摘要：在深入了解國內(nèi)外農(nóng)作物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)代無線技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)研發(fā)了倉橋水晶梨生長監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提出以AT89S52為核心、以積分變換PID控制算法為主要控制方式。系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)并調(diào)節(jié)空氣溫濕度、土壤濕度、光照度等參數(shù)，從而對(duì)水晶梨參數(shù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整并報(bào)警，通過無線傳輸模塊nRF905將采集信息傳送給控制主機(jī)，再結(jié)合有線技術(shù)傳送給上位機(jī)，將無線技術(shù)和有線技術(shù)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程參數(shù)的無線監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：水晶梨；生長參數(shù)；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；無線技術(shù)；應(yīng)用效果

中圖分類號(hào)： TP277.2；S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2014）06-0380-04

收稿日期：2013-09-06

基金項(xiàng)目：教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（編號(hào)：200802800007）；上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)項(xiàng)目（編號(hào)：10510500600）；上海市特色高等職業(yè)院校建設(shè)項(xiàng)目（編號(hào)：C603）；上海農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院項(xiàng)目（編號(hào)：091221）。

作者簡介：王興旺（1978—），男，河南開封人，博士研究生，副教授，主要研究方向?yàn)閿?shù)字農(nóng)業(yè)、農(nóng)業(yè)信息技術(shù)。Tel：（021）57729719；E-mail：gpguiping@163.com。農(nóng)作物生長監(jiān)測(cè)技術(shù)在許多發(fā)達(dá)國家如荷蘭、美國、以色列等已相當(dāng)先進(jìn)，能夠達(dá)到對(duì)多因素綜合控制的水平，但其價(jià)格昂貴，維護(hù)不方便，以荷蘭為代表的歐美國家的生長監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開始向網(wǎng)絡(luò)化、無線化方向發(fā)展[1]。2002年英特爾公司率先在俄勒岡州建立了第1個(gè)無線葡萄園，用于測(cè)量葡萄園中環(huán)境的細(xì)微變化[2]。傳感器節(jié)點(diǎn)被分布在葡萄園的每個(gè)角落，每隔1 min檢測(cè)1次土壤溫度、濕度或該區(qū)域有害物的數(shù)量以確保葡萄可以健康生長，進(jìn)而獲得大豐收。英國的農(nóng)作物生長監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、西班牙和奧地利的遙控溫室系統(tǒng)都是計(jì)算機(jī)控制與管理在農(nóng)作物生長過程中的成功應(yīng)用[3]。美國開發(fā)的農(nóng)作物生長監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以根據(jù)溫室作物的特點(diǎn)和要求，對(duì)溫室內(nèi)光照、溫度、水、氣、肥等諸多因子進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，還可利用差溫管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)花卉、果蔬等產(chǎn)品的開花和成熟期進(jìn)行控制，以滿足生產(chǎn)和市場(chǎng)的需要。目前，美國已將全球定位系統(tǒng)、電腦和遙感遙測(cè)等高新技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)作物生產(chǎn)[4]。

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，人們也開展了農(nóng)作物生長監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用研究。例如，北京市科委計(jì)劃項(xiàng)目“蔬菜生產(chǎn)智能網(wǎng)絡(luò)傳感器體系研究與應(yīng)用”把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)示范應(yīng)用于溫室農(nóng)作物生產(chǎn)中[5]；2008年10月，上海市計(jì)算機(jī)研究所研發(fā)三部已將自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自組織樹型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用到了上海奉賢花卉大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，大大提高了工作效率。

倉橋水晶梨是一種新型的梨品種，其果實(shí)為圓球形或扁圓形，平均單果重385 g，最大560 g；果皮近成熟時(shí)乳黃色，表面晶瑩光亮，有透明感，外觀誘人；果肉白色，肉質(zhì)細(xì)膩，致密嫩脆，汁液多，可溶性固形物含量14%，石細(xì)胞極少，果心小，味蜜甜，香味濃郁，品質(zhì)特優(yōu)[6]。2011年，倉橋水晶梨正式被國家質(zhì)監(jiān)總局批準(zhǔn)為“國家地理標(biāo)志產(chǎn)品”。倉橋水晶梨日前已經(jīng)成為上海地區(qū)重要的水果類拳頭產(chǎn)品，但針對(duì)倉橋水晶梨生長的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)很少，甚至未見報(bào)道，根據(jù)目前倉橋水晶梨的生產(chǎn)現(xiàn)狀，筆者對(duì)倉橋水晶梨生長監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用展開了研究工作。

