溫室環(huán)境智能控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)摘要隨著我國農(nóng)業(yè)自動化水平的迅速提高，為了給農(nóng)作物創(chuàng)造出理想適合的環(huán)境，豐富產(chǎn)量，溫室系統(tǒng)的建立變得尤為重要，溫室系統(tǒng)的智能化水平是國家農(nóng)業(yè)科技水平先進與否的重要標志之一。本設計圍繞智能溫室，從信息采集處理，到參數(shù)調(diào)控設計了一款嵌入式，高穩(wěn)定，實用性強，精確度較高，成本低廉的智能溫室控制系統(tǒng)以改善國內(nèi)傳統(tǒng)溫室控制對象的單一，缺乏穩(wěn)定性的不足。對本系統(tǒng)進行分模塊化設計包括：微控制器模塊；系統(tǒng)供電模塊；環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)采集模塊；液晶顯示模塊；輸出控制模塊；RS485有線通訊模塊。從更高的運算速度及更高的指令執(zhí)行效率，選擇了STM32F103RCT6作為整個控制系統(tǒng)微型處理器，并完成了供電電源模塊各芯片的選型，對空氣溫濕度、土壤濕度、CO2濃度、光照強度參數(shù)采集的傳感器的選型和液晶顯示模塊的芯片的選型。設計STM32最小系統(tǒng)電路，各傳感器采集模塊電路（考慮到信號采集范圍是否滿足單片機的采集要求加入OP07同相比例運算放大器對信號進行處理）；電源模塊電路（包括市電利用變壓器以及7805穩(wěn)壓芯片變5V電路；利用LM1117芯片5V轉(zhuǎn)3.3V電路）；液晶顯示模塊電路；環(huán)境參數(shù)繼電器調(diào)控電路（電阻絲加熱；空調(diào)驅(qū)動；排風扇驅(qū)動；補光設備驅(qū)動；水泵抽水驅(qū)動）；RS485串口通信電路設計（半雙工工作方式），并在其基礎上加入104瓷片電容（100nF）濾波，以提高系統(tǒng)抗干擾能力。并針對系統(tǒng)微型控制器、環(huán)境數(shù)據(jù)采集、相應繼電器控制設備軟件流程圖的設計，確定了溫濕度的控制采用模糊PID算法；CO2濃度、土壤濕度、光照強度采用常規(guī)PID算法。針對于溫度的模糊PID控制算法進行了matlab仿真，獲得了無靜差，無超調(diào)的仿真結(jié)果。關鍵詞:嵌入式；抗干擾；智能溫室環(huán)境；模糊PID；MATLAB目錄TOC\o"1-3"\h\u6045第一章緒論 118711.1研究背景與課題意義 1292721.1.1嵌入式智能溫室的興起 1241411.1.2物聯(lián)網(wǎng)溫室智能控制技術的意義 1166221.2國內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)機溫室技術發(fā)展現(xiàn)狀 2236721.2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀 2232351.2.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 3234481.3研究內(nèi)容、方法和步驟 4232081.3.1研究內(nèi)容 4150331.3.2研究方法 474121.3.3研究步驟及組織架構(gòu) 4246841.4章節(jié)安排 5172132.1溫室內(nèi)參數(shù)分析 641082.1.1光照 648762.1.2溫度 7128492.1.3濕度 8284202.1.4二氧化碳 8291112.2PID控制算法 8261842.3系統(tǒng)的設計目標[10] 9297442.4溫室總體結(jié)構(gòu) 10185482.5本章總結(jié) 106798第三章嵌入式溫室系統(tǒng)硬件設計 12209963.1系統(tǒng)的控制策略 1248673.2系統(tǒng)硬件的總體設計 1319983.3系統(tǒng)硬件設備的選型 13307893.3.1系統(tǒng)微控制器的選型 1360873.3.2空氣溫濕度傳感器 1536473.3.3土壤濕度傳感器 18299023.3.4光照強度傳感器 19184743.3.5二氧化碳傳感器 21265903.4硬件電路的設計 22163433.4.1STM32控制芯片最小系統(tǒng)的設計 22103233.4.2電源電路的設計 24301593.4.3參數(shù)顯示電路的設計 26163683.4.4溫濕度采集電路設計 2631993.4.5CO2采集電路的設計 27180663.4.6土壤濕度采集電路的設計 27268153.4.7光照強度采集電路的設計 28298803.4.8RS485串口通信電路的設計 2936453.5輸出控制模塊電路設計 2927073.5.1升溫控制電路的設計 29305483.5.2降溫控制電路的設計 3057513.5.3CO2濃度控制電路 31104403.5.4土壤濕度控制電路 317273.5.5光照強度控制電路 32248553.5.6空氣濕度控制電路 32252813.6本章小結(jié) 329075第四章溫度的模糊PID仿真 33326324.1模糊PID控制原理 3360414.2模糊PID仿真搭建 351344.3本章小結(jié) 391199第五章嵌入式溫室系統(tǒng)軟件設計 40288875.1概述 40251245.2軟件流程圖的設計 40199375.2.1系統(tǒng)總體軟件流程圖的設計 40268595.2.2溫度控制子程序流程圖設計 4134225.2.3土壤濕度控制子程序流程圖的設計 44268505.2.4CO2濃度控制子程序流程圖的設計 4564325.2.5光照強度控制子程序流程圖的設計 465.2.6RS485通信流程圖的設計 47193145.3本章小結(jié) 472314第六章總結(jié)與展望6.1總結(jié) 486.2展望 4830562參考文獻 49第一章緒論1.1研究背景與課題意義1.1.1嵌入式智能溫室的興起改革開放以來我國經(jīng)濟水平飛速提升，然而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術的落后以及農(nóng)業(yè)資源的極度損耗卻越來越牽制著農(nóng)業(yè)科技化發(fā)展和整體經(jīng)濟的振興。而溫室作為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)建設的重要支柱，被我國廣泛應用。中國以農(nóng)業(yè)為主國家中的典例，在十九大會上，黨中央著重突出了農(nóng)業(yè)問題是制約國民生計的根本性因素，而農(nóng)業(yè)的發(fā)展離不開對農(nóng)作物的種植，農(nóng)作物的生長問題促成溫室技術的發(fā)展。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)無法為我國人民提供充足營養(yǎng)豐富的反季食物而智能溫室的建設就可以通過物聯(lián)網(wǎng)溫室智能控制進行自動化的管理以實現(xiàn)對于反季農(nóng)作物的大量供應，增產(chǎn)增收。溫室內(nèi)靈活多變的復雜環(huán)境參數(shù)時時刻刻與植珠的生長狀態(tài)相關聯(lián)，溫室智能系統(tǒng)本質(zhì)是由傳感器和智能控制設備所結(jié)合而成的的自動化系統(tǒng)。溫室技術促使了設施農(nóng)業(yè)朝著數(shù)字化，精細化，智能化水平發(fā)展，而這些指標已經(jīng)成為了衡量國家現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展程度的必要標志之一。同時國務院下發(fā)文件指出更新提升農(nóng)業(yè)設施，力求建設知識型、技能型、創(chuàng)新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式，加快農(nóng)村的建設。我黨在《加強農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設步伐》中著重指出要通過豐富糧產(chǎn)的方式和對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)模式適度調(diào)整改良以促進農(nóng)業(yè)技術革新，進而達成創(chuàng)新型信息化工業(yè)和農(nóng)業(yè)自動化的關鍵偉大目標，因此智能溫室技術的出現(xiàn)為經(jīng)濟社會持續(xù)發(fā)展提供了有力支持，迎合國家的新政策?！段诌_豐物聯(lián)網(wǎng)市場晴雨表2019》顯示：已經(jīng)有34%的企業(yè)與組織應用了物聯(lián)網(wǎng)技術，其中又有95%表示他們從中受益。在現(xiàn)有的以人力為主的生產(chǎn)模式下，隨著我國人口老齡化的日益嚴重，人均農(nóng)業(yè)資源匱乏與農(nóng)業(yè)資源利用率下降，所以如何充分運用基礎農(nóng)業(yè)自動化技術來有效實現(xiàn)農(nóng)作物培育勞動準確化、智能自動化農(nóng)業(yè)生產(chǎn),提高農(nóng)業(yè)植物的總產(chǎn)率、資源的綜合利用率等成為了化解以上矛頭的優(yōu)先選擇。智能溫室的建設則是重中之重。1.1.2物聯(lián)網(wǎng)溫室智能控制技術的意義衡量一個國家綜合科技力量與相關農(nóng)業(yè)發(fā)展水平的重要標志之一是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術[1]，溫室監(jiān)測技術對促進農(nóng)業(yè)科學發(fā)展具有強大推動力。