針對西紅柿生長特性的物聯(lián)網(wǎng)集成控制的溫室智能通風(fēng)系統(tǒng)的研究與設(shè)計

王冉冉　于蓮雙　牟華偉　郭鵬軍　王金星

摘 要：針對西紅柿喜溫的生長特性以及溫室用戶大規(guī)模手工操作等特點(diǎn)，對傳統(tǒng)的溫室大棚參數(shù)控制進(jìn)行改進(jìn)，將PID控制與模糊算法相結(jié)合對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化控制，采用瑞薩智能控制芯片對整個系統(tǒng)進(jìn)項(xiàng)智能控制，利用物聯(lián)網(wǎng)集成控制實(shí)現(xiàn)對大棚的參數(shù)智能控制，實(shí)現(xiàn)了大棚參數(shù)的優(yōu)化控制。

關(guān)鍵詞：西紅柿生長特性；溫室環(huán)境；物聯(lián)網(wǎng)；集成控制；PID控制；模糊算法

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識號：A

On Tomato Growth Characteristics of the Internet of Things Intelligent Greenhouse Ventilation System of Integrated

Control in the Research and Design

WANG Ranran1， YU Lianshuang1 ， MOU Huawei2， GUO Pengjun1 ， WANG Jinxing*

（1 Institute of Electrical and Mechanical， Shandong Agricultural University， Taian Shandong 271018， China；

2 Shandong Garden Machinery and Equipment Mainly Experiment Room， Shandong Agricultural University， Taian Shandong 271018，China）

Abstract： Aimed at tomato growth properties of thermophilic and greenhouse users against large-scale characteristics of manual operation， the paper improves the traditional greenhouses parameter control， combining with fuzzy PID control algorithm for parameters optimization control， inputs to the system using renesas intelligent control chip intelligent control， and uses the Internet of things the parameters of the integrated control of greenhouse intelligent parameters，therefore realizes the greenhouse parameters optimization control.

Keywords： Tomato Growth Characteristics； Greenhouse Environment； Internet of Things； Integrated Control； PID Control； Fuzzy Algorithm

0 引 言

現(xiàn)代溫室是近年來發(fā)展起來的一種資源節(jié)約型的高效農(nóng)業(yè)技術(shù)，溫室大棚是設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分，是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)之一，國內(nèi)外溫室種植業(yè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，提高溫室的信息化控制和管理水平可充分發(fā)揮溫室農(nóng)業(yè)的高效性。

大多數(shù)的溫室大棚都種植西紅柿，西紅柿是喜溫性蔬菜，溫度過低，不能開花或授粉受精不良，導(dǎo)致落花甚至停止生長等生殖培育障礙。溫度過高，生殖生長受到干擾與破壞，即使是短時間的高溫，也會產(chǎn)生生理性干擾，導(dǎo)致落花落果或果實(shí)不發(fā)育[1]。不同生育時期對溫度的要求及反應(yīng)是有差別的。種子發(fā)芽的適宜溫度為25～30℃。開花期對溫度比較敏感，過低或過高都不利于花器官的正常發(fā)育。結(jié)果期白天適溫為25～28℃，夜溫為16～20℃，溫度低，果實(shí)生長速度慢，日溫增高到30～35℃時，果實(shí)生長速度較快，但著果少，夜溫過高不利于營養(yǎng)物質(zhì)積累，果實(shí)發(fā)育不良。26～28℃以上的高溫能抑制番茄茄紅素及其它色素的形成，影響果實(shí)正常轉(zhuǎn)色。西紅柿根系生長最適土溫為20～22℃[2]。提高土溫不僅能促進(jìn)根系發(fā)育，同時土壤中硝態(tài)氮含量顯著增加，生長發(fā)育加速，產(chǎn)量也必將大幅提升。

