大棚花卉種植智能輔助決策支持系統關鍵技術*

黃 俠，吳 艦，吳 楠

（貴州師范大學機械與電氣工程學院，貴陽 550001）

由于花卉種類繁多，在花的成長培育中溫度、濕度、光照強度、二氧化碳的濃度等都對其生產有著重要影響，在一年四季中有些花卉在春天季節盛開在秋天凋謝，有的甚至冬天盛開在春天凋謝。各種花卉對溫室溫度的要求不一樣，一般可以分為冷室溫室花卉、低溫溫室花卉、中溫花卉和高溫溫室花卉[1]。隨著現代農業的發展，溫室能夠通過人工控制環境因素，滿足植物的最佳生長條件使得生長環境得到優化，合適的溫度場分布可以提高作物產量，但溫室環境系統由于自身的復雜性，各環境因子間又相互影響，傳統的控制很難達到滿意的控制效果。

該文是針對大棚花卉種植的溫度智能模糊控制的研究，由于控制對象的復雜性無法給出確切的數學模型[2]，智能模糊控制的魯棒性強，恰恰對此可以達到滿意的效果，運用農業信息專家庫，可以對溫度進行智能調節，對花卉的種植進行溫室培養，使得花卉的生長環境得到優化，減少因天氣季節變化而造成的損失，提高種植效率和質量。

1 模糊控制系統

1.1 模糊控制系統的基本原理

模糊控制系統是一種自動控制系統，與傳統的控制比較就是多加利用模糊集合理論，把人的模糊控制策略轉化為計算機所能接受的控制算法，進而實施控制的具有反饋通道、閉環結構的數字控制系統[3]。它能夠模擬人的思維方式，對無法構建數學模型的系統可以進行有效的描述和控制。

模糊控制系統的核心是模糊控制器，是數字信號經過模糊化變成模糊量，再送入含有模糊規則的模糊推理模塊中，再經過近似推理得到結論也就是模糊集合，然后被清晰化模塊變成清晰量，再輸出到下一級去調節被控對象。

模糊控制器有3個核心部分組成：模糊化模塊，模糊近似推理模塊，清晰化模塊。

1.2 模糊控制器的設計

控制器是雙輸入單輸出的二維模糊控制器，其原理如圖1，輸入清晰量e和其變化率de/dt，Ke和Kec是量化因子，是輸入變量從基本論域變換到相應模糊集的論域需要乘上的因子，經隸函數模糊化后，輸入變量是大棚花卉的溫度偏差E和溫度偏差變化率EC，輸出變量為調整值U，Ku是比例因子，是輸出量從模糊集的論域變換到基本論域必須乘上的因子，u是清晰化值。

式中，E—溫度值的偏差；T—溫度值的測量值；T0—溫度值的設定值；EC—溫度偏差的變化率。

利用MATLAB中的FIS編輯器進行設計一個雙輸入單輸出的Mamdani控制器[4]，其中清晰量輸入變量是e，ec，u；經隸函數將其模糊化，其模糊集為E、EC、U；不同的系統選取不同的隸函數也不同，根據其實際情況，此系統選擇三角形隸函數。

圖1 二維模糊控制器原理

對基本論域模糊化的處理，一般花卉生長的溫度e的基本論是在 [0，30]攝氏度，溫度偏差的基本論域為［-5，+5］攝氏度，設二者對應的模糊論域為：

E 的論域 {-6， -5， -4， -3，-2，-1，0，1， 2，3， 4， 5， 6}；

EC 的論域 {-6， -5， -4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

其輸入語言變量選擇 {NL（負大），NM （負中），NS（負小），ZE （0），PS （正小）， PM （正中）， PL （正大）}。

花卉溫度偏差E和溫度偏差變化率EC都采用相同的三角隸函數，其溫度偏差E和溫度偏差變化率的隸屬度函數如圖2。

圖2 溫度偏差隸函數和溫度偏差變化率隸函數

溫度調節輸出控制量u的基本論域為 ［0，1，2，3］為4個等級，溫度調節輸出的模糊論域U為｛0，1，2，3，4｝，分別對4種溫度調節狀態：ZO （不加熱或者不通風），PS（緩慢加熱或者緩慢通風），PM （中等加熱或者中等通風），PB（快速加熱或者快速通風），輸出變量隸函數如圖3。