溫室作為人類智慧與科技文明的的偉大發(fā)明，除了被應用于花卉培育、果品種植、水產(chǎn)養(yǎng)殖以及種養(yǎng)結(jié)合的生產(chǎn)模式以外，已經(jīng)作為調(diào)節(jié)農(nóng)作物生長，控制局部氣候的必要方式，已經(jīng)逐漸進入人們?nèi)粘５纳盥糜?，休閑娛樂等行業(yè)中。所謂的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是由感知層，傳輸層和應用層這三部分結(jié)合而成，將此技術廣泛應用于溫室環(huán)境智能控制系統(tǒng)，可以極大的促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的數(shù)字化，自動化，智能化以及設施栽培的科技化、精細化，減少成本、增加收入。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大棚養(yǎng)護管理方式仰仗于完整全方位人工管理手段。所有溫室都會分別配備有智能溫度計,濕度數(shù)值測量器,二氧化碳含量濃度數(shù)值測量器等各種智能測量儀器和檢測工具,通過職工在現(xiàn)場檢測以掌握溫室目前狀態(tài)信息,當確認參數(shù)數(shù)據(jù)不匹配后,手動選擇相應的控制設施反饋彌補調(diào)節(jié)，相比之下溫室環(huán)境實時智能監(jiān)測管理系統(tǒng)則主要是充分采取先進物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控技術,遠距離掌握整個溫室大棚內(nèi)部空氣的實際溫濕度、土壤濕度、二氧化碳含量濃度,光照強度等基本信息。通過遠程模擬和數(shù)據(jù)分析,實時自動控制安裝的排風設備,水泵噴淋設備,加溫加濕補水擋光的自動農(nóng)業(yè)設施,締造適合作物量產(chǎn)與高質(zhì)的理想環(huán)境。我國領域遼闊，氣候因地理位置迥異不同，正因為如此我國也可以享受到加強溫室環(huán)境智能控制技術的研發(fā)所帶來的豐厚的回饋，不僅為淡季植株創(chuàng)造合適的生長環(huán)境，而且促進國家經(jīng)濟的發(fā)展。此外利用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術，單片機，傳感器、信息傳輸通信技術，自動控制技術進行采集形成閉環(huán)負反饋對溫室環(huán)境參數(shù)調(diào)控，依據(jù)環(huán)境傳感器反饋信息，實時調(diào)控驅(qū)動模塊，達成農(nóng)業(yè)種植合理有效的管控,兌現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的宗旨,通過加快建設農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化,推進新一代農(nóng)業(yè)基礎設施在我國農(nóng)業(yè)領域的應用,促進我國全面建成小康社會。將精準傳感、遠距通信和快速數(shù)據(jù)處理等物聯(lián)網(wǎng)技術來創(chuàng)設現(xiàn)代化智能農(nóng)業(yè),是擺脫農(nóng)業(yè)滯后缺陷的必然趨勢?，F(xiàn)代化溫室，顛覆了老套的農(nóng)業(yè)經(jīng)營理念，將先進的計算機技術融匯在溫室的搭建與管控中，是新型農(nóng)業(yè)革新的關鍵推動力，也是目前農(nóng)業(yè)技術的具有模范作用的成果。1.2國內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)機溫室技術發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀信息化發(fā)達國家紛紛將“e社會”（ElectronicSociety）和“u社會”（UbiquitousNetworkSociety）作為國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略的關鍵要素。美國是物聯(lián)網(wǎng)技術的開拓和領先的國家，格外注重物聯(lián)網(wǎng)、遙感和氣象監(jiān)測等各類農(nóng)業(yè)信息基礎技術，已經(jīng)開展了深入研究和推廣應用,形成了一個專門珍視于現(xiàn)代信息農(nóng)業(yè)基礎技術，率先啟動了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關聯(lián)技術的研發(fā)。荷蘭，盡管其適合植物生長的土地資源短缺，但在農(nóng)作物種植方面做到了領先全球，在花卉種植方面更是規(guī)模巨大，具有較為先進的自動化水平和高智能化水平的溫室控制系統(tǒng)，能24小時通過傳感器以及物聯(lián)網(wǎng)技術調(diào)整各項環(huán)境因子，為植物創(chuàng)造出適宜的生長環(huán)境進行控制與監(jiān)測。美國CID公司為了做到實時性捕獲土壤及植物根系剖面圖像，研發(fā)出精良發(fā)達的土壤活體根系生長狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)將之命為“CI-600”。日本十分注重土地資源的合理使用，并建立了自動化水平極高的智能溫室控制系統(tǒng)，采用鈉蒸汽取代太陽能光照，使得光照強度更加具有可控性，并能完成自動澆水，施肥，撒種以及對環(huán)境因子進行記錄與管控。近年來，沙漠干旱氣候不斷促進以色列溫室農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，其擁有極具全球領先位置的溫室節(jié)水灌溉技術，在1980-1990年內(nèi)，制作了硬軟件兼容溫室系統(tǒng)，運用傳感器完成濕度檢測，處理器用于遠程操控溫室中的調(diào)節(jié)設備完成噴灌指令，奠定了溫室環(huán)境智能調(diào)控的新趨勢[19]。溫室控制是具有高度自動化特性的溫室照明控制系統(tǒng)是以色列裝備的代表。它可以全天候工作根據(jù)不同的自然光自動調(diào)整擋板,遮陽設施等設備。在溫度控制方面，大多數(shù)使用當前領先的霧氣控制冷卻技術。冰島地區(qū)人們，已經(jīng)普及了利用地熱作為熱能，以此來開展溫室農(nóng)業(yè)新模式。英國更加重視遠程溫室智能控制系統(tǒng)的開發(fā)，其由倫敦大學研發(fā)團隊設計的微型處理器控制系統(tǒng)實現(xiàn)對溫室環(huán)境狀態(tài)進行超遠程檢測與調(diào)節(jié)。英國西爾索夫農(nóng)業(yè)工程該研究所設計了一個分布式控制系統(tǒng)，并使用計算機進行了大規(guī)?？刂疲詫崿F(xiàn)每個節(jié)點的農(nóng)作物生長在此過程中，溫度，濕度，光強度，二氧化碳濃度和營養(yǎng)液的供應以及PH值，EC值等條件的管理和控制。1.2.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀目前，國內(nèi)只有屈指可數(shù)的企業(yè)使用智能溫室種植系統(tǒng)，此外智能溫室控制系統(tǒng)開發(fā)資金巨大。換一個角度來說，智能溫室控制性能和技術缺乏一定的可靠程度。中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正面臨著由粗放型傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代精細農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變要在有限資源的基礎上，通過科技手段，努力實現(xiàn)節(jié)能減排、集約種植。信息技術隨著我國綜合國力的提高逐漸步入成熟，我國已逐漸加強現(xiàn)代信息技術與農(nóng)業(yè)種植相結(jié)合。在改善農(nóng)業(yè)自動化整體水平的同時，持續(xù)驅(qū)動農(nóng)業(yè)設施邁向智能化方向前進[14]。相比于國外智能溫室控制系統(tǒng)，國內(nèi)在性能和技術上存在許多明顯缺陷和不足。我國農(nóng)業(yè)面臨如下幾個問題：1.農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本過高；2.生產(chǎn)過程管控方式滯后、無法確保農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良；3.發(fā)展農(nóng)業(yè)的同時生態(tài)環(huán)境遭到破壞、不滿足可持續(xù)發(fā)展的政策。改革開放以來比如農(nóng)業(yè)信息采集范圍狹窄、由于設備的落后導致數(shù)據(jù)精確性下降，服務方式不夠完善等。我國擁有相當?shù)臏厥曳秶鶾3]，然而極簡普通的日光大棚，塑料大棚卻占主導，并未全面普及智能自動化農(nóng)業(yè)大棚，而智能化溫室更為稀少了。智能化的溫室的研發(fā)與普及迫在眉睫，由于對信息處理不及時使得農(nóng)業(yè)信息服務并不與農(nóng)業(yè)的發(fā)展匹配，同時很多農(nóng)業(yè)信息接受的可靠程度不夠、傳播力弱，與實際不貼切，難以消除農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的復雜問題。