基于物聯(lián)網(wǎng)的花卉大棚模糊智控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄒志勇，許麗佳，康志亮，周 曼，劉 斌

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，雅安 625014）

隨著人民生活品質(zhì)的不斷提高及各種慶典活動(dòng)、禮儀儀式的增加，花卉市場(chǎng)需求量在大幅增加，傳統(tǒng)的花卉生產(chǎn)模式已滿足不了市場(chǎng)的供求。近幾年針對(duì)溫室大棚的控制，許多學(xué)者提出了多種方法，文獻(xiàn)[1]提出了設(shè)施花卉環(huán)境參數(shù)低功耗傳輸及模糊控制研究方法；文獻(xiàn)[2]開發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的花卉大棚溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；文獻(xiàn)[3]提出了花卉溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究方法；文獻(xiàn)[4]提出了嵌入式遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)在大棚供暖中的應(yīng)用；文獻(xiàn)[5]提出了溫室環(huán)境信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[6]提出了溫室溫度控制系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制方法；文獻(xiàn)[7]提出了溫室環(huán)境參數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建與CC2530傳輸特性分析方法；文獻(xiàn)[8]提出了基于ZigBee和Internet的溫室群環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[9]開發(fā)出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；文獻(xiàn)[10]提出了復(fù)雜大系統(tǒng)條件下日光溫室農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)方法；本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為花卉大棚設(shè)計(jì)出一種智能監(jiān)控系統(tǒng)，旨在提高花卉大棚的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是21世紀(jì)的一項(xiàng)新興技術(shù)，得到各國(guó)的高度重視，物聯(lián)網(wǎng)主要由感知層、傳輸層、應(yīng)用層組成，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究與發(fā)展將會(huì)影響現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展進(jìn)程，將會(huì)對(duì)整個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系的變革產(chǎn)生巨大的作用[11]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

影響花卉生長(zhǎng)的主要參數(shù)有大氣溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度、土壤水分[1]，為實(shí)現(xiàn)各參數(shù)有效檢測(cè)及調(diào)控，提出如圖1所示物聯(lián)網(wǎng)智控系統(tǒng)。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)智控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the IOT intelligent control system

系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)程監(jiān)控PC機(jī)、用戶手機(jī)終端共同組成，各節(jié)點(diǎn)都采用遵循ZigBee協(xié)議的CC2530無線單片機(jī)為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)。CC2530無線單片機(jī)是美國(guó)TI公司研制的一種片上系統(tǒng)，它結(jié)合性能領(lǐng)先的RF收發(fā)器，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，具有出色的靈敏度和抗干擾能力，同時(shí)還具有強(qiáng)大的GPIO接口。路由節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)器采用TI公司推薦的最小應(yīng)用系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而成，電路簡(jiǎn)單、可靠。傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)合傳感器信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。控制節(jié)點(diǎn)結(jié)合繼電器驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。遠(yuǎn)程監(jiān)控PC機(jī)的監(jiān)控程序和用戶手機(jī)監(jiān)控程序采用Java程序語言進(jìn)行開發(fā)。CC2530無線單片機(jī)程序設(shè)計(jì)是在TI公司ZStack協(xié)議棧基礎(chǔ)上進(jìn)行二次應(yīng)用開發(fā)。傳感器節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)采用12 V 5Ah蓄電池提供電能，路由節(jié)點(diǎn)采用3 V干電池提供電能，移動(dòng)電源供電使用靈活，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)由220 V交流電壓經(jīng)電源適配器調(diào)整輸電的12 V直流供電。為節(jié)約能耗，通過繼電器開關(guān)控制傳感器電路的電源，當(dāng)采集周期到時(shí)接通傳感器電路的電源，反之切斷傳感器電路的供電。

2 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

大氣溫濕度傳感器采用高性價(jià)比的AM2302模塊，它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。AM2302模塊通信采用的是SDI-12總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，傳感器節(jié)點(diǎn)的CC2530無線單片機(jī)通過其P1.0端口編程讀取溫濕度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)獲取的方式通過以下3個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)。

步驟1通過SDI-12總線端口寫入采集命令控制字，AM2302模塊做出響應(yīng)，控制字格式為“aM!”，‘a(chǎn)’表示地址，‘M’表示采集命令，‘！’表示控制字結(jié)束符。

步驟2由AM2302模塊做出響應(yīng)，數(shù)據(jù)格式為“atttn”，‘a(chǎn)’表示為本傳感器的地址，‘ttt’表示本次測(cè)量的時(shí)間以秒為單位，‘n’表示數(shù)據(jù)量，AM2302模塊返回2。

步驟3再次發(fā)送數(shù)據(jù)獲取控制字“aD0！”，即可獲取AM2302模塊測(cè)量出的花卉大棚里大氣溫濕度數(shù)據(jù)。

光照強(qiáng)度檢測(cè)采用ISL29010模塊，ISL29010模塊是一個(gè)集成的光電傳感器，擁有I2C接口。傳感器節(jié)點(diǎn)的CC2530無線單片機(jī)通過其P1.1、P1.2端口向ISL29010模塊的I2C接口寫入控制字即可獲取光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)ISL29010模塊的控制字設(shè)置為 COMMAND=0x88、CONTROL=0x0C， 通過讀ISL29010模塊的數(shù)據(jù)寄存器0x04和0x05地址獲取光照強(qiáng)度值，實(shí)現(xiàn)花卉大棚里的光照強(qiáng)度參數(shù)采集。

