基于溫濕度模型的溫室溫濕度智能調節系統的設計

關 靜，胡圣堯

(1．江蘇大學現代農業裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇鎮江212013;2．常州工學院電氣與光電工程學院，江蘇常州213002)

近年來，國內外的設施農業在快速發展。多數國家的設施農業以溫室為主，荷蘭、日本、以色列等國家的設施農業非常先進。其設施設備的標準化程度，設施綜合環境調控及農業機械化水平，均居世界領先水平。我國于20世紀80年代提出設施農業的概念，溫室在我國發展迅速，栽培面積超過380萬hm2［1］。雖然我國栽培面積巨大，但是我國的溫室在環境調控水平方面與發達國家相比仍有較大的差距。關于溫室的溫濕度調節，很多學者從溫濕度模型和控制算法兩方面展開了卓有成效的研究。

1 溫室溫濕度模型

國外針對溫室溫濕度的研究主要為1971年Takakura T．建立了一個比較完善的單層玻璃的溫室模型，但Benli認為其通用性比較差［2］。CBAKOS等研究了溫室環境變化與溫室通風之間的關系，并建立了關系模型［3］。Ozgener等研究了溫室濕度與溫室內作物蒸發量的關系，并建立了預測和優化模型［4］。Tap RF使用溫室內溫度、溫室內土壤溫度、溫室內二氧化碳濃度、溫室內濕度和加熱管的溫度建立了5個一階微分方程全面描述了溫室環境的變化規律［5］。

在國內，范云翔等建立了溫室內溫度、濕度和光照與溫室內水汽量消耗之間的模型關系［6］。張立彬等根據溫室內的能量熱平衡關系，研究了溫室小氣候環境的動態模型［7］。楊其長等研究了溫室系統中的環境因子，針對溫濕度調節和節能性，研究了溫室內的熱平衡關系式，建立溫室內熱平衡模型［8］。馬萬征等研究了Venlo型聯棟玻璃溫室溫濕度動態模型，并進行了黃瓜的栽培試驗，被驗證模型參數與實測參數吻合度非常高［9］。

該研究試驗在江蘇大學Venlo型玻璃溫室內進行，在Tap RF的溫室模型［5］和馬萬征等Venlo型溫室的溫濕模型［9］的基礎上，從溫室環境控制角度對上述2種模型進行了整合與修改，修改后的溫濕度模型如下:

(1)溫度模型。

式中，Tin為溫室內的溫度;Tout為溫室外的溫度;V為溫室的體積;ρ為空氣密度(1．2 kg/m3);Cρ為溫室內氣體定容比熱(1．005 J/kg·℃);K為太陽能輻射能被溫室空氣吸收的傳熱系數;hc為溫室覆蓋層與溫室內氣體的對流換熱系數;Ac為溫室覆蓋層的面積(m2);λE為作物蒸發潛能速率(m/s);Vin為溫室內自然通風率(m3/s);Qrad為投在溫室覆蓋層的太陽輻射(W/m2);Qheat為加熱器的加熱功率(W)。

(2)濕度模型。

式中，qin為室內空氣絕對濕度;qout為室外空氣絕對濕度;V為溫室的體積;λE為作物蒸發潛能速率(m/s);Vin為溫室內自然通風率(m3/s);Ac為溫室覆蓋層的面積(m2)。

2 控制算法

依據上述設計的Venlo型溫室的溫濕度模型進行溫度、濕度調節時可以明確調節設備及各個調節設備的調節效果。通過采集溫室內部溫度、濕度作為反饋信號，控制溫室內的通風設備、遮陽設備、水簾設備、水暖設備、噴灑設備等溫濕度調控設備，實現溫室環境的智能控制。

溫室環境系統具有大時滯和多變量耦合的特征，針對這個特征采用模糊PID控制算法。PID控制算法原理表示為:

式中，e(t)為給定量與輸出量的偏差;c(t)為控制器輸出;Kp為比例系數;TI為積分時間常數;TD為微分時間常數。

設計PID控制算法首先需要確定Kp、TI、TD的值，即對PID控制器的參數整定。它是根據被控過程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小。

根據微型溫室溫濕度控制模型，測量微型溫室實際環境，PID控制器參數整定的方法使用臨界比例法。整定步驟如下:①首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統工作;②僅加入比例控制環節，直到系統對輸入的階躍響應出現臨界振蕩，記下這時的比例放大系數和臨界振蕩周期;③在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數。

溫度PID控制的比例系數Kp取值范圍為0．2～0．6，積分時間常數TI取值范圍為180～600 s，微分時間常數TD取值范圍為300～900 s。濕度PID控制的比例系數Kp取值范圍為0．1 ～0．25，積分時間常數 TI取值為240 ～900 s，微分時間常數TD取值范圍為300～1 200 s。