為有效減少冬春季因大風較弱而導致的低溫自然災害,連陰天也導致的低溫自然災害都會對日光溫室的生產(chǎn)帶來一定的影響,黎貞發(fā)研究開發(fā)出一套涵蓋日光溫室小氣候和生態(tài)環(huán)境于一體的科學技術方法,加強了農(nóng)業(yè)園區(qū)管控、能夠建立起網(wǎng)絡,數(shù)據(jù)進行實時采集和無線傳輸,針對低溫自然災害監(jiān)測和預防報警,遠程自動升溫調(diào)節(jié)。中國農(nóng)業(yè)科學院運用VB軟件開發(fā)了溫室控制與管理系統(tǒng)軟件。目前，國內(nèi)從事溫室制造的企業(yè)已從20世紀八十年代的5-6家發(fā)展到300多家。我國的溫室智能控制系統(tǒng)的環(huán)境控制技術與國外技術相比依然落后，最近幾年才真正實現(xiàn)計算機自動化控制。2012年在《物聯(lián)網(wǎng)"十二五"發(fā)展規(guī)劃》中首次明確提出發(fā)展我國新興特色現(xiàn)代農(nóng)業(yè)這一國家戰(zhàn)略重點產(chǎn)業(yè)領域，進一步深入開展特色物聯(lián)網(wǎng)技術應用和產(chǎn)業(yè)示范推廣工程,"十二五"發(fā)展規(guī)劃的大綱要把發(fā)展我國特色物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)作為一個促進推動物與互聯(lián)網(wǎng)技術跨越產(chǎn)業(yè)發(fā)展的國家重點產(chǎn)業(yè)領域,2009年以來,中央和其他各級地方人民政府通過聯(lián)合發(fā)布產(chǎn)業(yè)規(guī)劃等二十多種形式。我國的溫室農(nóng)業(yè)種植面積規(guī)模在逐步擴大，并在最近幾年，出現(xiàn)了以地熱資源作為能源的新型溫室形式。1.3研究內(nèi)容、方法和步驟1.3.1研究內(nèi)容針對我國目前對溫室環(huán)境監(jiān)測與控制技術應用和管理過程，本文的研究內(nèi)容是以農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術為手段，同時包括傳感器技術、通信技術、自動控制等技術，達到對溫室環(huán)境的各項參數(shù)信息數(shù)據(jù)的精準采集[1]。能夠?qū)r(nóng)業(yè)設施進行視頻監(jiān)控，生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)實現(xiàn)可視化管理，提高勞動效率。并能夠?qū)崟r采集溫室大棚內(nèi)農(nóng)作物生長所必須的環(huán)境參數(shù)，進行系統(tǒng)算法分析，對監(jiān)控的農(nóng)作物及時采取有效的管理。本文設計的嵌入式溫室環(huán)境智能控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測，通過傳感器獲得環(huán)境參數(shù)信息，從而能夠?qū)崟r獲取大棚中農(nóng)作物的生長環(huán)境信息，提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。1.3.2研究方法溫室的作用是給農(nóng)作物的生長提供適合的環(huán)境，農(nóng)作物的狀態(tài)與環(huán)境參數(shù)緊密聯(lián)系，相關參數(shù)基本為：空氣溫濕度、土壤濕度、光照強度、二氧化碳含量。設計也是通過對這些參數(shù)進行實時監(jiān)測并采用理論學習，查閱物聯(lián)網(wǎng)資料以及實地考察相結(jié)合。因此，對監(jiān)測部分傳感器要求變得很重要。其次是傳輸技術的設計，采集終端的數(shù)據(jù)完畢后要通過有線傳輸技術對數(shù)據(jù)進行傳輸，傳輸技術包括短距離無線傳輸和遠距離無線傳輸，最后是服務器以及控制終端的設計，主要功能是數(shù)據(jù)的分析、處理、存儲等功能。一般的系統(tǒng)在其實踐運行過程中，會-出現(xiàn)較大的缺陷，如參數(shù)的異常、數(shù)據(jù)丟失等問題。因此，這就對整個系統(tǒng)的硬軟件進行細致的選擇把控，智能溫室的意義即傳感器自動實時監(jiān)測獲取環(huán)境數(shù)據(jù)信息，通過中央處理器對參數(shù)處理分析，驅(qū)動相應調(diào)控設施建立適合農(nóng)作物的發(fā)育的理想環(huán)境。1.3.3研究步驟及組織架構(gòu)利用相關集成技術和物聯(lián)網(wǎng)技術對監(jiān)測軟件和硬件架構(gòu)搭建管理控制系統(tǒng)和網(wǎng)終端系統(tǒng)。管理系統(tǒng)主要是監(jiān)控溫室各種環(huán)境參數(shù)和控制執(zhí)行設備，便于對溫室環(huán)境進行整體監(jiān)測；終端系統(tǒng)主要是包括數(shù)據(jù)的采集模塊、繼電器模塊[1]，采集模塊負責獲取不同種類傳感器參數(shù)特征，繼電器控制模塊主要是控制執(zhí)行設備，RS485串口通訊模塊主要完成采集數(shù)據(jù)的傳輸和接收監(jiān)控系統(tǒng)的執(zhí)行指令[1]。提供數(shù)據(jù)傳輸來實現(xiàn)對溫室環(huán)境進行全時監(jiān)測、智能控制調(diào)控等功能。步驟流程圖如圖所示：對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術簡要分析。如圖1.1所示為系統(tǒng)流程圖：圖1.1系統(tǒng)流程圖1.4章節(jié)安排本設計的章節(jié)安排如下：第一章：緒論，描述了嵌入式溫室的興起背景，NB-loT技術的組成、特點和功能以及發(fā)展前景，物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)技術在國內(nèi)外發(fā)展的狀況，闡述了物聯(lián)網(wǎng)智能溫室存在的意義，并簡要概括了本設計的研究方法與內(nèi)容和步驟。第二章：智能溫室設計方案，分析了關鍵的環(huán)境因子對溫室內(nèi)植物的影響并說明了每種因子的獨特性，提出了利用PID算法對環(huán)境因子（溫濕度）進行動態(tài)調(diào)控的設想，簡要描述了模糊PID控制原理。最后提出了系統(tǒng)的設計目標，并對系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)進行設計，繪制出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。第三章：基于嵌入式溫室系統(tǒng)硬件設計，從主控制器進行選型到對各環(huán)境參數(shù)傳感器進行選型，再到對電源模塊和主控制板電路進行設計并繪制各傳感器采集電路圖，液晶顯示，以及控制系統(tǒng)原理圖。第四章：同時針對于溫度模糊PID的算法進行了matlab仿真，得到了無超調(diào)靜差仿真波形結(jié)果。第五章：基于嵌入式溫室系統(tǒng)軟件設計，介紹了PID控制算法的構(gòu)成，采用模糊PID算法對溫濕度控制，傳統(tǒng)PID算法控制光照控制器，CO2濃度；土壤濕度并進行軟件流程圖設計。第六章：總結(jié)和展望，對于畢設的綜合設計成果內(nèi)容進行綜合描述匯報，同時對于缺陷不足之處進行調(diào)整，提出改善的措施。第二章智能溫室總體設計與關鍵算法本系統(tǒng)控制終端的主要功能是采集到的數(shù)字信息整合、分析、處理，主要內(nèi)容是對數(shù)據(jù)的處理方法，溫室智能環(huán)境控制系統(tǒng)是一個非線性，復雜多變且多種耦合關系的系統(tǒng)，基本組成為：中央處理器（微型控制器）、上位機通信、多種類別傳感器、驅(qū)動電源，電動執(zhí)行器。溫室內(nèi)的傳感器承擔對溫室環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的檢測采集，通過有線串口通信上傳至上位機。中央控制器依據(jù)植株生長狀態(tài)設定設置值，經(jīng)過系統(tǒng)處理后完成調(diào)節(jié)指令，傳輸給輸出調(diào)控設備來控制排風機、水泵、空調(diào)、加熱電阻絲等設備，最終是對目標環(huán)境因子的智能調(diào)控，首當其沖的就是對溫室環(huán)境進行分析。2.1溫室內(nèi)參數(shù)分析2.1.1光照光是光合作用的決定性因素，植物的葉片結(jié)構(gòu)對于光的吸收具有高度專一化特性，是進行光合作用的的保障，然而并不是光照強度越強光合速率就越高[9]，光能過強以及植物至于黑暗中比如在夜間時，光合速率反而下降產(chǎn)生光抑制，因此在溫室內(nèi)需將光照約束在一個區(qū)間，通過擋光和增光措施，使得光合速率得到理想的設置，生物學的角度以光補償點與飽和點來描述作物光合過程。光飽和點的定義：是指在某種程度的光照強度內(nèi)，因光照程度的連續(xù)增強使得光合速度加速，但超過這一光照強度范圍后，光合作用強度維持某一強度穩(wěn)定進行，這一時刻臨界點視為光飽和點。所謂的補償點為光合作用吸收的二氧化碳與呼吸作用釋放的相互抵消。如圖3.1為光合作用曲線：圖2.1光合作用曲線2.1.2溫度大多數(shù)作物生長的合適溫度大致為25-35℃范圍內(nèi)，溫度直接決定酶活性，室溫過低時，酶促響應削弱；室溫超過限定值，葉綠體被損傷，酶特性受到影響導致了呼吸與光合作用異常。日光下較高溫供給了足夠生長必需原料；夜間較低溫可削弱呼吸對有機產(chǎn)物的耗損，加速作物生長。植物處在低溫環(huán)境的時間越久，對于生長發(fā)育的延遲影響程度越深，在溫室大棚栽培中[9]，嚴格把控早晚溫差，促進作物健壯生長。