。實現模糊控制就是要實現對輸入量模糊化，做模糊推理和把模糊量變為精確量。e和ec模糊化后的模糊量分別為E和Ec，U為模糊控制量，去模糊化后的精確量為T。根據模糊理論的控制要求，輸入變量要進行模糊化加工，輸出變量要進行去模糊化也就是精確化處理。把E的詞集分為七檔，記做{NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}，含義分別是負大、負中、負小、零、正小、正中、正大，變化率ec 及輸出控制量u 的量化等級都為13級，論域為{－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}。E的初值表如表1所列。

表1變量的E賦值表

E -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 +1 +2 +3 +4 +5 +6

NB 1 0.7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

NM 0 0.3 0.7 1 0.3 0 0 0 0 0 0 0 0

NS 0 1 0 0 0.7 0.7 0 0 0 0 0 0 0

Z0 0 0 0 0 0 0.3 1 0.3 0 0 0 0 0

PS 0 0 0 0 0 0 0 0.7 0.7 0 0 1 0

PM 0 0 0 0 0 0 0 0 0.3 1 0.7 0.3 0

PB 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.3 0.7 1

室內溫制受天氣及風速流動因素的影響很大，依據室溫控制經驗及外界不同季節天氣影響的特點，如果e變化較大時，控制量選擇以平均法來克服消除誤差；當室內溫度誤差變化不大時，把控制的精度作為主要方面，控制的目標是平穩，不過沖，得出模糊控制規則如表2所列。表1變量的E賦值表和表2 模糊控制規則表從輸出U的隸屬函數取出與NB0對應的向量，可求得與另外34條模糊控制語句相對應的模糊關系矩陣R2，R3，，，R35，最后根據已知的Ri，（i＝1，2，，，35），再通過矩陣運算得到模糊關系矩陣，這與模糊控制規則表相對應，矩陣運算是由微處理器來完成的，在35條規則中，有一部分是可以合并的，這樣計算機的計算量可以減少。為了得到精確輸出，需要先對E求出對應的模糊向量，對EC求出對應的最大隸屬度，最后進再利用和反模糊化，得出確定的輸出。本系統設計的控制變量輸出信號為控制信號的持續時間，是由于豬舍環境控制對象為開關控制機構。

表2模糊控制規則表

E（偏差） EC（偏差變化）

PB PM PS 0 NS NM NB

PB NM NB NB NB NM 0 0

PM NM NB NB NB NM 0 0

PS NM NM NM NM 0 PS PS

0 NM NM NS 0 PS PM PM

NS NS NS 0 PM PM PM PM

NM 0 0 PM PB PB PB PB

NB 0 PM PM PB PB PB PB

4實驗結果

對幼豬的100 m2小屋內用模糊控制溫度調節系統進行獨立實驗，用一周的時間進行測量分析，把每天分為四個階段，8：00～12：00、13：00～17：00、18：00～22：00、23：00～3：00，每次3個小時的連續監測，隨機抽取一組，實驗測得的數據如圖4所示。

圖4模糊控制溫度響應曲線

從圖中可以看出，控制精度很高，基本上沒有過沖的問題，而采用傳統的調節控制方法，溫度波動很大，過沖量也很大，系統用電量明顯增加，用模糊控制器來控制溫度，響應速度快，溫室內溫度變化小，有利于豬只的生長，適合規模化養殖的需要。

5結語

本文以幼豬生活環境的溫度應用系統的為基礎，采用模糊控制器進行了設計和研究，從開關量簡控制和模糊控制的實驗對比來看，表明了模糊控制器在運行時波運性很小，對豬舍環境溫度來說，過部量基本上可以忽略，模糊控制的精髓是依據經驗根據被控制對象設計模糊控制方案，可以靈活的改變實驗數值，也可以建立模糊經驗值數據庫，供不同條件和環境下查表使用，可提供更加靈活精確的控制，它被控對象的數學模型沒有關系，簡單易行。本項目在對其它量的測量上，如氨氣、二氧化碳氣體的濃度等的控制也采用類似的模糊控制算法，也得到良好效果，從而驗證了模糊控制技術在實際應用上的優越性。

參 考 文 獻

[1]李立峰，武佩，麻碩士，等．哺乳母豬舍環境監控系統的研究[J].農機化研究，2011（11）：195-198

[2]王立舒.日光溫室溫、濕度模糊控制系統研究[J].東北農業大學學報.2010，36（5）：625-627.

[3]郭燕．基于ＳＴＣ單片機的氨氣測控儀的研制[J].自動化技術與應用，2012，31（11）：89-90.