然而現(xiàn)在大多數(shù)溫室大棚溫度控制精度低，電機(jī)動作時間長等問題造成溫室的溫度不在適宜溫度范圍內(nèi)，造成西紅柿減產(chǎn)、各種病變等問題。由此可以看出溫室智能控制技術(shù)[3]對于西紅柿的生長有著至關(guān)重要的作用。研究開發(fā)出符合我國國情，能夠帶來明顯經(jīng)濟(jì)效益、并可適用于大面積推廣應(yīng)用的溫室自控系統(tǒng)即已成為目下迫切需要解決的關(guān)鍵技術(shù)課題。基于以上種種原因，針對我國的溫室植物生長特性，進(jìn)行了溫室中溫度，濕度，光照等單項(xiàng)環(huán)境因子的控制技術(shù)研究。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

溫室智能通風(fēng)系統(tǒng)包括兩種控制：手動控制和自動控制。該通風(fēng)系統(tǒng)的手動部分是用戶通過手機(jī)客戶端或是手動遙控器控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)口的開合，當(dāng)系統(tǒng)的手動部分工作時，自動控制是不響應(yīng)的。該通風(fēng)系統(tǒng)的自動部分采用總線通信集中控制方式，主要由機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和無線通信網(wǎng)絡(luò)組成，其中控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)采集溫室內(nèi)部空氣環(huán)境以及土壤環(huán)境信息，并由下位機(jī)數(shù)據(jù)采集控制模塊驅(qū)動通風(fēng)口的開合， GPRS模塊將數(shù)據(jù)采集控制模塊通過移動網(wǎng)絡(luò)并入物聯(lián)網(wǎng)——溫室綜合管理平臺，系統(tǒng)工作框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作框圖

Fig.1 System block diagram

該系統(tǒng)自動工作過程如下：通過溫控器的觸摸屏設(shè)定溫室西紅柿生長的上下限溫度以及電機(jī)的工作時間后，溫控系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。下位機(jī)通過采集控制模塊實(shí)時采集溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，上位機(jī)通過485通信地址掃描的方式逐個采集下位機(jī)上的地址信息，地址配對成功后下位機(jī)將相應(yīng)數(shù)據(jù)上傳。下位機(jī)通過485通信接收上位機(jī)的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)包括溫室內(nèi)的上下限溫度以及電機(jī)的工作時間，下位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)每三分鐘與用戶提前設(shè)定好的溫度進(jìn)行比較，同時判斷通風(fēng)口的位置，再控制下位機(jī)驅(qū)動對應(yīng)位置的電機(jī)動作，帶動減速器正反轉(zhuǎn)，從而開關(guān)通風(fēng)口，同時上位機(jī)采集到的溫濕度會在屏幕上實(shí)時顯示。

為滿足用戶特定要求，該系統(tǒng)設(shè)置手動工作：用戶選擇手動模式，此時下位機(jī)上的無線接收模塊開始工作，當(dāng)接收到對應(yīng)編碼遙控器的控制信號時，下位機(jī)根據(jù)不同按鍵的鍵值控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 控制方案圖如圖2所示。

圖2 控制方案圖

Fig.2 Control scheme

2 硬件設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)通過遠(yuǎn)程或自動控制濕簾風(fēng)機(jī)、內(nèi)外電機(jī)等設(shè)備，保證溫室大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)在最適宜作物生長的范圍，同時，該物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)還可以通過手機(jī)流量或是短信向用戶發(fā)送實(shí)時監(jiān)測信息、預(yù)警信息，實(shí)現(xiàn)溫室大棚集成化、網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程管理。物聯(lián)網(wǎng)通過溫控器的采集模塊采集到的參數(shù)來實(shí)時控制溫控器執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作以調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的參數(shù)，使得溫室內(nèi)的作物能得到最適宜的生長條件。