因此對于果蔬作物，做好變溫處理，通過智能溫室操控室內(nèi)一天的溫度，使得植物日間促進其光和速率，應在白天時保持恒定的溫度，若溫度超過限制范圍，做好通風換氣的工作，避免溫度過高的情況；對于夜晚應在一段時間之內(nèi)維持較高的溫度，加速光合作用產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移，并在一段時間之后調(diào)控至較低的溫度來抑制其呼吸作用以此提高產(chǎn)量與質(zhì)量。如圖3.2.所示為不同種類植物的生長溫度對比：圖2.2不同種類植物的生長溫度對比2.1.3濕度對于大多數(shù)植物而言，空氣中的水分含量主要影響花卉的蒸發(fā)，進而影響花卉在土壤中吸收水分，從而影響植株的含水量，長時間處于干燥環(huán)境下的植株的葉片氣孔會關閉，不利于生長發(fā)育而過濕的環(huán)境，妨礙花藥開放會影響花粉的傳播，花粉管延展阻礙，導致結(jié)果異常，造成落花落果。由于夜溫的溫度較低使得土壤濕度加大，由于越過了臨界飽和點變成了霧氣，隨著時間的推移濃度增大并會在植株表面液化成水珠，導致好濕性的細菌進入氣孔，會誘發(fā)出許多病蟲害的嚴重后果，濕度是影響植物是否健康無害蟲的主要因素，較高濕度以及害病的溫度條件會促進害蟲的繁殖，必須科學合理的加以控制。如圖所示3.3為不同植物生長對濕度要求：圖2.3不同植物生長對濕度要求2.1.4二氧化碳空氣中的CO2濃度相對低，是光合作用的主要原料之一[9]，也是限制光合作用的主要因子。CO2濃度的變化是按一定規(guī)律進行的。隨著CO2濃度的增加，光合速率明顯增加，隨著CO2濃度的進一步提高，使得光合速率呈線性趨勢上升，當環(huán)境中的CO2濃度時大氣中的2-3倍時，植物產(chǎn)量會倍增，但達到一定程度時，光合速率便不在增加，每種植物的CO2補償點與CO2飽和點都會各不相同，特別是C3植物和C4植物有較大差別，因此盡管光照溫濕度等條件符合要求，在密閉的溫室內(nèi)也仍會發(fā)生CO2濃度不足導致光合作用不理想[11]。在溫室搭建的過程中，溫室處于密閉狀態(tài)時非常普遍常見的，因此對于溫室中的作物來說CO2的供供給時遠遠不夠，如果溫室內(nèi)的二氧化碳含量過低會使得植物的光合作用停止，一般而言，正常的植物生長環(huán)境要求二氧化碳的體積比率大致在1%—1.5%的范疇內(nèi)，當然不同的植物對二氧化碳需求還是有所差異的。如果不達標進而會影響到植物的生長水平。2.2PID控制算法在閉環(huán)系統(tǒng)中，PID控制是被廣泛應用自動控制的算法,基本思想為計算偏差并去除偏差[11]，它根據(jù)給定值r（t）與實際輸出值c（t）求出控制偏差量：（2.1）將偏差利用比例（P）、積分（I）和微分（D)進行線性組合形成輸出控制量u，對被控對象進行控制，三個參數(shù)是利用PID進行最優(yōu)控制的關鍵[4]。同時，PID算法有較理想的自適應，魯棒性較優(yōu)，控制算法簡便高效，格外符合復雜的工業(yè)自動控制，過程控制對象可針對一階慣性環(huán)節(jié)帶有純滯后以及二階慣性環(huán)節(jié)帶有純滯后，保證了系統(tǒng)整個動態(tài)過程穩(wěn)，準，快。其控制規(guī)律為: （2.2）離散化以后位置式表達式為： （2.3）如圖3.4所示為常規(guī)PID控制結(jié)構(gòu)框圖：圖2.4常規(guī)PID控制結(jié)構(gòu)框圖總體來說，PID控制器各矯正環(huán)節(jié)的作用如下：比例環(huán)節(jié)：實時成比例反映負反饋閉環(huán)系統(tǒng)的偏差量e(t),同時比例放大倍數(shù)增大會動作靈敏，加快系統(tǒng)的響應速率，并能減弱穩(wěn)態(tài)誤差，過大會引起振蕩次數(shù)的增加。積分環(huán)節(jié)：其最大的作用則是用于消除靜差，以此來提升控制系統(tǒng)的無差率。使得系統(tǒng)能夠更穩(wěn)定的運行，能夠做到完全消除偏差，積分作用對系統(tǒng)性能的影響是由積分時間常數(shù)TI決定的,TI過大，無法徹底消除穩(wěn)態(tài)誤差，使系統(tǒng)的性能效果大打折扣。3.微分環(huán)節(jié)：微分環(huán)節(jié)時間參數(shù)TD，適當?shù)腡D可以幫助調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)性能，減弱超調(diào)，縮短調(diào)節(jié)時間，同時加快慣性系統(tǒng)的響應速度。2.3系統(tǒng)的設計目標[10]設計目標為：性能穩(wěn)定：智能溫室大棚環(huán)境的監(jiān)測要進行全程實時監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集，傳輸，分析，存儲每個環(huán)節(jié)都要保證正常運行。同時，數(shù)據(jù)在傳輸過程中也非常安全，并且高效，可靠。性價比高，適用性強：溫室的設計實施應該以低成本為重要宗旨之一，盡可能節(jié)省開支，降低投入。系統(tǒng)設計之初要進行實際考察，充分利用可利用資源，并盡量節(jié)省資源的使用。在設計的過程中要充分利用現(xiàn)代化信息技術，廣泛獲取大量的信息資源，以獲得在設計過程中的設計靈感。簡單適用，維護廉價方便：系統(tǒng)的應用要以簡單為宗旨，操作過程盡量去繁就簡，易于上手，簡單明了。在維護方面要盡量的降低成本，降低維護的投入，保證低價且正常運行。方便擴展：系統(tǒng)的設計之初要考慮到后期的升級換代，隨著社會的發(fā)展和科技的進步，任何一種先進的系統(tǒng)終究會被淘汰掉，所以系統(tǒng)的設計最關鍵的一點就是考慮到以后的擴展，從而滿足時代的需求。系統(tǒng)設計之初要充分考慮到以后的升級換代問題，也就是軟硬件擴展問題，通過不斷的升級和擴展不斷地滿足時代發(fā)展的要求。2.4溫室總體結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)可分為三部分，分別是數(shù)據(jù)采集、傳輸和設備控制。他們分別對應物聯(lián)網(wǎng)技術的感知層、網(wǎng)絡層、應用層。本系統(tǒng)嚴格按照物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)設計，采用模塊化的設計方法進行設計。一是清晰明了，二是考慮到了以后各部分可能進行更新。數(shù)據(jù)采集終端的主要作用是采集農(nóng)作物生長所需要的數(shù)據(jù)信息；數(shù)據(jù)傳輸層主要任務是傳輸數(shù)據(jù)信息采集部分。應用終端的任務是采集環(huán)境信息、傳輸已經(jīng)采集到的數(shù)據(jù)信息給用戶。農(nóng)作物生長信息和自動采集系統(tǒng)節(jié)省了大量人工，降低了成本，并且利用本系統(tǒng)采集的農(nóng)作物生長環(huán)境參數(shù)具有客觀性、準確性。而人工感知生長條件具有主觀性和不確定性。2.5本章總結(jié)溫室智能控制系統(tǒng)的構(gòu)成分為如下幾個部分：溫室自動控制器：控制當前的環(huán)境參數(shù)的數(shù)值與設定值相同，并將采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡技術，上傳至集合操控設備環(huán)境因子監(jiān)測傳感器：監(jiān)測并測試出當前的溫室環(huán)境因子的信息數(shù)據(jù)。集合操控設備：對環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)進行處理控制及整定，形成負反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。智能溫室環(huán)境：通過對以上設備操控器的密切配合實現(xiàn)對溫室環(huán)境的智能化控制。如圖3.5所示為本設計的智能溫室閉環(huán)控制原理框圖：圖2.5智能溫室閉環(huán)控制原理框圖第三章嵌入式溫室系統(tǒng)硬件設計3.1系統(tǒng)的控制策略智能溫室系統(tǒng)實質(zhì)上是一個耦合性強，變量復雜的系統(tǒng)，因而需要對各部分的環(huán)境因子進行控制算法的設計，提高控制的精確性同時加強其抗干擾的能力。利用各環(huán)境因子傳感器來采集其物理信息（模擬量），由于STM32單片機內(nèi)部嵌有12位AD轉(zhuǎn)換器，采用逐次逼近法自行A/D轉(zhuǎn)換。將這些模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量傳至節(jié)點控制器讀取并處理傳感器值。將結(jié)果與設定值（數(shù)字量）進行比較分析，之后把差值利用模糊PID以及位置式PID算法計算輸出控制值?？刂屏縐調(diào)整PWM輸出占空比從STM32輸出至相應控制電路來控制設備工作，比如開窗通風噴水等。利用模糊PID算法控制器調(diào)控溫度，位置式PID調(diào)控其他參數(shù)。對于溫度的控制：使用溫度傳感器對溫度參數(shù)實時監(jiān)測，微控制器將采集值與設定值對比，若低于設定值，則加熱電阻絲進行升溫控制，若高于設定值則啟動空調(diào)進行降溫控制，整個過程采用模糊PID控制，獲得E與EC送入模糊控制器實時修正PID參數(shù)獲得輸出控制量U以控制被控對象（繼電器控制電路）的PWM輸出的占空比，以修正控制設備的工作時間。對于土壤濕度，CO2濃度光照強度：由各傳感器采集信息送入單片機實現(xiàn)實時監(jiān)測，并判斷高于或低于設定值時，由繼電器控制水泵抽水，排風扇，照明燈開關的工作，利用常規(guī)位置式PID算法（PID三個參數(shù)是不變的）獲得輸出控制量U控制繼電器電路，通過調(diào)節(jié)PWM輸出占空比實時修正設備的工作時間。