CO2濃度測(cè)量采用AJD-VCO2模塊，它是一個(gè)0～5 V直流電壓輸出的集成模塊，傳感器節(jié)點(diǎn)的CC2530無線單片機(jī)通過其P2.1端口接AJD-VCO2模塊的模擬電壓輸出端口，實(shí)現(xiàn)花卉大棚里的CO2濃度參數(shù)采集，CC2530無線單片機(jī)的P2.1端口是其內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入端口。

選用FDS100土壤水分傳感器模塊，該傳感器模塊是基于介電理論并運(yùn)用頻域測(cè)量技術(shù)研制開發(fā)的，能夠精確測(cè)量土壤的含水量，它具有響應(yīng)速度快、重復(fù)性好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、防水防潮、傳輸距離遠(yuǎn)、工作溫度范圍寬等特點(diǎn)。FDS100模塊輸出的信號(hào)為電流信號(hào)，因此采用二級(jí)運(yùn)放電路進(jìn)行處理，第一級(jí)采用精密運(yùn)放OP07將電流轉(zhuǎn)換成電壓，第二級(jí)采用高增益運(yùn)放UA741與直流電壓進(jìn)行求和運(yùn)算，UA741輸出的電壓送至CC2530無線單片機(jī)的P2.2端口進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，即可實(shí)現(xiàn)花卉大棚里的土壤水分參數(shù)采集。

3 控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

控制節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)加熱風(fēng)機(jī)、補(bǔ)光燈、加濕器、遮光布的控制，因4種調(diào)節(jié)設(shè)備安置在花卉大棚的不同區(qū)域，由4塊CC2530無線單片機(jī)進(jìn)行控制，CC2530無線單片機(jī)的P1.0端口驅(qū)動(dòng)9013三極管實(shí)現(xiàn)繼電器開關(guān)控制，由繼電器開關(guān)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)調(diào)節(jié)設(shè)備控制。

4 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是傳感器節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控PC機(jī)通信的橋梁，負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)的匯聚、ZigBee網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)管理，因此選用具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力的32位S3C6410嵌入式控制器為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)。為提高電路設(shè)計(jì)的電磁兼容性和維護(hù)的方便性，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)采用核心板加底板的設(shè)計(jì)思路。核心板由S3C6410嵌入式控制器、2片K4X1G163PC-FGC6存儲(chǔ)器接成256 GB容量的SDRAM、2片K9GAG08U0E-S存儲(chǔ)器接成4 GB容量的NAND Flash共同組成。底板主要由電源模塊、USB接口、JTAG接口、LCD接口、URAT接口組成。

S3C6410嵌入式控制器的UART接口與CC2530無線單片機(jī)的串口相連，實(shí)現(xiàn)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的相互通信，同時(shí)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上的CC2530無線單片機(jī)擔(dān)當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器。圖像采集模塊選用T6836WIP，它通過30萬像素逐行CMOS傳感器獲取圖像信息，具有自動(dòng)白平衡、自動(dòng)增益控制、自動(dòng)背光補(bǔ)償，內(nèi)置控制器和WiFi通信，S3C6410嵌入式控制器的I2C接口與WiFi通信模塊相連，即可實(shí)現(xiàn)大棚實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)的采集。為了直觀顯示和方便操控，顯示器選用AT070TN83V 7寸液晶觸摸屏，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示和觸摸操控。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)通過Platform軟件自行定制出WinCE6.0嵌入式操作系統(tǒng)。為有效管理數(shù)據(jù)，在WinCE6.0嵌入式操作系統(tǒng)上移植SQlite嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)，SQlite具有體積小、源代碼開放、運(yùn)行內(nèi)存所需存儲(chǔ)量小、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，將sqlite.lib、sqlite.dll 2個(gè)庫(kù)文件加入WinCE6.0系統(tǒng)的應(yīng)用程序工程，通過調(diào)用SQlite的API函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)SQlite嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)的操作。各參數(shù)智能調(diào)節(jié)采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行閉環(huán)控制，智控系統(tǒng)程序流程如圖2所示[12]。

圖2 智控系統(tǒng)程序流程圖Fig.2 Flow chart of the intelligent control system

5 模糊控制器設(shè)計(jì)

以光照強(qiáng)度控制為例進(jìn)行設(shè)計(jì)，光照強(qiáng)度控制在8800～9200 lx，光照強(qiáng)度目標(biāo)值設(shè)定為9000 lx，超出控制范圍由硬件電路報(bào)警并同時(shí)向管理者手機(jī)發(fā)送警報(bào)短信，針對(duì)光照強(qiáng)度控制的模糊控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示，以光照強(qiáng)度目標(biāo)值和實(shí)測(cè)光照強(qiáng)度的誤差為光照強(qiáng)度偏差e的輸入量，光照強(qiáng)度偏差e的變化作為ec輸入量，調(diào)壓器的調(diào)節(jié)電壓值為控制器的輸出量u。e，ec和u對(duì)應(yīng)的模糊變量分別設(shè)為E，EC和U，3個(gè)模糊變量的模糊量設(shè)為E=EC=U=｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝。