1系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

倉橋水晶梨生長監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件部分主要由控制器模塊、電源電路模塊、空氣溫濕度測(cè)量電路模塊、土壤濕度測(cè)量電路模塊、光強(qiáng)測(cè)量電路模塊、二氧化碳濃度測(cè)量電路模塊、顯示電路模塊、報(bào)警電路模塊、通信電路模塊、控制電路模塊組成。

1.1空氣溫濕度測(cè)量電路模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選擇SHT10數(shù)字式溫濕度傳感器來檢測(cè)水晶梨大棚中空氣的溫濕度。SHT10數(shù)字式溫濕度傳感器是由Sensirion公司推出的一種可以同時(shí)測(cè)量濕度、溫度的傳感器，不需外圍元件直接輸出經(jīng)過標(biāo)定了的相對(duì)濕度、溫度的數(shù)字信號(hào)，可以有效解決傳統(tǒng)溫、濕度傳感器的不足。

如圖2所示，SHT10數(shù)字式溫濕度傳感器來檢測(cè)溫室大棚中空氣的溫濕度，并將檢測(cè)到的信號(hào)傳送給單片機(jī)的P0口，讓單片機(jī)處理。

1.2土壤濕度測(cè)量電路模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選擇FDS-100型土壤水分傳感器檢測(cè)土壤中水分的含量。FDS-100型土壤水分傳感器引腳功能如下：紅線（VDD），5～12 V電源輸入；黃線（V-OUT），電壓輸出0～1.875 V直流電；黑線（GND），地線。功能及特點(diǎn)如下：（1）本傳感器體積小巧化設(shè)計(jì)，攜帶方便，安裝、操作及維護(hù)簡單；（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，不繡鋼探針保證使用壽命；（3）外部以環(huán)氧樹脂純膠體封裝，密封性好，可直接埋入土壤中使用，且不受腐蝕；（4）土質(zhì)影響較小，應(yīng)用地區(qū)廣泛；（5）測(cè)量精度高，性能可靠，確保正常工作；（6）響應(yīng)速度快，數(shù)據(jù)傳輸效率高。

FDS-100型土壤水分傳感器經(jīng)過LM358經(jīng)信號(hào)放大輸送至單片機(jī)P0口，電路如圖3所示。

1.3光強(qiáng)測(cè)量電路模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選擇TSL2561光強(qiáng)傳感器檢測(cè)水晶梨大棚的光照度。各引腳的功能如下：腳1和腳3分別是電源引腳和信號(hào)地，其工作電壓工作范圍是是2.7～3.5V；腳2為器件訪問地址選擇引腳，由于該引腳電平不同，該器件有3個(gè)不同的訪問地址；腳4和腳6為總線的時(shí)鐘信號(hào)線和數(shù)據(jù)線；腳5為中斷信號(hào)輸出引腳，當(dāng)光強(qiáng)度超過用戶編程設(shè)置的上或下閾值時(shí)器件會(huì)輸出1個(gè)中斷信號(hào)。TSL2561光強(qiáng)度數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片與單片機(jī)P0相接，電路原理如圖4所示。

1.4報(bào)警電路模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)了報(bào)警電路模塊，由晶體管和蜂鳴器組成。由單片機(jī)I/O口輸出信號(hào)控制晶體管的導(dǎo)通或截止，晶體管導(dǎo)通則蜂鳴器報(bào)警。當(dāng)某個(gè)監(jiān)控參數(shù)長時(shí)間（具體時(shí)間由程序設(shè)定）超出其合理的上下限范圍時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)，它與單片機(jī)的連接電路如圖5所示。

2積分變換PID控制算法設(shè)計(jì)

2.1積分變換PID控制算法的提出

在普通PID控制中，引入積分環(huán)節(jié)的目的主要是為了消除靜差。但在過程的啟動(dòng)、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定時(shí)，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大偏差，會(huì)造成PID運(yùn)算的積分積累，致使控制量超過了執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能允許的最大動(dòng)作范圍對(duì)應(yīng)的極限控制量，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)較大的振蕩，這在生產(chǎn)過程中是絕對(duì)不允許的。根據(jù)PID控制算法的局限性，我們提出了積分變換PID控制算法。

