農業環境監測及控制的仿真與實現

張海燕，俞曉陽

（甘肅建筑職業技術學院， 甘肅 蘭州 730050）

0 引言

隨著設施農業的發展,物聯網技術在現代農業中的重要性日益突出。 人們對于遠程監測以及控制農業環境的要求越來越迫切,作為第三次工業革命代表的物聯網技術,與現代化農業的融合是一種趨勢［1-3］。

在歐洲及日本,對于現代農業中的現代化設施的統稱提出了“設施農業(Protected Agriculture)”這一概念,美國則通常用到“可控環境農業(Controlled Environmental Agriculture)”一詞［4］。 2012 年,我國的現代化農業的發展已經有很大的突破,最主要體現在我國的設施農業面積在全世界設施面積中的占比已經達到了85%以上。 在現代化農業中,聚烯烴溫濕度大棚膜的覆蓋比例達到了95%以上。 我國的現代化農業對太陽能的利用居于世界首位,我國現代化農業的數量優勢已經隨著量變的積累到了質變的轉化階段,農業的技術水平已經越來越接近世界的先進水平。 設施栽培以其產量突出、規模效應明顯而在現代農業中占據優勢地位,其產量比傳統露天種植高出2.5 倍［5］。 我國歷來受遠低于世界的人均耕地制約,糧食產量如何匹配我國糧食需求一直以來都為人們所重視。 發展設施農業是當前解決我國人口與耕地矛盾的最行之有效的手段。

隨著農業現代化技術的發展,溫室大棚氣候環境監測和局部氣候通過技術手段改變對農民增產增收有著重要的意義［6］。 近年來越來越多的學者開展了關于農業環境因素的遠程監控及相關的工作,監控的因素包括溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度等。 本課題采用多種傳感器及嵌入式技術相結合,搭建了一個新型便攜式綜合環境檢測數據的采集模塊,其中溫度控制單元可以實現環境溫度的遠程控制。 本課題研發和設計了一種功能多樣、可靠性高的環境監測數據采集及局部氣候改變系統,提高農業生產效率。

1 系統原理和組成

1.1 氣象數據的采集與測量系統

氣象數據的采集與測量是本課題研究的基礎和重點。 本系統擬采用STM32 為核心處理器,以模塊化編程方式實現,將各個數據以模塊化方式進行采集并通過無線通信及GPRS 透傳進行數據上傳與保存。 總體構架,如圖1 所示。

圖1 數據采集與測量系統

1.2 大棚局部氣候遠程協調控制系統設計

送風設計考慮到環境中空氣調節的均勻性和連續性,故而采用壓力均勻的送風環節,同時在送風管道的選擇上,盡可能選擇柔性管道,使調控過程中大棚空間中的空氣調節更加均勻,同時由于采用了柔性風管,大大減小了所占用的空間。 除了送風環節,還采用了中央空調式的溫度調節設計,同時自然補充環境中的二氧化碳,這樣的措施可以防止由于二氧化碳濃度的波動所引起的農作物早衰的現象。 為了控制環境濕度,此系統使用濕簾,其他相關的組成部分包括供水系統、風機及相關的配件。 在實際的安裝過程中,濕簾被安裝在溫室大棚的北墻,將風扇布置在溫室大棚的南墻,從而避免了濕簾引起的遮光問題,影響溫室中植株的生長。 同時考慮到一旦室外的溫度降低,為了保證室內溫度的穩定性,在濕簾外側在加裝一層保溫膜。

為了控制系統中模擬降雨量的精度要求,本系統采用基于變頻器控制的方式來精確控制水泵的流量,根據系統所需要的流量來設定壓力值,在系統中再利用壓力傳感器反饋系統的壓力值,配合變頻器組成電機的自動調速的控制系統,對電機的轉速進行自動調節,從而控制溫室內模擬降雨所對應的不同雨量對應的水的壓力值,再根據反饋的壓力值來進行模擬降雨的自動調節。 這種調節方式的優點是響應速度快、穩定性強、運行效率高。 將上位機和PLC 實時通信,以監控環境中的各項參數,并實時顯示各項參數的數值。

