1、-. z經(jīng)濟型智能溫室控制系統(tǒng)的研究針對目前國自動控制溫室普遍運營本錢較高，經(jīng)濟效益較差的現(xiàn)狀，研究節(jié)約能源型的溫室構(gòu)造和管理模式己成一個重要開展趨勢，所以在滿足控制要求的同時，研究設(shè)計經(jīng)濟型的控制方法和控制系統(tǒng)顯得尤其迫切。托普物聯(lián)網(wǎng)在綜合考慮系統(tǒng)的測量精度、效率以及本錢等多方面要求之后，選用性價比擬高的數(shù)字式溫度傳感器，實現(xiàn)對溫度的準確測量與準確控制。針對不同參數(shù)，可以通過鍵盤手動輸入預(yù)設(shè)值，通過單片機控制相應(yīng)的執(zhí)行部件，操作簡單、使用靈活。對于小型溫室，為降低本錢，可設(shè)計一個串行接口和下載線，用于下載程序；對于大中型溫室，可增加上位機，通過 RS-232 實現(xiàn)和下位機的串行通訊，采用模糊

2、控制方案實現(xiàn)對溫室的智能控制。托普物聯(lián)網(wǎng)在從事物聯(lián)網(wǎng)的這些年里，不斷的在摸索中前景，探討適合中國使用的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)造，通大學(xué)的教授們討論，響應(yīng)國家的農(nóng)業(yè)開展號召，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的概念，并具體的實施了已經(jīng)研發(fā)出的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，并取得較好的成績。備受國家農(nóng)業(yè)部重視，同時，物聯(lián)網(wǎng)的開展也是未來的開展趨勢。 1.1溫室環(huán)境因子分析溫室環(huán)境包括非常廣泛的容，但通常所說的溫室環(huán)境主要指空氣與土壤的溫度、濕度、光照及 CO2濃度等。所有這些條件之間是相互作用、相互聯(lián)系和相互耦合的，作物的生長發(fā)育是這些條件綜合作用的結(jié)果。以溫室作物黃瓜為例，溫度、濕度及光照等是影響黃瓜產(chǎn)量的主要限制因子，黃瓜是喜溫物，其適宜生長的

3、溫度圍為1530，結(jié)瓜期要求晝夜溫度分別為2530和 1215；黃瓜各個時期適宜相對濕度圍為60%85%RH；黃瓜適宜光照強度圍 535 kL*。溫室環(huán)境控制的重點就是對這些要素進展控制與管理，為作物創(chuàng)造適宜的生長發(fā)育環(huán)境。 1.2控制方案設(shè)計該系統(tǒng)采用上、下位機體制，分模塊獨立設(shè)計，以滿足不同需求。針對大型連棟溫室可采用上、下位機和傳感器系統(tǒng)結(jié)合控制方案，對小規(guī)模農(nóng)家溫室，僅需要選擇下位機系統(tǒng)與傳感器系統(tǒng)結(jié)合完成溫室控制。上位機采用 PC 機，主要完成數(shù)據(jù)管理、智能決策及數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等；下位機采用單片機，主要由主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、人機對話模塊、輸出控制模塊和數(shù)據(jù)通信模塊5個局部組成。系統(tǒng)

4、構(gòu)造總體設(shè)計框架如圖1所示。圖1 溫室測控系統(tǒng)構(gòu)造 2系統(tǒng)硬件電路該系統(tǒng)下位機設(shè)計以單片機為核心，通過各傳感器對日光溫室溫度、濕度、光照及 CO2等參數(shù)實時檢測，各檢測點溫度可以直接送入，而濕度、光照及 CO2等參數(shù)經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換器進展模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入單片機，與預(yù)先設(shè)定的上下限值進展比擬，如有越限量，則有發(fā)聲報警且相應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)動作，直至調(diào)節(jié)至目標圍?？刂葡到y(tǒng)根本硬件構(gòu)造原理如圖 2 所示，主要由檢測、控制及鍵盤顯示等模塊構(gòu)成。圖2 控制系統(tǒng)根本硬件構(gòu)造電路示意圖 2.1微處理器選擇微處理器采用 51 系列單片機 AT89C51 為核心組成測控單元。 AT89C51 是美國 Atmel 公司生