如圖3.1所示為硬件設計流程圖：圖3.1硬件設計流程圖3.2系統(tǒng)硬件的總體設計系統(tǒng)使用STM32單片機作為主控系統(tǒng)，顯示模塊使用LCD1602，溫濕度采集、CO2檢測、土壤濕度采集、光照強度采集由對應傳感器完成。通過STM32單片機處理采集溫濕度、土壤濕度、光照強度、CO2濃度等信息，顯示相應的傳感器信息，同時判斷采集的信息是否超過告警門限值，如果超過啟動聲光警告，并控制繼電器，實現(xiàn)設備開啟，比如：土壤濕度過低，開啟水泵抽水等工作?？傮w硬件包括：環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)信息采集模塊；電源模塊（5V與3.3V電源）；參數(shù)顯示模塊（由LCD液晶屏實現(xiàn)）；輸出控制模塊（通過繼電器來自動控制各個設備的動作），同時設計RS485有線接口通信電路實現(xiàn)普通PC機監(jiān)視下位機的工作狀況與通信，顯示信號變化。然后結(jié)合自動控制算法算法運算，各參數(shù)數(shù)據(jù)低于或高于設置值，進行調(diào)控，控制各環(huán)凈參數(shù)維持在設置值附近，達到自動調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)穩(wěn)定，3.3系統(tǒng)硬件設備的選型3.3.1系統(tǒng)微控制器的選型本設計關鍵在于對微控制器（單片機）的選用。ARM因其功能性、低成本、低能耗等優(yōu)點而被廣為應用，ARMCortex-M3內(nèi)核的STM32處理器系極具性價比，內(nèi)部資源優(yōu)于MCS51單片機，具有較強的軟硬件兼容性能，當從管腳較少擴展到管腳較多的同一系列的控制芯片時,無需對程序進行修改既可以直接使用，STM32是32位的Cortex內(nèi)核MCU，相對于以往的8位、16位的MCU，擁有更高的運算速度及更高的指令執(zhí)行效率。因此考慮到了性價比水平，技術需求以及系統(tǒng)對硬件的要求，采用了STM32F103RCT6作為本設計的控制處理器，本質(zhì)是嵌入式-微控制器的集成電路(IC)。其中，芯片體寬：32位；最高主頻為72MHZ.連通性：CAN（控制器局域網(wǎng)絡），穩(wěn)定機敏的通信技術；I2C（兩線式串行通訊總線），用于連接微控制器及其外圍設備，是同步通信的一種特殊形式，接口線少，控制方式簡單；IrDA（紅外數(shù)據(jù)傳輸）；LIN（LocalInterconnectNetwork）低成本的串行通訊網(wǎng)絡，是對CAN的一種補充；SPI（SerialPeripheralInterface）串行外設接口是一種高速的，全雙工的，同步通信總線，為PCB的布局節(jié)省了空間；UART（用于異步通信的串行數(shù)據(jù)總線，雙向通信）；USART（全雙工通用同步/異步串行收發(fā)模快）；USB。外圍設備:DMA（直接內(nèi)存訪問，不經(jīng)過CPU而是在存儲器和外設之間直接進行高速數(shù)據(jù)交換），電機控制PWM（脈寬調(diào)制），PDR（網(wǎng)絡安全），POR，PVD，PWM，溫度傳感器，WDT（監(jiān)測單片機運行，若監(jiān)測到死機則輸出RST復位信號，復原處理器代碼的運行），晶振（時鐘源，提供時鐘頻率，調(diào)控單片機工作速率)。STM32的優(yōu)點如下表3.1所示：表3.1STM32的優(yōu)點STM32具有以下特性：輸入/輸出數(shù):51；程序存儲器(ROM)容量:256KB；程序存儲器類型:FLASH；數(shù)據(jù)存儲器（RAM）容量:48KB；電壓-電源(Vcc/Vdd):2V~3.6V；振蕩器型:內(nèi)部；工作溫度:-40°C-85°C；封裝/外殼:64-LQF。IO口有PA，PB，PC，PD口，每個口功能和每個口數(shù)量等,只能輸出高低電平0/1信號，本系統(tǒng)是3.3V的系統(tǒng)，以此高電平即為VDD（3.3V），低電平為0V；內(nèi)部嵌有12位的ADC，輸入模擬量自動進行AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換范圍（0-3.6V）。具體參考芯片數(shù)據(jù)手冊，控制電路原理圖參考芯片數(shù)據(jù)手冊畫的。如圖3.2所示為STM32F103RCT6的引腳分配圖：圖3.2STM32F103RCT6的引腳分配圖3.3.2空氣溫濕度傳感器在復雜多變的溫室環(huán)境中，空氣溫度和濕度是決定作物生長水平的重要因子之一。必須對其監(jiān)測的準確性進行嚴格的把控。因此溫濕度傳感器的選擇對整個系統(tǒng)采集參數(shù)的準確性起著至關重要的作用。傳感器應盡可能的滿足節(jié)能，高精確，抗擾動，以及高性價比等要求，本設計從對溫濕度的監(jiān)測范圍，速率，與STM32對硬件的要求，設計的簡便性，以及高性價比方面，綜合選擇了DHT11數(shù)字溫濕度復合傳感器。DHT11是款已校準數(shù)字信號輸出的復合型溫濕度傳感器[11]，輸出數(shù)字信號輸出，采用特殊的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，保證產(chǎn)品具有耐用，高度穩(wěn)定可靠，抗干擾。其濕度精確度為，溫度精確度為℃，濕度范圍，溫度范圍為℃，DHT11的供電電壓應設置為在3-5.5V，上電后，會存在一秒鐘的不平穩(wěn)的狀態(tài)，必須等待使其通過之一不平穩(wěn)的狀態(tài)，在這一時間段內(nèi)，不需要傳達一切命令，同時為了達到濾波作用的目的，可在電源引腳（VDD，GND負極）中間加入一大小為100nF的電容實現(xiàn)溫濕度信息的采集，其中VDD為供電電壓，GND為負極接地。DHT11數(shù)字溫濕度復合傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)嵌有兩個重要的元器件[17]，其一為是電阻式濕度傳感器（電阻式感濕元件），通過濕敏元件隨著濕度改變而發(fā)生改變的的物理特點，一般的濕敏元件在其絕緣成分的表面涂有吸濕功能的成分，也有的是由分子薄膜，半導體材料制成的，而其阻值之所以會隨著濕度改變而改變的原因是因為在其感知濕氣環(huán)境的運作中，水發(fā)生了電離，產(chǎn)生了氫離子，導體狀態(tài)產(chǎn)生改變；其二為NTC測溫元件,本質(zhì)上是由熱敏電阻組成，尺寸小巧而靈活可達到0.01英寸甚至更小的直徑尺寸，用于監(jiān)測溫度參量，NTC是指隨著溫度的增加電阻呈指數(shù)關系減少。如表3.2所示為DHT11傳感器的特性：VDD=5VT=25℃表3.2DHT11電氣特性如圖3.3所示為DHT11實物圖：圖3.3DHT11溫濕度傳感器實物圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)除了上述兩種元件之外，還接有性能比較高的8位微型處理器，同時在其內(nèi)部裝有可進行一次性編寫程序的OTP存儲器[17]，需要進行校驗的因數(shù)會以代碼的形式寄存在OTP存儲器中，當該傳感器監(jiān)測到了環(huán)境因子之后，會對OTP存儲器內(nèi)的校驗因數(shù)進行調(diào)用，選用4針單排直插引腳封裝，再加上DHT11傳感器采用單線制串行接口（單線雙向），因而減小了體積，極大程度的降低了功耗，可以支持二十米以上的遠距離信號的傳輸（當連線距離不足二十米時接5000歐姆的上拉電阻，如果連線距離超過二十米時應根據(jù)具體要求連接合適的上拉電阻），較為適合溫室系統(tǒng)的體系并且結(jié)實耐用，響應的靈敏度較高，擁有較快的相應的速度和較強的抵抗干擾的能力以及精準的監(jiān)測結(jié)果和優(yōu)良的性價比。如下表所示3.3所示為DHT11相對溫濕度參數(shù)表：表3.3.1DHT11相對濕度性能表表3.3.2DHT11相對溫度性能表如圖3.4所示為DHT11溫濕度傳感器電路圖：圖3.4DHT11溫濕度傳感器電路圖3.3.3土壤濕度傳感器在多變的溫室環(huán)境中，土壤濕度也是決定植物生長狀況的的關鍵性參數(shù)，土壤濕度的程度影響著土壤的PH值和土壤中的鹽分[13],如果土壤過于潮濕會導致土壤中以離子狀態(tài)而存在的鹽分的下降，反而如果土壤過于干燥會導致鹽分比例增加，過高的鹽分比例會導致土壤逐漸發(fā)生酸化，對于植株本身來說，會導致自身的缺水干旱，過高的鹽分會抑制植株根部位汲取水分，還會導致水分的外滲，金屬離子的毒害作用會嚴重影響植物的生長狀況同時過高的鹽分會抑制光合作用所用的酶的生成因此造成植株代謝異常的后果[13]。此外PH值的減少導致土壤的酸化進一步影響了土壤的肥沃程度，阻礙了植株對營養(yǎng)成分的汲取造成作物減產(chǎn)的不良后果，因此設置土壤濕度傳感器調(diào)節(jié)土壤環(huán)境對提高土壤肥沃程度是舉足輕重的[13]。根據(jù)溫室土壤環(huán)境長時間深埋入地下的特殊要求，土壤濕度傳感器應具有抗腐化的特質(zhì)以抵抗不同酸堿程度的侵害，本方案應用的傳感器是由綿陽市湘蜀電子科技有限公司所制造的TR-101土壤濕度傳感器，模擬電壓形式輸出。此傳感器采用電磁脈沖原理測量土壤的表觀介電常數(shù)，進而獲得土壤的真實的水分含量，具有快速準確；穩(wěn)定可靠；抵御化學物質(zhì)以及金屬離子的侵擾等特點，是用來監(jiān)測土壤濕度參數(shù)的不二之選。TR-101土壤濕度傳感器有如下特點：結(jié)構(gòu)精簡，性能可靠；操控簡便；利用較發(fā)達的陶瓷技術。在土壤內(nèi)掩埋，避免了經(jīng)常維護的工作；集成水平程度優(yōu)；體積精巧；功耗極微；便于捎帶；真正實現(xiàn)低成本；低價格；高性能；壽命長；便利性；高可靠性；支持二次開發(fā)。