溫控器包括顯示和采集執(zhí)行控制兩部分，顯示模塊的作用是顯示溫室內(nèi)各個部分的空氣以及土壤的溫濕度、溫室的二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度等；采集執(zhí)行模塊的作用有兩部分，一部分是與顯示模塊通信，互傳數(shù)據(jù)。顯示模塊將手工設(shè)置的參數(shù)傳送給采集模塊，作為采集執(zhí)行模塊比較的標(biāo)準(zhǔn)，采集執(zhí)行模塊將溫室的實(shí)時數(shù)據(jù)上傳顯示模塊，便于用戶了解大棚環(huán)境參數(shù)；另一部分是用戶可以通過手機(jī)GPRS手動控制溫室內(nèi)的風(fēng)機(jī)、幕簾、澆灌設(shè)施等，硬件設(shè)計元件原理圖如圖3所示。

圖3 硬件設(shè)計原理圖

Fig.3 Principle diagram of the hardware design

3 軟件設(shè)計

用戶根據(jù)溫室內(nèi)西紅柿的不同生長期對智能溫室通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置溫室內(nèi)的上下限溫度，設(shè)置成功之后，下位機(jī)將上下限溫度以及電機(jī)的工作時間傳送給物聯(lián)網(wǎng)平臺以及下位機(jī)，下位機(jī)通過尋址的方式接受上位機(jī)的數(shù)據(jù)，接受數(shù)據(jù)成功后，上位機(jī)將接收到尋址成功信息。上位機(jī)三分鐘之后通過尋址的方式詢問下位機(jī)的溫度數(shù)據(jù)以及電機(jī)的位置，下位機(jī)采集到數(shù)據(jù)信息與接收上位機(jī)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而判斷電機(jī)的開關(guān)。整個系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)工作流程圖

Fig.4 System implementation flowchart

物聯(lián)網(wǎng)交換平臺系統(tǒng)的操作界面就是基于VB程序設(shè)計的。上位機(jī)的軟件設(shè)計主要包括三部分內(nèi)容：數(shù)據(jù)采集與通訊控制軟件設(shè)計、數(shù)據(jù)處理與繪制曲線圖軟件設(shè)計和結(jié)果分析與處理軟件設(shè)計。利用Microsoft SQL server 2008數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，根據(jù)各模塊的實(shí)際要求事先設(shè)計好庫中各表的索引、約束、規(guī)則、存儲過程等，便于各模塊對共用的數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)一引用，并可以保證數(shù)據(jù)庫的完整性。為保障數(shù)據(jù)庫的安全，利用Microsoft SQL server 2008的系統(tǒng)授權(quán)機(jī)制，根據(jù)用戶設(shè)置不同的權(quán)限，可以對庫進(jìn)行不同操作，并結(jié)合系統(tǒng)管理模塊中的用戶權(quán)限進(jìn)行管理。

該系統(tǒng)手機(jī)客戶端和物聯(lián)網(wǎng)平臺控制過程如下：根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)M2M設(shè)備與平臺通訊協(xié)議，通過平臺發(fā)送控制信號給對應(yīng)地址的上位機(jī)，或者通過手機(jī)客戶端發(fā)送控制信號給平臺，再由平臺發(fā)送給對應(yīng)地址的上位機(jī)，從而完成通風(fēng)口的開合。系統(tǒng)也可自動采集圖像，通過小波特征提取，依據(jù)數(shù)據(jù)庫作物生長模型自動控制日光溫室溫度。同時上位機(jī)可以通過鏈路心跳、狀態(tài)心跳和數(shù)據(jù)上報實(shí)現(xiàn)永不掉線、時鐘同步、實(shí)時環(huán)境數(shù)據(jù)等功能，用戶可通過物聯(lián)網(wǎng)平臺分析各處溫室的環(huán)境變化趨勢，對溫室實(shí)現(xiàn)更好的控制。

由于上下位機(jī)系統(tǒng)傳送的數(shù)據(jù)比較多和各種干擾的存在，因此在軟件設(shè)計中要對上位機(jī)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)。若處理正確則直接將數(shù)據(jù)保存和處理，否則向控制系統(tǒng)發(fā)送錯誤信號要求控制系統(tǒng)重新發(fā)送。