5、產(chǎn)的低電壓、高性能 CMOS 8 位單片機，片有 4KB 的閃爍可編程及可擦除只讀存儲器，與工業(yè)標準的 8051 指令集與引腳分布相兼容，并且采用 CMOS 工藝，功耗低，在性能上優(yōu)于傳統(tǒng)的 MCS-51 系列單片機，性價比高，廣泛應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。它的極限工作溫度為55125 ，儲藏溫度為65150 ，最高工作電壓 6 V，直流輸出電流 15 mA。 2.2傳感器的選擇溫度檢測選用 Dallas 公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器 DS18B20，該器件耐磨、耐碰，體積小，使用方便，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量。采用直接數(shù)字化輸出，只有 3 個引腳即電源 VDD、地線 GND、數(shù)據(jù)線DQ，且不

6、需要外部元件，而是共用一條數(shù)據(jù)線進展通信。現(xiàn)場溫度直接以“一線總線的數(shù)字方式傳輸，用符號擴展的 16 位數(shù)字量方式串行輸出，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。該電路檢測溫度圍為55125 ，精度為 0.5 ，用 9bit 數(shù)字量表示溫度，每次將溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量需 200 ms。選用電容式濕度傳感器 HS1101，它是基于獨特工藝設(shè)計的電容元件，動態(tài)圍大，動態(tài)響應(yīng)快，幾乎沒有零漂，構(gòu)造簡單，適應(yīng)性強，最突出的優(yōu)點是長期穩(wěn)定性極強，年漂移量 0.5RH/年。對濕度傳感器 HS1101 的信號處理完之后的信號為脈沖信號，針對濕度變化，脈沖寬度會發(fā)生變化，所以可以直接把 HS1101 處理完之后的信號送到單片

7、機的外部中斷口INT0，來實現(xiàn)脈沖信號寬度測量。光照采集電路主要由一個 TSL235 型光頻轉(zhuǎn)換器和多路開關(guān)構(gòu)成。光頻轉(zhuǎn)換器將光照轉(zhuǎn)換為一個與光照強度成正比例的方波電壓信號，此方波電壓信號經(jīng)過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)輸入到 CPU 的計數(shù)器。器件對于 300700nm 圍的紫外線到可見光均具有溫度補償真正參與植物光合作用過程的太陽輻射為 400700nm 波段的光。在 CO2濃度測量上采用響應(yīng)速度快、測量精度高、技術(shù)成熟的紅外CO2氣體傳感器 6004，并配合一系列有效補償措施。紅外線吸收散射式氣體傳感器靈敏度高，可重復(fù)性好，響應(yīng)快，預(yù)熱時間短，但價格相對較高。 2.3鍵盤顯示電路按鍵局部主要實現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)

8、置和查詢功能。利用鍵盤，可以方便地設(shè)置溫濕度預(yù)定值并執(zhí)行相關(guān)指令。根據(jù)本系統(tǒng)的特點，可根據(jù)需求設(shè)置相應(yīng)按鍵。在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中為了降低本錢，簡化硬件電路，大多數(shù)采用非編碼鍵盤。鍵0為參數(shù)設(shè)置鍵，鍵1、鍵2分別為加l、減1鍵，鍵3為復(fù)位鍵。按下鍵0，持續(xù)幾秒等待蜂鳴器響可編程設(shè)置，表示進入溫濕度參數(shù)設(shè)置狀態(tài)，此時，按下1鍵或者2鍵，顯示數(shù)值呈現(xiàn)遞增或遞減，直至到達需要的數(shù)值，然后再按下一該鍵，進入下一個參數(shù)的設(shè)置，以此類推，最終完成對溫度、濕度等值的預(yù)置參數(shù)設(shè)置，當(dāng)參數(shù)都設(shè)置完成后，可按下復(fù)位鍵3，則退出設(shè)置狀態(tài)，恢復(fù)顯示當(dāng)前溫濕度值。為直觀顯示當(dāng)前狀態(tài)或最終結(jié)果，本系統(tǒng)選用TC1602 型 L

9、CD 液晶顯示器，液晶屏顯示模塊與數(shù)碼管相比，它顯得更為專業(yè)、漂亮。 TC1602 型 LCD 是一種用57點陣圖形來顯示字符的液晶顯示器，顯示的容量為2行16個字。 2.4執(zhí)行機構(gòu)溫室的執(zhí)行機構(gòu)可分為兩大類，一類是正反轉(zhuǎn)運行電機，如開窗、拉幕等；另一類是開關(guān)控制設(shè)備，如風(fēng)機、水泵等。選用固態(tài)繼電器來控制，執(zhí)行電路的硬件設(shè)計如圖3所示圖中僅畫出一路輸出控制電路。該執(zhí)行電路按要求直接控制風(fēng)機和加熱器等設(shè)備，并對超過溫、濕度上下限給出報警信號。以P2.3P2.7 控制加熱器、風(fēng)扇、噴淋等設(shè)備，P1.7 用于報警。在控制電路中，為防止中間繼電器動作對整個裝置產(chǎn)生干擾，采用光電藕合器隔離。當(dāng)溫度、濕度