[4]王立新.模糊系統與模糊控制教程[M].北京：清華大學出版社，2008.

[5]賈瑞林，馬紅．基于單片機的溫度測控系統設計[J].西安郵電學院學報，2011，16（S2）：58-59.

作者簡介：刁志剛（1978—），男，淮安信息職業技術學院講師。研究方向為嵌入式通信技術。

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收稿日期：2014-04-10

表1變量的E賦值表

E -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 +1 +2 +3 +4 +5 +6

NB 1 0.7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

NM 0 0.3 0.7 1 0.3 0 0 0 0 0 0 0 0

NS 0 1 0 0 0.7 0.7 0 0 0 0 0 0 0

Z0 0 0 0 0 0 0.3 1 0.3 0 0 0 0 0

PS 0 0 0 0 0 0 0 0.7 0.7 0 0 1 0

PM 0 0 0 0 0 0 0 0 0.3 1 0.7 0.3 0

PB 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.3 0.7 1

室內溫制受天氣及風速流動因素的影響很大，依據室溫控制經驗及外界不同季節天氣影響的特點，如果e變化較大時，控制量選擇以平均法來克服消除誤差；當室內溫度誤差變化不大時，把控制的精度作為主要方面，控制的目標是平穩，不過沖，得出模糊控制規則如表2所列。表1變量的E賦值表和表2 模糊控制規則表從輸出U的隸屬函數取出與NB0對應的向量，可求得與另外34條模糊控制語句相對應的模糊關系矩陣R2，R3，，，R35，最后根據已知的Ri，（i＝1，2，，，35），再通過矩陣運算得到模糊關系矩陣，這與模糊控制規則表相對應，矩陣運算是由微處理器來完成的，在35條規則中，有一部分是可以合并的，這樣計算機的計算量可以減少。為了得到精確輸出，需要先對E求出對應的模糊向量，對EC求出對應的最大隸屬度，最后進再利用和反模糊化，得出確定的輸出。本系統設計的控制變量輸出信號為控制信號的持續時間，是由于豬舍環境控制對象為開關控制機構。

表2模糊控制規則表

E（偏差） EC（偏差變化）

PB PM PS 0 NS NM NB

PB NM NB NB NB NM 0 0

PM NM NB NB NB NM 0 0

PS NM NM NM NM 0 PS PS

0 NM NM NS 0 PS PM PM

NS NS NS 0 PM PM PM PM

NM 0 0 PM PB PB PB PB

NB 0 PM PM PB PB PB PB

4實驗結果

對幼豬的100 m2小屋內用模糊控制溫度調節系統進行獨立實驗，用一周的時間進行測量分析，把每天分為四個階段，8：00～12：00、13：00～17：00、18：00～22：00、23：00～3：00，每次3個小時的連續監測，隨機抽取一組，實驗測得的數據如圖4所示。

圖4模糊控制溫度響應曲線

從圖中可以看出，控制精度很高，基本上沒有過沖的問題，而采用傳統的調節控制方法，溫度波動很大，過沖量也很大，系統用電量明顯增加，用模糊控制器來控制溫度，響應速度快，溫室內溫度變化小，有利于豬只的生長，適合規模化養殖的需要。

5結語

本文以幼豬生活環境的溫度應用系統的為基礎，采用模糊控制器進行了設計和研究，從開關量簡控制和模糊控制的實驗對比來看，表明了模糊控制器在運行時波運性很小，對豬舍環境溫度來說，過部量基本上可以忽略，模糊控制的精髓是依據經驗根據被控制對象設計模糊控制方案，可以靈活的改變實驗數值，也可以建立模糊經驗值數據庫，供不同條件和環境下查表使用，可提供更加靈活精確的控制，它被控對象的數學模型沒有關系，簡單易行。本項目在對其它量的測量上，如氨氣、二氧化碳氣體的濃度等的控制也采用類似的模糊控制算法，也得到良好效果，從而驗證了模糊控制技術在實際應用上的優越性。

參 考 文 獻

[1]李立峰，武佩，麻碩士，等．哺乳母豬舍環境監控系統的研究[J].農機化研究，2011（11）：195-198

[2]王立舒.日光溫室溫、濕度模糊控制系統研究[J].東北農業大學學報.2010，36（5）：625-627.

[3]郭燕．基于ＳＴＣ單片機的氨氣測控儀的研制[J].自動化技術與應用，2012，31（11）：89-90.

[4]王立新.模糊系統與模糊控制教程[M].北京：清華大學出版社，2008.

[5]賈瑞林，馬紅．基于單片機的溫度測控系統設計[J].西安郵電學院學報，2011，16（S2）：58-59.