4 算法處理

現(xiàn)有種植西紅柿的溫室多數(shù)沒有利用算法控制，大多是用戶手動控制，正因?yàn)檫@樣，溫室內(nèi)的溫濕度得不到很好的控制，因此溫室內(nèi)的西紅柿在幼苗期的死亡率就高達(dá)32.4%，更甚是開花期以及上色期溫濕度控制不得當(dāng)造成西紅柿的結(jié)果率、上色率下降，所以利用算法智能校正溫度的適宜范圍可以保證西紅柿的各個生長期的正常生長[4]。

一些溫室大棚也采用算法來智能控制溫室溫度，常見的就是PID控制，僅僅只是對偏量的比例、積分、微分作用，由于積分作用的缺陷，從而導(dǎo)致減少超調(diào)與提高精度不能兼顧[5]，得不到完美的智能控制，所以需要改進(jìn)現(xiàn)有的算法控制才能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的溫度智能控制。其中積分時間越小，積分作用就越大，然而常規(guī)控制并不能實(shí)現(xiàn)精確度的提高，這主要是因?yàn)榉e分作用導(dǎo)致的。綜上可知，在積分作用上要盡量減小其影響，為此可將PID控制改進(jìn)為：輸出=比例作用（P）+積分作用（I）+微分作用（D）+微積分作用（∫I），添加了微積分作用后，積分作用的影響將相應(yīng)降低，但是這樣參數(shù)更多，參數(shù)間的影響也會更加地不確定。各控制作用間的關(guān)系如下：

比例作用 ；積分作用

式中， K是系數(shù)；T是滯后時間與控制周期的比值（t 1）；d是微分作用。

由此PID改進(jìn)算法公式為：

輸出= （1）

M值越小，系統(tǒng)的積分作用就會越強(qiáng)；M值越大，積分作用就越弱。由此設(shè)定M=0，這樣系統(tǒng)的積分作用就接近于0。P值越大，比例作用與微分作用即成比例增加；P值越小，比例作用與積分作用將成比例減小，而且P值與積分作用無關(guān)。滯后參數(shù)t定義為升溫速率達(dá)到最大值的35.6%時所需的時間，其單位是秒，正確設(shè)置時間，可從根本上溫度控制的精確度，具體地，t值的變化可對調(diào)節(jié)作用中的比例和微分起作用。

研究發(fā)現(xiàn)僅僅是升級的PID控制也不能實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)之間的耦合問題，由此提出模糊算法控制，這種算法對于強(qiáng)耦合、多變量、時滯的復(fù)雜管理系統(tǒng)[6]而言，對測量誤差不敏感，能夠從總體上調(diào)節(jié)各變量之間的關(guān)系，很適合溫室大棚的自控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是先將溫控器AD采到數(shù)據(jù)量實(shí)施模糊化[7]，然后經(jīng)過輸入量模糊推理，再經(jīng)解模糊變換而輸出為單片機(jī)能識別的數(shù)字量，由此驅(qū)動電機(jī)來控制實(shí)現(xiàn)溫室大棚通風(fēng)口的開關(guān)，使溫室的溫度達(dá)到西紅柿的適宜生長范圍[8]。模糊處理系統(tǒng)的設(shè)計是模糊控制系統(tǒng)的核心[9]，模糊處理系統(tǒng)設(shè)計則如圖6所示。

W U

EC

圖5 模糊處理系統(tǒng)