10、及 CO2濃度任何一個參數(shù)超過預(yù)先設(shè)定的圍時，單片機控制固態(tài)繼電器翻開相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，補償相應(yīng)參數(shù)，直到該參數(shù)恢復(fù)到規(guī)定圍，則停頓該執(zhí)行機構(gòu)的運行。3系統(tǒng)軟件設(shè)計 3.1主程序設(shè)計系統(tǒng)的軟件局部采用構(gòu)造化程序設(shè)計思想，將每個功能模塊設(shè)置為獨立的子程序，在主程序運行時，以調(diào)用的方式組成程序流，既便于連接和調(diào)試，又可以實現(xiàn)軟件自診斷，同時也增強了程序的通用性、可移植性，為后續(xù)研究開發(fā)的系統(tǒng)功能擴展、資源共享的可行性提供了條件。本系統(tǒng)程序均采用匯編語言編寫，主要包括主程序設(shè)計、采樣子程序設(shè)計、數(shù)據(jù)處理程序、顯示子程序及串口通信程序等。主程序流程圖如圖 4 所示。圖3 執(zhí)行機構(gòu)電路示意 3.2模糊控制

11、器設(shè)計溫室環(huán)境是一個非線性、大時滯、多變量藕合的復(fù)雜對象，被控對象的數(shù)學(xué)模型很難建立，為此，采用模糊控制來解決。模糊控制器構(gòu)造從控制系統(tǒng)的任務(wù)來看，控制系統(tǒng)至少由 4 個子系統(tǒng)組成，分別是光照、溫度、濕度以及 CO2濃度控制。本文選取室溫度和濕度作為主要被控制量，以加熱器、風(fēng)扇、噴淋、天窗和側(cè)窗等執(zhí)行機構(gòu)作為控制手段。系統(tǒng)輸入變量為溫度誤差、濕度誤差，輸出變量為調(diào)節(jié)溫度和濕度的控制量，控制設(shè)備為加熱閥、風(fēng)機、噴淋閥及天/側(cè)窗。因此，本系統(tǒng)采用 2 輸入、4 輸出構(gòu)造的模糊控制器，將溫濕度誤差 e1、e2作為控制器輸入，控制器的輸出變量分別用 y1、y2、y3、y4表示，模糊控制器構(gòu)造如圖 5

12、所示。圖4 主程序流程算法的實現(xiàn)在上位機中對模糊控制表進展優(yōu)化，然后將其下傳至下位機，下位機將傳感器檢測到的溫度與設(shè)定值比擬，計算出當(dāng)前誤差和誤差變化率，查模糊控制表得相應(yīng)的控制量，根據(jù)該控制量的大小來確定控制設(shè)備加熱閥、風(fēng)機、噴淋閥及天/側(cè)窗的工作狀態(tài)。算法實現(xiàn)主要分以下幾個步驟。圖5 模糊控制器構(gòu)造1計算誤差。讀入由下位機系統(tǒng)結(jié)合傳感器系統(tǒng)得到的實測數(shù)據(jù)，與設(shè)定值比擬并計算溫濕度誤差。2模糊化。通過傳感器及信號處理后得到的誤差是準確值，則，必須將其模糊化變成模糊控制器所能承受的模糊量，同時把語言變量的語言值化為*適當(dāng)論域上模糊子集。依據(jù)溫室環(huán)境的實際情況和操作經(jīng)歷，選取誤差e1、e2、控制

13、量y1、y2、y3、y4的根本論域為-5，5。進展線性化尺度變換和離散化后，得到其模糊論域分別為 *、Y-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6。并選取相應(yīng)的模糊子集：A=PL，PM，PS，PO，NO，NS，NM，NL；C=PL，PM，PS，O，NS，NM，NL。式中：PL，PM，PS，PO，NO，NS，NM，NL 分別為正大，正中，正小，正零，負零，負小，負中，負大。3建立模糊控制規(guī)則。根據(jù)溫室環(huán)境控制過程的經(jīng)歷可以得出對應(yīng)控制量的一系列語言規(guī)則，分別建立兩輸入單輸出E1，E2，Y1、E1，E2，Y2、E1，E2，Y3、E1，E2，Y4的模糊規(guī)則，這樣總共得到 25 條模糊規(guī)則，如控制規(guī)則 1：IfE1=NB and E2=NB Then Y1=PB and Y2=PB and Y3=NB and Y4=NB。控制規(guī)則 1 的意義如下：當(dāng)系統(tǒng)給定溫濕度