作者簡介：刁志剛（1978—），男，淮安信息職業技術學院講師。研究方向為嵌入式通信技術。

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收稿日期：2014-04-10

表1變量的E賦值表

E -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 +1 +2 +3 +4 +5 +6

NB 1 0.7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

NM 0 0.3 0.7 1 0.3 0 0 0 0 0 0 0 0

NS 0 1 0 0 0.7 0.7 0 0 0 0 0 0 0

Z0 0 0 0 0 0 0.3 1 0.3 0 0 0 0 0

PS 0 0 0 0 0 0 0 0.7 0.7 0 0 1 0

PM 0 0 0 0 0 0 0 0 0.3 1 0.7 0.3 0

PB 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.3 0.7 1

室內溫制受天氣及風速流動因素的影響很大，依據室溫控制經驗及外界不同季節天氣影響的特點，如果e變化較大時，控制量選擇以平均法來克服消除誤差；當室內溫度誤差變化不大時，把控制的精度作為主要方面，控制的目標是平穩，不過沖，得出模糊控制規則如表2所列。表1變量的E賦值表和表2 模糊控制規則表從輸出U的隸屬函數取出與NB0對應的向量，可求得與另外34條模糊控制語句相對應的模糊關系矩陣R2，R3，，，R35，最后根據已知的Ri，（i＝1，2，，，35），再通過矩陣運算得到模糊關系矩陣，這與模糊控制規則表相對應，矩陣運算是由微處理器來完成的，在35條規則中，有一部分是可以合并的，這樣計算機的計算量可以減少。為了得到精確輸出，需要先對E求出對應的模糊向量，對EC求出對應的最大隸屬度，最后進再利用和反模糊化，得出確定的輸出。本系統設計的控制變量輸出信號為控制信號的持續時間，是由于豬舍環境控制對象為開關控制機構。

表2模糊控制規則表

E（偏差） EC（偏差變化）

PB PM PS 0 NS NM NB

PB NM NB NB NB NM 0 0

PM NM NB NB NB NM 0 0

PS NM NM NM NM 0 PS PS

0 NM NM NS 0 PS PM PM

NS NS NS 0 PM PM PM PM

NM 0 0 PM PB PB PB PB

NB 0 PM PM PB PB PB PB

4實驗結果

對幼豬的100 m2小屋內用模糊控制溫度調節系統進行獨立實驗，用一周的時間進行測量分析，把每天分為四個階段，8：00～12：00、13：00～17：00、18：00～22：00、23：00～3：00，每次3個小時的連續監測，隨機抽取一組，實驗測得的數據如圖4所示。

圖4模糊控制溫度響應曲線

從圖中可以看出，控制精度很高，基本上沒有過沖的問題，而采用傳統的調節控制方法，溫度波動很大，過沖量也很大，系統用電量明顯增加，用模糊控制器來控制溫度，響應速度快，溫室內溫度變化小，有利于豬只的生長，適合規模化養殖的需要。

5結語

本文以幼豬生活環境的溫度應用系統的為基礎，采用模糊控制器進行了設計和研究，從開關量簡控制和模糊控制的實驗對比來看，表明了模糊控制器在運行時波運性很小，對豬舍環境溫度來說，過部量基本上可以忽略，模糊控制的精髓是依據經驗根據被控制對象設計模糊控制方案，可以靈活的改變實驗數值，也可以建立模糊經驗值數據庫，供不同條件和環境下查表使用，可提供更加靈活精確的控制，它被控對象的數學模型沒有關系，簡單易行。本項目在對其它量的測量上，如氨氣、二氧化碳氣體的濃度等的控制也采用類似的模糊控制算法，也得到良好效果，從而驗證了模糊控制技術在實際應用上的優越性。

參 考 文 獻

[1]李立峰，武佩，麻碩士，等．哺乳母豬舍環境監控系統的研究[J].農機化研究，2011（11）：195-198

[2]王立舒.日光溫室溫、濕度模糊控制系統研究[J].東北農業大學學報.2010，36（5）：625-627.

[3]郭燕．基于ＳＴＣ單片機的氨氣測控儀的研制[J].自動化技術與應用，2012，31（11）：89-90.

[4]王立新.模糊系統與模糊控制教程[M].北京：清華大學出版社，2008.

[5]賈瑞林，馬紅．基于單片機的溫度測控系統設計[J].西安郵電學院學報，2011，16（S2）：58-59.

作者簡介：刁志剛（1978—），男，淮安信息職業技術學院講師。研究方向為嵌入式通信技術。

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收稿日期：2014-04-10