根據微型溫室溫濕度模型可知，影響微型溫室溫濕度的因素非常多，由于環境參數的多變性，在不同的階段，模型表達式的系數是時變的，不能精確表達微型溫室溫濕度控制系統。在這種情況下，溫度、濕度的PID控制參數不確定，通過模糊控制控制與PID控制相結合的方式，實現對微型溫室溫濕度的控制。

溫度控制范圍為［－2℃，2℃］，濕度控制范圍為［－10%，10%］，論域為{－2，－1，0，1，2}，相應語言值為{負大，負小，零，正小，正大}。設溫度的比例系數為KWP，積分時間為TWI，微分時間為TWD;設濕度的比例系數KSP，積分時間為TSI，微分時間為TSD。各種參數設定值見表1。

表1 參數表達式

對于溫室的溫度，以溫度偏差ew和溫度偏差變化率ecw作為輸入，以△Kwp、△Twi、△Twd作為輸出。對于溫室的濕度，以濕度偏差es和濕度偏差變化率ecs作為輸入，以Ksp、Tsi、Tsd作為輸出，得到表 2 和表3。

3 硬件平臺

硬件系統由2部分組成，主控制器和無線溫濕度采集器。主控制器由微處理器最小電路、CC1101無線通信電路、CAN/RS485通信電路、繼電器驅動電路、電源電路、人機交互電路、電源幾個部分組成。主控制器的微處理器采用STM32F103C6，最高運行頻率高達72 MHz，內置128 Kb的Flash存儲空間，20 KB的RAM，3路16位定時器，支持多個I2C、USART、SPI、CAN、USB2．0 通信接口。無線通信電路采用CC1101芯片，工作頻率為915 MHz，傳送數據幀長度為32個字節，溫室內實測的有效傳輸距離為100 m。系統內設計了16路繼電器驅動電路可同時控制16路無源觸點信號，操控通風、遮陽、水簾等設備。

表2 溫度模糊控制輸出

表3 濕度模糊控制輸出

無線溫濕度采集器包含電源、微處理器最小電路、溫濕度傳感器電路、CC1101無線通信電路。SHT15溫濕度傳感器，濕度為精度2%，濕度重復性為0．1%，溫度精度為0．3℃電路，溫度重復性為0．1 ℃，工作電壓為2．4 ～5．5 V，2 線制數字接口。CC1101無線通信電路與主控制器相同。

主控制器與無線溫濕度采集器之間采用自組網的通訊方式進行通信。

4 測試數據及結論

該研究實驗在江蘇大學Venlo型溫室內完成。溫室內配置一個主控制器和20個無線溫濕度采集器。測試時間為2015年04月24日，鎮江最高氣溫26℃，最低氣溫14℃，栽培作物為生菜。生菜喜冷涼氣候，忌高溫干旱，耐霜怕凍。生菜的最佳生長溫度為15～20℃，濕度為80%。該溫室內濕度一直保持在80%以上。

溫室內的溫濕度采集周期為30 min，設定的溫度曲線為前10 h為15℃，中間7 h為18℃，后7 h為16℃。溫室內外的溫濕度曲線如圖1所示。

由于早晨溫度為14℃，偏低1℃，在設定的誤差范圍2℃之內，不加熱升溫，到中午之后溫度偏高，且外部溫度也略偏高，采用窗口通風和水簾組合降溫的方式。從圖1可以看出，溫度變化按照預期設置的曲線，誤差在設定的范圍內，同時也驗證了模型是正確的。

［1］劉健．我國設施園藝工程存在的主要問題與對策［J］．現代化農業，2006(1):38 －40．

［2］BENLI H．Energetic performance analysis of a ground－source heat pump system with latent heat storage for a greenhouse heating［J］．Energy Conversion and Management，2010，52(1):581 －589．

［3］CBAKOS G，FIDANIDIS D，TSAGAS N F．Greenhouse heating using geothermal energy［J］．Geothcrmics，1999，28(6):759 －765．

［4］OZGENER O，HEPBASLI A．Experimental performance analysis of a solar assisted ground-source heat pump greenhouse heating system［J］．Energy and Buildings，2005，37(1):101 －110．

［5］TAP R F，VAN STRATEN G，VAN WILLIGENBURG L G．A dynamic model for the optimal control of greenhouse tomato crop production［D］．Wagenigen:Wagenigen Agriculture University，2000．

［6］范云翔，孫廷琮，楊子萬．智能型溫室環境控制器的研究開發［J］．農業工程學報，1997，13(5):34 －39．

［7］張立彬，胥芳，陳教料，等．玻璃溫室小氣候溫濕度動態模型的建立與仿真［J］．農業機械學報，2005，36(11):108 －111．

［8］楊其長，孟力力，BOT G A，等．日光溫室熱環境模擬模型的構建［J］．農業工程學報，2009，25(1):164 －170．

［9］馬萬征，李忠芳，章芳定．Venlo型聯棟玻璃溫室溫濕度動態模型研究［J］．北方園藝，2012(17):49－51．