圖3 光照強(qiáng)度的模糊控制器結(jié)構(gòu)Fig.3 Fuzzy controller structure of illumination intensity

e 的論域?yàn)椋?800，9200］（lx），并將 e 的大小量化為 7 個(gè)等級(jí)，模糊數(shù)表示為｛-3，-2，-1，0，+1，+2，+3｝，則對(duì)應(yīng)的模糊論域?yàn)椋?3，3］，由式（1）求出量化因子 ke，式中 nj為 3，b 為 9200，a 為 8800，得出ke=0.015。光照強(qiáng)度5 min調(diào)節(jié)一次，ec的論域?yàn)椋?1.33，1.33］（lx/s），將 ec 的大小量化為 7 個(gè)等級(jí)，模糊數(shù)表示為｛-3，-2，-1，0，+1，+2，+3｝，則對(duì)應(yīng)的模糊論域?yàn)椋?3，3］，同理得出 kec=2.25。 u的輸出值對(duì)應(yīng)為［-5，5］（V），將 u 的大小量化為 9 個(gè)等級(jí)，模糊數(shù)表示為｛-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4｝，則對(duì)應(yīng)的模糊論域?yàn)椋?4，4］，由式（2）求出輸出比例因子ku，式中u為5，n為4，得出ku=1.25。各變量均選用三角形隸屬函數(shù)，具有使用穩(wěn)定、簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)E較大時(shí)輸出響應(yīng)快，E較小時(shí)輸出精度高而且超調(diào)量少，輸出量U的隸屬函數(shù)設(shè)置成中間密、兩端疏；3個(gè)模糊變量的隸屬函數(shù)如圖4所示[13]。

圖4 E、EC、U的隸屬函數(shù)Fig.4 Membership function of E、EC and U

采用if A and B then C模糊條件推理方法，根據(jù)實(shí)踐調(diào)試經(jīng)驗(yàn)得出表1所示模糊控制規(guī)則表，共49條控制規(guī)則，反模糊化采用最大隸屬度平均值法。其它環(huán)境參數(shù)的模糊控制器設(shè)計(jì)相似[14]。

表1 模糊控制規(guī)則表Tab.1 Control rule of fuzzy algorithm

6 系統(tǒng)試驗(yàn)

按圖1所示結(jié)構(gòu)組建智能監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。模糊控制器移植在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的S3C6410嵌入式控制器上以輸出響應(yīng)表的形式實(shí)現(xiàn)。在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上設(shè)定花卉大棚各環(huán)境參數(shù)為大氣溫度9.5℃，大氣濕度68%，光照強(qiáng)度8000 lx，土壤水分7.5%，CO2濃度400 ppm。大氣溫度調(diào)節(jié)通過加熱風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)，大氣濕度調(diào)節(jié)通過加濕器實(shí)現(xiàn)，光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)通過補(bǔ)光燈和遮陽窗簾實(shí)現(xiàn)，土壤水分調(diào)節(jié)通過噴灌實(shí)現(xiàn)，CO2濃度調(diào)節(jié)通過進(jìn)風(fēng)電機(jī)和出風(fēng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)儀器檢測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示，數(shù)據(jù)表明24 h內(nèi)大氣溫度偏差控制在±0.6℃范圍內(nèi)，大氣濕度偏差控制在±1.4%范圍內(nèi)，光照強(qiáng)度偏差控制在±282 lx范圍內(nèi)，土壤水分偏差控制在±0.8%范圍內(nèi)，CO2濃度偏差控制在±28 ppm范圍內(nèi)，閉環(huán)調(diào)節(jié)精度完全滿足系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的需求。

表2 溫度、濕度、光照、土壤水分和CO2試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of temperature and humidity，illumination intensity，soil water content，CO2concentration

7 結(jié)語

為花卉大棚設(shè)計(jì)出一種物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)，硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)大氣溫度、大氣濕度、光照強(qiáng)度、土壤水分、CO2濃度傳感器信號(hào)采集電路、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；ZigBee網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)在TI公司ZStack協(xié)議棧的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)二次開發(fā)，在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上自行定制出WinCE6.0嵌入式操作系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)有效管理在WinCE6.0上實(shí)現(xiàn)SQLite嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)。在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能算法，閉環(huán)控制結(jié)果表明，大氣溫度偏差在±0.6℃范圍內(nèi)，大氣濕度偏差在±1.4%范圍內(nèi)，光照強(qiáng)度偏差在±282 lx范圍內(nèi)，土壤水分偏差在±0.8%范圍內(nèi)，CO2濃度偏差在±28 ppm范圍內(nèi)，控制效果良好。

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