積分變換PID控制基本思想是：當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大時(shí)，取消積分的作用，以免由于積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，超調(diào)量增大；當(dāng)被控量接近給定值時(shí)，引入積分控制，以便

消除靜差，提高控制精度。其具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

第1步，根據(jù)實(shí)際情況，人為設(shè)定閾值ε>0；

第2步，當(dāng)|error（k）| >ε時(shí)，采用PD控制，可避免產(chǎn)生過大的超調(diào)，又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)；

第3步，當(dāng)|error（k）| ≤ε時(shí)，采用PID控制，以保證系統(tǒng)的控制精度。

積分變換控制算法可表示為：

u（k）=kperror（k）+βk∑kj=0error（j）kd[error（k）-error（k-1）]/T。（1）

式中：T為采樣時(shí)間；β為積分項(xiàng)的開關(guān)系數(shù)。

β=1|error（k）|≤ε

0|error（k）|>ε。（2）

2.2積分變換PID控制算法試驗(yàn)

設(shè)被控對(duì)象為一個(gè)延遲對(duì)象：G（s）=e80s60s+1采樣時(shí)間為20 s，延遲時(shí)間為4個(gè)采樣時(shí)間，即80 s，被控對(duì)象離散化為：

y（k）=-den（2）y（k-1）+mum（2）u（k-5）。（3）

試驗(yàn)：采用M語言進(jìn)行仿真。取M=1，采用積分變換式PID控制器進(jìn)行階躍響應(yīng)，采用分段積分變換方式，即根據(jù)誤差絕對(duì)值的不同，采用不同的積分強(qiáng)度。仿真中指令信號(hào)為r（k）=40，控制器輸出限制在[-110，110]。取M=2，采用普通PID控制。

由試驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論，采用積分變換方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制其平穩(wěn)性和快速性都要優(yōu)于普通的PID控制，控制效果有很大的改善。值得注意的是，為保證引入積分作用后系統(tǒng)的穩(wěn)定性不變，在輸入積分作用時(shí)比例系數(shù)kp可進(jìn)行相應(yīng)變化。此外，β值應(yīng)根據(jù)具體對(duì)象及要求而定，若β過大，則達(dá)不到積分變換的目的；若β過小，則會(huì)導(dǎo)致無法進(jìn)入積分區(qū)。如果只進(jìn)行PID控制，會(huì)使控制出現(xiàn)余差。

3系統(tǒng)測(cè)試及應(yīng)用效果分析

3.1系統(tǒng)應(yīng)用后溫濕度變化值對(duì)比

系統(tǒng)完成后，筆者于2012年10月24日在上海倉橋水晶梨基地對(duì)水晶梨大棚進(jìn)行了溫濕度監(jiān)測(cè)精度測(cè)試，系統(tǒng)操作與溫濕度計(jì)測(cè)量結(jié)果對(duì)比見表1。

時(shí)刻采集溫度

（℃）實(shí)際溫度

（℃）溫度誤差

（℃）相對(duì)濕度

（%）實(shí)際濕度

（%）濕度誤差

（百分點(diǎn)）09：0011.411.50.187.787.50.210：0010.811.60.287.887.60.211：0011.211.30.187.488.20.212：0010.711.50.287.087.30.313：0011.211.30.188.687.70.114：001111.10.187.887.60.215：0010.811.70.187.087.20.216：0010.711.60.187.288.41.217：0010.610.90.387.788.60.9

系統(tǒng)每10 min 采集1 次溫濕度數(shù)據(jù)，每1 h取平均值后與SK-110TRH 型溫濕度計(jì)測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)溫濕度對(duì)比（表1）。測(cè)試結(jié)果證明，系統(tǒng)溫度最大誤差±0.3 ℃，濕度最大誤差±1.2百分點(diǎn)，與同類溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，精度較高。