Fig.5 Fuzzy processing system

如圖5所示，以溫度參數(shù)為例，輸入溫度偏差e和偏差變化率ec經(jīng)過量化因子取K1=1和K2=1進(jìn)行變換，生成模糊論域上的兩個模糊集E、EC，隨后進(jìn)行模糊推理和解模糊處理，得到輸出模糊論域上的控制量（溫度參數(shù)），再將W（溫度參數(shù)）轉(zhuǎn)換成實(shí)際的控制量U（電機(jī)電壓）輸出，從而控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。設(shè)溫度偏差e基本論域?yàn)閇-5℃，5℃]，其模糊論域E={-3，-2，-1，0，1，2，3}，可求得溫度偏差e的量化因子K1=3/5；偏差變化率ec的基本論域?yàn)閇-3℃，3℃]，取其模糊論域EC={-3，-2，-1，0，1，2，3}，則偏差變化率ec的量化因子K2=3/3=1；并將控制量U量化為9個等級W={-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}。實(shí)際處理中，用16位的RL780C002單片機(jī)處理U，經(jīng)過DA轉(zhuǎn)化后即可控制電機(jī)驅(qū)動芯片，驅(qū)動電機(jī)正反轉(zhuǎn)。K1、K2的作用是使得輸入量從基本論域向模糊論域轉(zhuǎn)化，也就是基本論域中的一點(diǎn)經(jīng)過量化后映射到模糊論域中最相近的整數(shù)點(diǎn)，再經(jīng)過模糊處理作用，進(jìn)而控制電機(jī)。用MATLAB仿真[10]得到的溫度仿真結(jié)果可以看出溫度在1-1.5min內(nèi)可以回到預(yù)設(shè)定的適宜溫度值范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了短時間內(nèi)溫度優(yōu)化控制，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 溫度階躍響應(yīng)圖

Fig.6 Temperature step response

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

（1）系統(tǒng)全自動實(shí)現(xiàn)溫控，用戶無需擔(dān)心因通風(fēng)口大小對于西紅柿生長造成減產(chǎn)影響，減少了勞動力，節(jié)約了成本。

（2）根據(jù)植物不同生長期情況進(jìn)行精準(zhǔn)通風(fēng)溫控而非傳統(tǒng)純粹根據(jù)個人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行通風(fēng)，避免了人工通風(fēng)的隨意性，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化農(nóng)業(yè)，精準(zhǔn)量化通風(fēng)溫控。

（3） 使用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集，用戶在辦公室內(nèi)就可以得到遠(yuǎn)隔千里的溫室溫度濕度等數(shù)據(jù)。

（4）將該溫控系統(tǒng)與其他產(chǎn)品做比較實(shí)驗(yàn)，該溫控系統(tǒng)更能提高西紅柿的成活率以及結(jié)果率并且減少大棚用戶的工作量，實(shí)用性高，獨(dú)立性強(qiáng)，用戶可以通過手機(jī)實(shí)時了解溫室大棚的溫濕度參數(shù)。

（5）采用集成控制，一個溫控器控制三個通信盒子，實(shí)現(xiàn)一個大棚的溫濕度監(jiān)測。

（6）在壽光蔬菜產(chǎn)業(yè)控股集團(tuán)大棚進(jìn)行實(shí)地實(shí)驗(yàn)，1號種植西紅柿的大棚是安裝了溫控系統(tǒng)的，與2號種植西紅柿的普通手工控制大棚相比，結(jié)果如表1所示。

表1 兩個大棚西紅柿的成活率及結(jié)果率

Tab.1 Static frequency and dynamic frequency of single leaf

成活率 結(jié)果率

1號大棚 92.3% 90.6%

2號大棚 82.7.7% 86.1%

6 結(jié)束語

針對西紅柿的生長特性問題，本文研究設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)集成控制的溫室智能通風(fēng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分考慮到溫度等參數(shù)的難以精確控制問題，進(jìn)行設(shè)計研究，通過物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)測和控制，并在下位機(jī)程序進(jìn)行PID和模糊算法結(jié)合設(shè)計，同時對結(jié)果進(jìn)行仿真，結(jié)果顯示該系統(tǒng)能在短時間內(nèi)對溫度等參數(shù)實(shí)現(xiàn)精調(diào)，保證西紅柿生長溫度等參數(shù)成功穩(wěn)控在適宜的范圍內(nèi)。

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