TR-101技術參數(shù)：1）測量范圍：0-100%2）分辨率：0.1%3）準確度：±3%4）供電方式：直流供電（DC）+5V5）工作溫度：-50℃-80℃6）相對濕度：0-100%7）產(chǎn)品功耗：310mW8）輸出方式：模擬電壓0-5V如圖3.5所示為TR-101土壤濕度傳感器實物圖：圖3.5TR-101土壤濕度傳感器實物圖3.3.4光照強度傳感器光照強度一般采用光敏傳感器測量，利用了光敏器件的特性，采集的光信號在其內(nèi)部變換為電信號。本系統(tǒng)從精準的測量精度以及較低耗能和抗擾水平的角度，選擇對較弱光線仍具備超高靈敏度的帶濾光片的硅藍光伏探測器作為光敏傳感器，型號為GZD-ASD光照強度傳感器,輸出0-5V的模擬電壓，經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換。其實物圖如圖3.6所示：圖3.6GZD-ASD光照強度傳感器實物圖該傳感器有如下優(yōu)點：1.通過降低功率的消耗,達到降低電流的效果；2.利用除光噪音功能加強了檢測的可靠穩(wěn)定性；3.最小誤差在±20%左右；4.線性度好，多種形式輸出，傳輸距離遠；5.幾乎不受紅外線干擾的影響；6.可測得的輸入光的范圍比較大（），測量范圍寬；7.對弱光也有較強的靈敏度，且可靠性高；8.結(jié)構(gòu)美觀，防水能力強。參數(shù)額定值單位供電電壓24（DC）可定制電壓V操作環(huán)境溫度-10-70℃操作環(huán)境濕度0%-70%RH模擬電壓輸出0-5V室外測量范圍0-15萬LUX（勒克斯）室內(nèi)測量范圍0-2000LUX波長測量范圍380-730nm精度±7%如表3.4所示為該傳感器最大額定參數(shù)：表3.4GZD-ASD傳感器最大額定參數(shù)如圖所示3.7所示為GZD-ASD傳感器的接線說明：圖3.7GZD-ASD傳感器的接線說明3.3.5二氧化碳傳感器在智能溫室的實時監(jiān)測中，應做好實時對二氧化碳濃度進行測量與調(diào)控的工作，并同時要求傳感器能夠?qū)怏w進行精準的選擇且具有耐用性。本設計采用MG811二氧化碳傳感器來監(jiān)測CO2的濃度。如圖3.8所示為MG811的實物圖：圖3.8MG811傳感器實物圖MG811其本質(zhì)是固體電解質(zhì)電池原理，較多的采用于CO2含量測量系統(tǒng)，因其對該氣體有著理想靈敏度和選擇性，不易被其他環(huán)境因子例如溫濕度所干擾，極高的穩(wěn)定性,結(jié)實耐用，極快響應以復原特質(zhì);陶瓷探頭可插拔，便于改換，隔熱散熱性能優(yōu)良，帶溫度補償輸出Tcm，避免溫室溫度變化，使得輸出電壓改變，保證檢測準確有效性。模擬電壓（0-2V）信號的形式輸出。當器件置于CO2的氣氛中時會觸發(fā)以下電極反應：負極：（3.1）正極：（3.2）總電極反應：（3.3）模塊器件作用及端口定義如表3.5所示：端口作用與定義VCC電源正(DC6V)GND電源負用于接地DoutTTL電平信號輸出口（默認輸出高電平，濃度符合要求。達到設定值超標時輸出低電平紅色指示燈亮)Aout模擬輸出口（0-2V），且濃度越低輸出電壓越高，接單片機或的AD芯片的ADC接口。Tcm溫度補償輸出接口表3.5器件作用及端口MG811型號傳感器的技術參數(shù)如表3.6所示所示：供電電壓直流（DC）6V工作電流200mA左右監(jiān)測范圍0-10000ppm輸出信號（模擬電壓）0-2V（非線性）濃度越低輸出電壓越大0-4V（非線性）預熱時間≥2小時存儲溫度-20-70℃工作溫度-20-50℃規(guī)格尺寸（㎜）外觀尺寸40*25*35安裝尺寸34*19*35表3.6MG811技術參數(shù)表3.4硬件電路的設計3.4.1STM32控制芯片最小系統(tǒng)的設計本系統(tǒng)選擇STM32F103RCT6單片機，通過調(diào)用封裝庫并且參考芯片數(shù)據(jù)手冊，在原理圖上對STM32單片機進行繪制。IO口選擇的原則是：沒有特殊功能的引腳可以隨便接，但是要考慮到布線的方便性，根據(jù)實物位置和要求進行接線。電源（VDD）接電源，地（VSS）接地，數(shù)據(jù)口接STM32的IO口。STM32芯片內(nèi)部自帶的ADC功能，STM32的ADC是12位的ADC，內(nèi)部自行采用逐次逼近法，具體ADC有哪些管腳，看STM32芯片數(shù)據(jù)手冊。其中用到的PA0-PA7;PC0-PC5都具有ADC功能。STM32時鐘源大致包括：HSI（高速內(nèi)部時鐘）、HSE（高速外部時鐘）、PLL（鎖相環(huán)倍頻輸出）、LSI(低速內(nèi)部時鐘)、LSE（低速外部時鐘）。STM32可外接2個晶振（外部時鐘源）以為其供給時鐘信號；驅(qū)動單片機的工作，有高與低速率兩種形式。前者可為控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定而準確主頻,后者則可提供精確的日歷時鐘。為了提高晶振精度，本設計采用外部高速時鐘的方式，規(guī)避了內(nèi)部高速時鐘低精確性的缺陷，STM32通過使用外接8M晶振，電容使用22pF大小的電容，接在單片機的PD0和PD1腳（依據(jù)操作手冊，此為固接法，不能變。），利用倍頻的方法，以實現(xiàn)其工作的正常頻率72MHZ。本設計的STM32的最小系統(tǒng)包括：STM32芯片、晶振電路、復位電路、電源電路、程序下載口電路、程序啟動方式配置電路。如圖3.9所示為STM32F103RCT6芯片外接8M晶振電路原理圖：圖3.9外接晶振電路原理圖同時利用3.3V的電壓對微控制芯片進行供電。為了濾除電源紋波，增強抗干擾的能力，在+3.3V電源與之間加入濾波電容，以防失電丟失數(shù)據(jù)信息。如圖3.10所示為STM32芯片原理圖：圖3.10STM32芯片原理圖STM32單片機使用低電平復位，通過上電復位的方式，進行系統(tǒng)復位，接stm32復位腳NRST（固定管腳，不可以變）。如圖所示為3.11STM32復位電路原理圖：圖3.11復位電路原理圖通過SW的方式下載程序，節(jié)省IO口。如圖3.12所示為程序下載口電路原理圖:圖3.12SWD程序下載口電路原理圖控制芯片程序啟動方式取決于BOOT0,BOOT0接GND（低電平）實現(xiàn)程序從Flash啟動，若BOOT0接高電平則從RAM啟動，可實現(xiàn)燒寫程序的功能。如圖3.13所示為程序啟動方式配置電路原理圖：圖3.13程序啟動方式配置電路圖3.4.2電源電路的設計本設計的供電分為5V與3.3V兩部分，如圖3.14所示為市電轉(zhuǎn)5V給系統(tǒng)供電：圖3.14市電轉(zhuǎn)5V電路市電220VAC輸入，經(jīng)過變壓器變壓，在經(jīng)過整流橋整流，電容濾波，得到穩(wěn)定的直流電。采取7805芯片進行穩(wěn)壓功能，在整流以后用電解電容和104的瓷片電容（100nF=100000pF）分別進行低頻與高頻濾波，最終獲得5V穩(wěn)定的直流電，給系統(tǒng)供電。整流橋是全波橋式整流電路，利用二極管單向?qū)щ娦?，在電壓處于負半周時也能把次級輸出引向負載,正半波時由D1與D2導通，電流方向由上至下導通D5發(fā)光，負半波形時由D3與D4導通，電流方向依然不變導通D5發(fā)光二級管，變壓器輸出交流電壓建議7.5V，當輸出較大電流時，7805加上散熱板。采用3.3V電源給傳感器和單片機供電。Stm32單片機是3.3V供電，不能直接接于5V電源，會燒壞芯片，啟用LM1117芯片（低壓差調(diào)節(jié)器），LDO芯片LM1117，實現(xiàn)5V到3.3V的轉(zhuǎn)換，壓差大小是1.2V，所產(chǎn)生的負載電流大小達至800毫安，同時此芯片不僅具有電流限流的功能還可以對電路進行熱保護，功能性較強，對于LM1117的輸出端要求必須至少有1個10μF的電容，目的是改良并加強瞬態(tài)響應靈敏度以及穩(wěn)定性。如圖3.15所示為系統(tǒng)的電源電路原理圖：圖3.15系統(tǒng)電源電路原理圖3.4.3參數(shù)顯示電路的設計溫室環(huán)境對于顯示要求亮度較高且清晰可見，本設計選用性價比較高的LCD1602液晶屏作為顯示溫濕度，光照強度以及CO2參數(shù)信息。是一種工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16x02即32個字符即顯示兩行，每行有16個字符液晶模塊(把字符或數(shù)字顯示出來)。LCD1602液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，針對液晶屏幕顯示區(qū)域利用電壓操縱控制，即可以顯示出圖形。重點在于引腳的連接：LCD1602的數(shù)據(jù)為8位口，接在STM32PA0-PA7，E使能端接PB12，RW讀寫選擇端接PB13，RS（數(shù)據(jù)，程序選擇端）接PB14。通過STM32寫液晶程序，實現(xiàn)液晶控制和內(nèi)容顯示。如圖3.16所示為液晶顯示電路原理圖:圖3.16液晶顯示電路原理圖3.4.4溫濕度采集電路設計如圖3.17所示為DHT11電路原理圖：圖3.17DHT11采集電路原理圖DHT11傳感器，三個腳，分別為電源腳，地腳，數(shù)據(jù)腳（可直接輸出數(shù)字信號），并加入濾波電容提高抗干擾的能力。數(shù)據(jù)腳接STM32的PC3，STM32根據(jù)溫濕度傳感器的時序，編寫程序，控制PC3讀寫數(shù)據(jù)、指令等，控制溫濕度傳感器，實現(xiàn)讀取溫濕度值。3.4.5CO2采集電路的設計如圖3.18所示為MG811傳感器采集電路原理圖：圖3.18CO2傳感器采集原理圖CO2傳感器，通過檢測濃度，STM32實時采集，超過進行告警。根據(jù)CO2傳感器實物引腳，對應放排針或者接口，和實物接口一致，VCC是電源3.3V，GND是STM32地，其中AO是模擬電壓輸出（0-2V）。DO是數(shù)字電平輸出，0或1電平。