3.2實(shí)際生產(chǎn)效果對(duì)比

倉橋水晶梨由于品質(zhì)的不同，價(jià)格變化也較大，倉橋水晶梨在銷售過程中約定：價(jià)格在20元/kg以上的為優(yōu)質(zhì)水晶梨，價(jià)格在10元/kg左右的為普通水晶梨，價(jià)格在5元/kg以下的為劣質(zhì)水晶梨。課題組成員于2012年11月至2013年8月在倉橋水晶梨基地兩塊相同大小的水晶梨大棚內(nèi)做了是否使用生長監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出如圖6所示的效果對(duì)比。

由圖6可知，通過使用倉橋水晶梨生長監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)水晶梨生長過程中的溫度、濕度、光照等參數(shù)信息進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)，使得環(huán)境因子保持在一個(gè)比較適宜的范圍，水晶梨的優(yōu)質(zhì)率和普通率有一定程度的提高，劣質(zhì)率有一定程度的下降，這說明適宜的生長環(huán)境對(duì)水晶梨的品質(zhì)有較大的影響作用。

4結(jié)論

筆者通過對(duì)農(nóng)作物生長監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究，結(jié)合倉橋水晶梨的生長特點(diǎn)，設(shè)計(jì)研發(fā)了倉橋水晶梨生長監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要完成了空氣溫濕度測(cè)量電路模塊設(shè)計(jì)、土壤濕度測(cè)量電路模塊設(shè)計(jì)、光強(qiáng)測(cè)量電路模塊設(shè)計(jì)、報(bào)警電路模塊設(shè)計(jì)等。在系統(tǒng)控制方面，提出了積分變換PID控制算法，并進(jìn)行了相應(yīng)的控制試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明積分變換PID控制算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制的平穩(wěn)性和快速性都要優(yōu)于普通的PID控制。系統(tǒng)完成后在倉橋水晶梨基地做了系統(tǒng)測(cè)試并投入應(yīng)用，經(jīng)過近1年的使用，發(fā)現(xiàn)水晶梨的優(yōu)質(zhì)率和普通率有了穩(wěn)步的提升，劣質(zhì)率有了一定程度的下降，帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，但是對(duì)于水晶梨生長環(huán)境的溫度、濕度、光照等參數(shù)的自動(dòng)控制及精確控制還比較困難，這個(gè)問題將作為今后研究的重點(diǎn)內(nèi)容和方向。

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[3]韓華峰. 農(nóng)業(yè)環(huán)境信息遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2009：13-14.

[4]于海斌，曾鵬，梁韡.智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2006：45-78.

[5]于海濱，曾鵬，梁韉.智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2006：45-78.

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2積分變換PID控制算法設(shè)計(jì)

2.1積分變換PID控制算法的提出

在普通PID控制中，引入積分環(huán)節(jié)的目的主要是為了消除靜差。但在過程的啟動(dòng)、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定時(shí)，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大偏差，會(huì)造成PID運(yùn)算的積分積累，致使控制量超過了執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能允許的最大動(dòng)作范圍對(duì)應(yīng)的極限控制量，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)較大的振蕩，這在生產(chǎn)過程中是絕對(duì)不允許的。根據(jù)PID控制算法的局限性，我們提出了積分變換PID控制算法。

積分變換PID控制基本思想是：當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大時(shí)，取消積分的作用，以免由于積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，超調(diào)量增大；當(dāng)被控量接近給定值時(shí)，引入積分控制，以便

消除靜差，提高控制精度。其具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

第1步，根據(jù)實(shí)際情況，人為設(shè)定閾值ε>0；

第2步，當(dāng)|error（k）| >ε時(shí)，采用PD控制，可避免產(chǎn)生過大的超調(diào)，又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)；

第3步，當(dāng)|error（k）| ≤ε時(shí)，采用PID控制，以保證系統(tǒng)的控制精度。

積分變換控制算法可表示為：

u（k）=kperror（k）+βk∑kj=0error（j）kd[error（k）-error（k-1）]/T。（1）

式中：T為采樣時(shí)間；β為積分項(xiàng)的開關(guān)系數(shù)。

β=1|error（k）|≤ε

0|error（k）|>ε。（2）

2.2積分變換PID控制算法試驗(yàn)