圖3 輸出變量隸函數

對近似模糊推理的設置，其實就是模糊規則的設計，模糊控制規則的建立就是其控制系統的核心，就是用操作者總結的經驗來制定規則從而達到有效的控制[5]。輸入的模糊論域變量是 [-6，6]，E和EC的模糊語言值各設定為7個，輸出變量U是對應4種等級，因此模糊語句就有49句語言規則。根據溫度偏差E和溫度偏差變化率EC，以及輸出變化量U，可知模糊語言描述如下：

依此類推共有49條控制語言規則，得出模糊關系后可以推理計算出U，其觀測圖如圖4。

對模糊清晰化的處理，就是對輸出模糊量U的清晰化，經模糊化的輸入量得出的輸出結果是模糊量，是不能直接用來產生實際行動的，需要解模糊清晰化處理，一般使用最大隸屬度方法進行決策，將模糊的輸出變量變為精確的執行動作，達到精細的溫度控制。

圖4 輸出變量三維曲面觀測

2 系統的硬件設計

該控制系統有上位機和下位機，下位機的主要部分是大棚溫度采集系統，主要是用ZigBee無線傳感網絡來實現信號的采集、顯示及決策分析[6]。系統的下位機主要負責溫度信號的采集及與上位機信息的交換，ZigBee花卉大棚數據采集系統中有一個網絡協調器COORDINATOR、路由器ROUTER和多個RFD節點，網絡協調器設置在管理中心，負責建立網絡和管理網絡，并顯示當前整個網絡的狀況并把收到的數據通過RS232串口上傳給計算機[7]。而RFD節點分布在監測地點，負責采集溫度值等數據，然后發送到網絡協調器，ZigBee花卉大棚數據采集系統原理圖如圖5。

圖5 ZigBee花卉大棚數據采集系統原理

下位機的核心就是溫度監測節點RFD。溫度監測節點RFD，由一個CC2430模塊、溫度傳感器盛世瑞恩DB171-10探頭和電池構成，因為是無線探測需要配備電池電源。當每個RFD節點被初始化為無線傳感網絡中的溫度探測終端設備時，RFD節點可檢測自己所處的溫度等數據發送給網絡協調器，采集的溫度數據與設定值的溫度進行比較，經模糊算法分析發信號給執行器進行溫度的調節。

3 系統的軟件設計

運用ZigBee技術實現無線傳感器組成的網絡，實現下位機與上位機的通信及參數值的監測。數據的監測需要用監測節點的溫度傳感器來感測溫度信息，采集后是否到底設定的溫度，通過模糊算法進行決策調節，其控制溫度的程序流程圖如圖6。

圖6 控制程序的流程

該系統的上位機采用VB程序設計，實現無線通信采集溫度數據，登入大棚監測系統進入相應監測界面，選擇相應的串口和波特率，設置對應參數上、下限值，點擊記錄就可以實現監測與記錄、報警等功能[8]。在花卉實驗的溫度探測中，上位機監測到的溫度數據如圖7，及可以數據查詢如圖8，根據其監測數據可對其花卉的生長的適宜溫度進行決策判斷，從而進行溫度的調節達到設定溫度。

圖7 上位機程序監測界面

圖8 數據查詢

4 結束語

該文論述的大棚花卉種植的關鍵技術研究是對溫室模糊智能控制系統的設計研究，對無法建立復雜的數學模型用模糊算法使溫室環境滿足作物對生長環境的要求，在大棚花卉的無線傳感網絡溫度采集探測實驗中，此系統溫室模糊控制系統具有很好的溫度控制能力，超調小，響應快，出錯少，魯棒性強，無線探測更具有低能耗，多種拓撲結構，適應多動態環境的特點，也解決了有線布線的難度問題。

[1]朱衛華，黃智偉．基于無線數字溫度傳感器的多點溫度測量系統設計．工業控制計算機，2003，16(6):57～58

[2]何小映，杜永平．一種溫度無線傳輸系統的設計.現代電子技術，2006，(15):119～120

[3]曾光奇，胡均安.模糊控制理論與工程應用.武漢：華中科技大學出版社，2006

[4] 朱旭光，劉建輝.農業大棚的溫濕度控制系統.自動化技術與應用，2005，24（2） :45～47

[5]石辛民，郝整清.模糊控制及其MATLAB仿真.北京：清華大學出版社，2010

[6]肖燕.基于 ZigBee的無線傳感器網絡研究.湖南農機，2014，1

[7] 鄧中華.基于ZigBee的無線溫度采集系統設計.計算機工程與科學，2011，1

[8]李建飛，王煒.基于ZigBee多節點無線溫度數據采集系統設計.儀器儀表用戶，2012，1