本設計需要采集模擬電壓值代表CO2濃度，濃度越低輸出電壓越高，接于配置好的ADC轉(zhuǎn)換口PC5。為了確定CO2傳感器是否超過安全濃度，DO接STM32的PC1腳。如果CO2正常，DO輸出高電平，PC1讀取到高電平，表示CO2濃度合適。如果DO輸出低電平，PC1讀取到低電平，表示CO2濃度超標，并加入104的瓷片電容濾波提高抗干擾的能力。3.4.6土壤濕度采集電路的設計如圖3.19所示為TR-101土壤濕度傳感器采集電路原理圖圖3.19TR-101傳感器采集電路原理圖TR-101土壤濕度傳感器，3個腳，電源腳，地腳，模擬腳。因為設計需要采集模擬電壓表示濕度情況,所以濕度模擬腳經(jīng)104的瓷片電容濾波，同時考慮到采集信號的范圍（TR-101傳感器輸出模擬電壓0-5V，而STM32檢測范圍0-3.3V），確保輸出電壓能夠滿足STM32的正常檢測范圍加入運算放大器（OP07為同相比例放大電路）進行模擬電壓調(diào)節(jié)，而STM32將引腳PC2配置為ADC模式，因此將模擬腳接于PC2，在經(jīng)過濾波電容濾波，實現(xiàn)不同濕度對應輸出不同電壓，STM32的PC2采集到不同的電壓而知道不同的濕度情況。根據(jù)虛短虛斷確定放大倍數(shù)公式如（3.1）所示：（3.1）可確定放大倍數(shù)為0.66，并確定電阻值（已在圖中標出阻值大?。崿F(xiàn)等比例減小電壓滿足檢測范圍，濾波電容可提高抗干擾的能力。3.4.7光照強度采集電路的設計如圖3.20所示為GZD-ASD傳感器采集電路原理圖：圖3.20光照強度采集原理電路圖共2個腳，一個電源，一個模擬腳，因為設計需要采集模擬電壓表示光照強度情況，由于驅(qū)動電源為24V加入同相比例運算放大器放大3.3V電壓至24V左右。將輸出的模擬電壓經(jīng)過瓷片電容濾波，為了確保輸出電壓在正常的檢測范圍（GZD-ASD傳感器模擬電壓輸出為0-5V，而STM32檢測范圍0-3.3V）加入Op07同相比例運算放大器，調(diào)節(jié)模擬電壓，再經(jīng)電容濾波，并接于PC0腳，因為STM32將PC0配置為ADC模式，實現(xiàn)不同模擬電壓表示不同的光照強度，PC0采集到模擬電壓感知光照強度情況。其放大倍數(shù)公式如（3.2)所示（3.2)可確定放大倍數(shù)為0.66，并確定電阻值實現(xiàn)等比例減小電壓滿足檢測范圍。3.4.8RS485串口通信電路的設計如圖3.21所示為單片機與上位機（普通PC機，顯示信號的變化對下位機運行狀況進行監(jiān)視）通信的RS485串口有線通訊電路:圖3.21RS485有線通訊電路圖RO與DI接STM32單片機串口1（PA9和PA10），PA9與PA10分別作為STM32的TXD與RXD。其中PA8為控制腳，固定接法。實現(xiàn)RS485收發(fā)控制，PA8輸出低電平，RS485接收數(shù)據(jù)。PA8輸出高電平，RS485發(fā)送數(shù)據(jù)。P10為通信接口，可以外接RS485設備。R20為120Ω匹配電阻，加于A，B之間以提高抗擾能力并增加濾波電容，使RS485芯片電源工作穩(wěn)定。MAX485芯片特點為半雙工的通訊方式，RO為接收器的輸出端口；DI是驅(qū)動器的輸入端口，按先后順序接于STM32的RXD與TXD。,RE與DE分別示為讀寫使能端，RE低電平時，元件工作于接收;當DE為高電平1時，元件工作于發(fā)送，由于半雙工工作，所以只需用STM32一個管腳控制讀寫使能端;A和B先后是接收和發(fā)送的差分信號端,若A的電平信號大于B，發(fā)送1;若A的電平信號小于B，發(fā)送0，指代數(shù)據(jù)。3.5輸出控制模塊電路設計3.5.1升溫控制電路的設計如圖3.22所示為升溫控制電路：圖3.22升溫控制電路其中R18，R24，R21為限流保護電阻，MOC3062為光電耦合器件，觸發(fā)晶閘管，作為光電雙向可控硅驅(qū)動器，TH1為可控硅。通過外接加熱電阻絲，實現(xiàn)加熱?？刂齐娐方覵TM32的PB2管腳。Q5為NPN型8050三極管，目的是為了將PB2的高電平轉(zhuǎn)換成為低電平，實現(xiàn)信號翻轉(zhuǎn)，PB2高電平，加熱，PB2低電平，不加熱。具體過程：由于溫度是通過模糊PID控制的，在可控硅電路中設置好控制周期，再通過輸出控制量U（在0-1之間），輸出限幅后控制可控硅電路，乘以控制周期，不斷地調(diào)整PWM（脈寬調(diào)制）輸出占空比來修正電阻絲的加熱時間，實現(xiàn)升溫。占空比，即在一個控制周期內(nèi)，信號為高電平的時間與整個信號控制周期時間之比。對于單片機如何輸出PWM信號:本設計利用普通的I/O口，設置參數(shù)以產(chǎn)生PWM信號，高低電平的不同結(jié)合構(gòu)成了所謂的PWM信號，在需要控制各繼電器電路的STM32引腳（I/O口）加入定時器，通過定時器中斷進行計數(shù)以達到輸出PWM信號頻率和定時器基本一樣。3.5.2降溫控制電路的設計如圖3.23所示為繼電器降溫電路：圖3.23繼電器降溫控制電路STM32單片機通過控制繼電器，控制降溫空調(diào)是否工作，實現(xiàn)降溫。R15，R17為限流保護電阻，R16和LED1為指示電路，繼電器工作，LED燈亮。Q4為8050NPN三極管，不同于PNP三極管，基極B與發(fā)射極E需要正向電壓才能導通，且發(fā)射極電流=基極電流+集電極電流。所以把E（發(fā)射極）接GND，C（集電極）接正5V，B（基極）接STM32的PC4管腳，PC4輸出高電平，觸發(fā)三極管導通，繼電器驅(qū)動空調(diào)工作，PC0輸出低電平，三極管截至，空調(diào)不工作。具體原理與升溫電路一致，通過模糊PID的輸出控制量U,輸出限幅以后，乘以控制周期不斷調(diào)節(jié)占空比以修正空調(diào)通斷時間。3.5.3CO2濃度控制電路如圖3.24所示為CO2濃度控制電路：圖3.24CO2濃度控制電路STM32單片機通過控制繼電器，控制排風扇是否工作，實現(xiàn)CO2濃度控制。R1，R4為限流保護電阻，R3和LED1為指示電路，繼電器工作，LED燈亮。Q1為8050NPN三極管，接STM32的PC7管腳，PC7高電平，繼電器驅(qū)動排風扇工作，PC7低電平，排風扇不工作。當CO2濃度高于設定值，啟動排風扇，當CO2濃度低于設定值，關閉排風扇，實現(xiàn)CO2調(diào)控。3.5.4土壤濕度控制電路如圖3.25所示為土壤濕度控制電路：圖3.25土壤濕度控制電路STM32單片機使用繼電器，觸發(fā)水泵抽水，實現(xiàn)土壤濕度控制。R2，R6為限流保護電阻，R5和LED為指示電路，繼電器工作，LED燈亮。Q2為8050NPN三極管，接stm32的PC8管腳，PC8高電平，繼電器驅(qū)動水泵工作，PC8低電平，水泵不工作。秉承負反饋思想，控制土壤濕度。3.5.5光照強度控制電路如圖3.26所示為光照強度控制電路：圖3.26光照強度控制電路STM32單片機通過控制繼電器，控制照明燈工作，實現(xiàn)光照強度控制。繼電器工作，LED燈亮。Q3為8050NPN三極管，接STM32的PC9管腳，PC9高電平，繼電器工作驅(qū)動照明燈開啟，PC8低電平，照明燈關閉。秉承負反饋思想，當室內(nèi)光照強度高于設定時關閉日光燈，光照強度低于期望值時打開日光燈照明，實現(xiàn)光照強度的調(diào)控。3.5.6空氣濕度控制電路如圖3.27所示為空氣濕度控制電路：圖3.27空氣濕度控制電路當濕度超過了設定值，PC10輸出高電平，驅(qū)動繼電器控制除濕器工作，降低濕度。3.6本章小結(jié)本章對硬件的型號和電路進行了總體的設計：各環(huán)境參數(shù)傳感器采集電路、電源電路、STM32最小系統(tǒng)、繼電器控制電路、MOC3062作為雙向可控硅驅(qū)動器驅(qū)動電阻絲加熱的調(diào)溫電路、RS485串口通信電路、參數(shù)顯示電路。以上硬件電路的搭建皆從便于對溫室進行控制的角度出發(fā)，并為接下來軟件流程圖以及溫度模糊PID的仿真打下基礎。如圖3.28所示為基于STM32單片機的溫室環(huán)境智能控制硬件電路圖：圖3.28基于STM32單片機的溫室環(huán)境智能控制硬件電路圖第四章溫度的模糊PID仿真4.1模糊PID控制原理模糊PID控制通過模糊邏輯并制定相應模糊規(guī)則以對PID算法的參數(shù)實時改進，彌補了常規(guī)PID算法中各參數(shù)不能進行優(yōu)化調(diào)整的弊端。模糊化，制定模糊規(guī)則（模糊推理），解模糊（清晰化）共同組成了模糊PID控制流程。模糊系統(tǒng)首先確定對偏差E和本次偏差和上一次偏差的變化率EC模糊化確定對應的隸屬度，之后利用定義的模糊規(guī)則進行模糊推理求出輸出值的對應的隸屬度，模糊參數(shù)需要解模糊得到精確值，最終獲得PID控制參數(shù)，因此在每次采樣后，PID三參數(shù)都是不同的。如圖4.1所示是模糊PID控制過程圖。圖4.1模糊PID控制過程4.1.1模糊化仿真如下：將信號追蹤控制系統(tǒng)輸出信號與原輸入信號（設定值）做差運算會得到偏差E，和本次偏差和上次偏差的變化率EC（構(gòu)成二維輸入）。例如當前控制系統(tǒng)輸出的信號（此處通過閉環(huán)反饋的方式引入輸入端，得到反饋控制信號）與原信號的偏差為60，而上一次偏差為40，則E為60，EC為60-40=20。首先模糊化處理E與EC。自定義采集后求得偏差E的區(qū)間范圍，區(qū)間較大便于調(diào)節(jié),假定為[-100,100],正負即為上下偏差，高于或低于給定值。同理EC可以設為[-50,50]。模糊化的重點在于對隸屬度范圍的劃分，此仿真將E區(qū)間[-100,100]劃分為[-100,-60];[-60,-30];[-30,0];[0,30];[30,60];[60,100]。