在光照度的調解方式上,本課題擬實現溫室大棚光照的智能調節,推進我國設施農業的發展。 在本次設計系統中采用STC89C51 單片機作為控制系統的核心處理芯片,為了實現自動控制,采用光敏電阻實時采集環境中的光照強度,并且用此信號在單片機中進行處理,設定一個光照的閾值,一旦光照強度超過此閾值,單片機控制光簾的電機來實時地控制光簾的開度。當光照強度低于設定的閾值時,單片機發出控制信號兩驅動控制電機以實現光簾的收起。 同時,為了方便使用,考慮添加手動使用。 在手動模式中用SC2262 編碼芯片將遙控的信號進行編碼,通過無線接收模塊發送到單片機當中,以實現控制信號的手動輸入目的,從而實現光簾開度的控制［7］。

3 溫度模型的建立

為了建立溫室的溫度模型,根據溫室內的熱平衡方程,將影響溫室中溫度的因素綜合考慮,得到描述溫室中溫度變化率dT/dt 的具體的微分方程,動態模型如下:

其中,v 表示為溫室的體積(m3),ρ為空氣密度(kg/m3),Cp為空氣中的熱含量(Jkg-1k-1),Qr為太陽光照輻射能,Qheater為加熱能,Qvent為通風和滲透的能量,Qc為與外界熱傳導的能量,Ql長波輻射能量,Qleaf為室內空氣與作物葉面的熱傳導能量。

為了得到模型中各個能量單元的具體表達式,分析溫室大棚中其小氣候變化的物理過程,來建立各種能量交換的具體表達式［8］:

太陽輻射能量Qr表達式如下:

選擇的主要參數,如表1 所示。

表1 模型參數

4 溫度模糊控制的仿真

將上述參數帶入,在matlabb simulink 中建立目標溫室的數學模型。 采用模糊控制的方法實現溫度控制［9-10］。 模糊PID 控制的仿真原理,如圖2 所示。

圖2 仿真原理

4.1 模糊控制器的設計

該系統為兩輸入單輸出系統,輸入量是溫度的誤差及其微分,輸出為加熱器的控制信號,如圖2 所示。將模糊控制器的兩輸入范圍分為元素為7 個的模糊集合,從負最大到正最大,將輸出也分為元素為7 個的模糊集合,也是從負最大到正最大。 隸屬度函數選擇簡單高效的三角形函數。

自整定規律如下:

(1) 系統誤差及其微分信號通過建立模糊規則輸出一定的控制信號,當誤差比較大且誤差的微分比較大時輸出的控制信號比較激進,目的是使系統的誤差盡快減小。

(2) 當誤差進入比較小的閾值輸出的控制信號比較緩和,目的是使系統的誤差不會產生劇烈的震蕩。

解模糊采用重心法。 通過模糊控制器的自整定規律,再結合解模糊,就可以實現從模糊集合到實際輸出的變換。

4.2 系統仿真

仿真的溫度給定值設定為28 ℃,在經過120 s的穩定時間后,將溫度設定值升高5 ℃觀察輸出的溫度波形,如圖3 所示。 在Matlab 中對此模糊溫度控制系統進行仿真,同時將此結果和傳統PID 控制算法的仿真結果進行比較,可以得出如下結論:模糊控制算法成功降低了溫室大棚溫度控制的超調并且大大減小了溫度的響應時間。

圖3 溫度調節波形

5 環境監測數據采集系統的實現

項目運用傳感器及嵌入式技術設計了一種新型便攜式綜合環境監測數據采集儀。 通過實驗結果和誤差分析的研究、分析可實現實時數據采集和顯示功能,并保證系統數據的可信度,可應用于空氣質量監測、室內環境監測、煤氣、天然氣及有毒氣體監測等場景［11-12］。遠程環境數據采集儀1.0 電路,如圖4 所示。

圖4 遠程環境數據采集儀1.0 電路

遠程環境數據采集儀PC 界面:系統使用ONENET 移動物聯網平臺做PC 及手機端界面,可實時在PC 端與手機端觀測所有數據及其變化,并可以查詢任意時刻的數據信息,方便針對具體情況進行相應的處理措施［13-15］。 遠程環境數據采集儀PC 界面,如圖5 所示。

圖5 遠程環境數據采集儀PC 界面

6 結語

本文通過建立溫室大棚環境綜合控制的整體架構,得到了一個較完整的溫室環境綜合控制的實現途徑,并確定了方案中的具體實現方式。 通過分析得出溫室大棚的溫度模型,由此確定了本次課題中所采用的控制算法,設計了相應的模糊算法,并經過Matlab仿真測試,得出該控制器具有良好的動態及穩態性能,輸出超調小,響應速度快,可以作為溫室大棚環境控制的實現方式。