-100；-60；-30；0；30；60；100分別對應NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB七個隸屬度值，例如，當E為70時，可確定E隸屬于PM與PB這一區(qū)間，因此E對應兩個隸屬度。E隸屬于PM（60）的比例計算為（100-70）/（100-60）=3/4，相同計算原則，隸屬于PB（100）的百分比為（70-60）/（100-60）=1/4。無論隸屬于那個區(qū)間只要確定其中一個隸屬度為a，那兩一個隸屬度定為1-a。本質(zhì)上則是對[60,100]隸屬區(qū)間線性瓜分，E數(shù)值更靠近于PM與PB中的一個，則隸屬度相對于較大（若偏差E大于100（PB）時，則隸屬度為1，隸屬度值為PB，說明E完全隸屬于PB。模糊化EC的過程也是利用這個劃分：[-50,-30];[-30,-15];[-15,0],[0,15];[15,30];[30,50]。如圖4.2所示為fuzzy2.fis建立的圖像：圖4.2所示為fuzzy.fis兩邊的高斯邏輯，作用是邊緣處理，使信號變得圓滑，中間五個是三角邏輯。4.1.2模糊規(guī)則模糊控制系統(tǒng)會對每一次采集回計算的E與EC判斷屬于NB,NM,NS,Z0,PS,PM,PB哪一個區(qū)間并求出隸屬度，并且可以對應模糊規(guī)則表求出每次輸出值的隸屬度。如表4.1所示為自定義的模糊規(guī)則表:UECNBNMNSZOPSPMPBENBNBNBNMNMNSNSZONMNBNMNMNSNSZOPSNSNMNMNSNSZOPSPSZONMNSNSZOPSPSPMPSNSNSZ0PSPSPMPMPMNSZOPSPSPMPMPBPBZOPSPSPMPMPBPB表4.1模糊規(guī)則表譬如E數(shù)值隸屬于[ZO,PS]區(qū)間，E屬于ZO的隸屬度為x（x<1），則屬于PB的隸屬度為（1-x）。同理譬如EC數(shù)值隸屬于[PS,PM]區(qū)間，其屬于PS的隸屬度為y，則屬于PM的隸屬度為（1-y）。通過模糊規(guī)則表，對于輸出值隸屬于PS的隸屬度為;PM的隸屬度，且所有隸屬度之和為1，用其對PID三參數(shù)進行優(yōu)化，完成控制。4.1.3清晰化（解模糊）同理設置輸出值的范圍為[-100,100],一般與E一致，并按NB;NM;NS;ZO;PS;PM;PB七個隸屬度值劃分隸屬區(qū)間；用隸屬度與對應隸屬值相乘并求和算出輸出值精確解。所以此輸出精確值為：+如圖4.3所示為定義的49條模糊規(guī)則，不同的輸入對應不同的輸出：圖4.3對應49條模糊規(guī)則4.2模糊PID仿真搭建如圖4.4所示為溫度模糊PID仿真：圖4.4溫度模糊PID仿真整體過程原理：兩個step（階躍信號）是為了模擬溫度的起伏變化作為原輸入信號，與輸出信號構(gòu)成負反饋閉環(huán)系統(tǒng)，算偏差E同時對E作微分計算得到偏差變化率EC，E與EC作為輸入量送入模糊控制器，經(jīng)過模糊化，模糊規(guī)則，解模糊求出輸出K精確值，以此計算出KP，KI，Kd三個PID參數(shù)的隸屬度值，再加入相應的傳遞函數(shù)環(huán)節(jié)，帶入到PID公式中，最后求和得到總的PID系統(tǒng)，調(diào)整傳遞函數(shù)系統(tǒng)，進行分段化，在不同時刻對應不同的PID數(shù)值，通過反饋控制信號來找到誤差最小時的PID數(shù)值，得到控制量U來控制后續(xù)加入慣性控制環(huán)節(jié)與時間延遲系統(tǒng)，最后輸出給示波器，以便顯示出原信號和輸出信號的追蹤效果。Y是輸出信號的數(shù)值。左上角的t顯示仿真時間。Kp：最大程度的追蹤輸入信號，促進系統(tǒng)靈敏動作，速度加快，削弱穩(wěn)態(tài)偏差；過大會增加超調(diào)。Ki：完全避免穩(wěn)態(tài)誤差的出現(xiàn)，過小會加大超調(diào)；KD：適當會減弱超調(diào)，加快慣性系統(tǒng)的響應速度。雙擊subsystem進入模糊PID控制器，如圖4.5所示：圖圖4.5模糊PID控制器傳遞函數(shù)的參數(shù)和常數(shù)數(shù)部分需要調(diào)試的，沒有捷徑和原理可言，就是看輸出是否達到誤差追蹤要求，最后得到不斷變化的PID三個參數(shù)的輸出，用來控制傳遞函數(shù)系統(tǒng)。如圖4.6所示為溫度模糊PID動態(tài)波形：圖4.6溫度模糊PID動態(tài)波形此波形實現(xiàn)了在第200s時15℃~35℃的變化和在第600s時35℃~20℃的變化，但是在這兩個過程中溫度變化并不十分穩(wěn)定，控制過程中存在超調(diào)以及振蕩次數(shù)較多問題以此可調(diào)節(jié)積分與微分環(huán)節(jié)參數(shù)以削弱超調(diào)作用。如圖4.7所示為控制過程中的超調(diào)量、tr、tp、ts：圖4.7控制過程中的超調(diào)量、tr、tp、ts升溫過程，上升時間為16s；峰值時間為24s；調(diào)整時間為83s，超調(diào)量為38.4攝氏度。降溫過程，上升時間為16s，峰值時間為24s；調(diào)整時間為88s如圖4.8所示為積分環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)參數(shù)改良：圖4.8.1調(diào)整前積分環(huán)節(jié)參數(shù)圖4.8.2調(diào)整后的微分環(huán)節(jié)參數(shù)如圖4.9所示為微分環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)參數(shù)的改良：圖4.9.1調(diào)整前微分環(huán)節(jié)參數(shù)圖4.9.2調(diào)整后微分環(huán)節(jié)參數(shù)由于理想的微分環(huán)節(jié)難以實現(xiàn)，通常采用帶有慣性環(huán)節(jié)的微分環(huán)節(jié)，分別調(diào)整參數(shù)加快了系統(tǒng)響應速度，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定并削弱超調(diào)量，消除穩(wěn)態(tài)誤差后得到如圖4.10所示為調(diào)整后的無靜差與超調(diào)的溫度模糊PID動態(tài)波形：圖4.10調(diào)整后的溫度模糊PID動態(tài)波形調(diào)整時間ts為180s，使系統(tǒng)穩(wěn)定無超調(diào)靜差的同時增大了調(diào)整時間。4.3本章小結(jié)本章針對于溫度控制的模糊PID原理進行了描述，主要從模糊化，模糊規(guī)則的定制，解模糊，進行設計。并對仿真結(jié)果進行了優(yōu)化，得到了了穩(wěn)態(tài)無靜差無超調(diào)仿真結(jié)果。第五章嵌入式溫室系統(tǒng)軟件設計5.1概述智能溫室系統(tǒng)對于軟件的設計才能驅(qū)動硬件電路能夠高效無誤的工作，以執(zhí)行單片機采集與控制的指令，只有硬件與軟件的互相配合才可實現(xiàn)系統(tǒng)的功能，在溫室復雜的控制系統(tǒng)中，對于軟件的設計才是監(jiān)測與控制功能的實質(zhì)。對于溫度的控制采用模糊PID算法，對于濕度，光照強度，CO2濃度采用傳統(tǒng)的PID控制器算法，采用模塊化編程思維的總體軟件設計包括：STM32處理器總體軟件設計；各環(huán)境參數(shù)采集以及繼電器調(diào)控軟件部分。如圖所示5.1所示為環(huán)境參數(shù)控制結(jié)構(gòu)框圖：圖5.1環(huán)境參數(shù)控制結(jié)構(gòu)框圖5.2軟件流程圖的設計5.2.1系統(tǒng)總體軟件流程圖的設計從主程序進入對各硬件與軟件進行初始化設置，確保設施正常穩(wěn)定工作，此后校準時間，確保時間與外界的一致性，并對各傳感器模塊進行延時，最大程度的降低傳感器采集過程中對采集數(shù)據(jù)的偏差。傳感器將采集到的信息傳送至STM32單片機，與存儲的設定值相比較，單片機自行判斷讀取信息與設定值的關系，進而決斷是否輸出信號驅(qū)動繼電器以控制相關設備的運行或停止，如果在限制范圍內(nèi)則實時監(jiān)測直至結(jié)束，使整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行。如圖5.2所示為系統(tǒng)的總流程圖：圖5.2總體流程圖軟硬件初始化：所有設備在程序執(zhí)行時均需進行初始化設置，以確保設施穩(wěn)定良好的狀態(tài)。時間校正：完成對時間參數(shù)校正的工作。讀取數(shù)據(jù)信息：傳感器完成對溫室環(huán)境參數(shù)信息的采集，STM32對傳感器采集數(shù)據(jù)進行實時讀取與監(jiān)測。環(huán)境數(shù)據(jù)信息顯示與繼電器控制：傳感器采集到的環(huán)境參數(shù)信息數(shù)據(jù)通過LCD液晶屏顯示并與STM32內(nèi)存儲的設定值進行對比，決斷是否輸出信號，控制繼電器調(diào)控設備。5.2.2溫度控制子程序流程圖設計如圖5.3所示為溫度采集調(diào)控流程圖：圖5.3溫度采集調(diào)控流程圖對各硬件設備軟件進行初始化以后，將DHT11采集到的溫度信息傳給STM32處理，利用模糊PID算法控制，首先設定好設定值，作為輸入信號，傳感器采集的信息作為輸出信號構(gòu)成負反饋閉環(huán)控制，通過液晶屏顯示，若不為設置值，告警。若偏差E＞0，證明此時溫度較低，需進行升溫控制，單片機將輸出信號控制雙向可控硅電路驅(qū)動電阻絲加熱，通過模糊PID算法控制整個加熱過程：輸出控制量U乘以控制周期實時調(diào)整PWM輸出占空比（導通時間與電路工作控制周期之比），以修正電阻絲的加熱時間，DHT11傳感器再將控制以后改變的溫度