設(shè)被控對(duì)象為一個(gè)延遲對(duì)象：G（s）=e80s60s+1采樣時(shí)間為20 s，延遲時(shí)間為4個(gè)采樣時(shí)間，即80 s，被控對(duì)象離散化為：

y（k）=-den（2）y（k-1）+mum（2）u（k-5）。（3）

試驗(yàn)：采用M語言進(jìn)行仿真。取M=1，采用積分變換式PID控制器進(jìn)行階躍響應(yīng)，采用分段積分變換方式，即根據(jù)誤差絕對(duì)值的不同，采用不同的積分強(qiáng)度。仿真中指令信號(hào)為r（k）=40，控制器輸出限制在[-110，110]。取M=2，采用普通PID控制。

由試驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論，采用積分變換方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制其平穩(wěn)性和快速性都要優(yōu)于普通的PID控制，控制效果有很大的改善。值得注意的是，為保證引入積分作用后系統(tǒng)的穩(wěn)定性不變，在輸入積分作用時(shí)比例系數(shù)kp可進(jìn)行相應(yīng)變化。此外，β值應(yīng)根據(jù)具體對(duì)象及要求而定，若β過大，則達(dá)不到積分變換的目的；若β過小，則會(huì)導(dǎo)致無法進(jìn)入積分區(qū)。如果只進(jìn)行PID控制，會(huì)使控制出現(xiàn)余差。

3系統(tǒng)測(cè)試及應(yīng)用效果分析

3.1系統(tǒng)應(yīng)用后溫濕度變化值對(duì)比

系統(tǒng)完成后，筆者于2012年10月24日在上海倉橋水晶梨基地對(duì)水晶梨大棚進(jìn)行了溫濕度監(jiān)測(cè)精度測(cè)試，系統(tǒng)操作與溫濕度計(jì)測(cè)量結(jié)果對(duì)比見表1。

時(shí)刻采集溫度

（℃）實(shí)際溫度

（℃）溫度誤差

（℃）相對(duì)濕度

（%）實(shí)際濕度

（%）濕度誤差

（百分點(diǎn)）09：0011.411.50.187.787.50.210：0010.811.60.287.887.60.211：0011.211.30.187.488.20.212：0010.711.50.287.087.30.313：0011.211.30.188.687.70.114：001111.10.187.887.60.215：0010.811.70.187.087.20.216：0010.711.60.187.288.41.217：0010.610.90.387.788.60.9

系統(tǒng)每10 min 采集1 次溫濕度數(shù)據(jù)，每1 h取平均值后與SK-110TRH 型溫濕度計(jì)測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)溫濕度對(duì)比（表1）。測(cè)試結(jié)果證明，系統(tǒng)溫度最大誤差±0.3 ℃，濕度最大誤差±1.2百分點(diǎn)，與同類溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，精度較高。

3.2實(shí)際生產(chǎn)效果對(duì)比

倉橋水晶梨由于品質(zhì)的不同，價(jià)格變化也較大，倉橋水晶梨在銷售過程中約定：價(jià)格在20元/kg以上的為優(yōu)質(zhì)水晶梨，價(jià)格在10元/kg左右的為普通水晶梨，價(jià)格在5元/kg以下的為劣質(zhì)水晶梨。課題組成員于2012年11月至2013年8月在倉橋水晶梨基地兩塊相同大小的水晶梨大棚內(nèi)做了是否使用生長監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出如圖6所示的效果對(duì)比。

由圖6可知，通過使用倉橋水晶梨生長監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)水晶梨生長過程中的溫度、濕度、光照等參數(shù)信息進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)，使得環(huán)境因子保持在一個(gè)比較適宜的范圍，水晶梨的優(yōu)質(zhì)率和普通率有一定程度的提高，劣質(zhì)率有一定程度的下降，這說明適宜的生長環(huán)境對(duì)水晶梨的品質(zhì)有較大的影響作用。

4結(jié)論

筆者通過對(duì)農(nóng)作物生長監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究，結(jié)合倉橋水晶梨的生長特點(diǎn)，設(shè)計(jì)研發(fā)了倉橋水晶梨生長監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要完成了空氣溫濕度測(cè)量電路模塊設(shè)計(jì)、土壤濕度測(cè)量電路模塊設(shè)計(jì)、光強(qiáng)測(cè)量電路模塊設(shè)計(jì)、報(bào)警電路模塊設(shè)計(jì)等。在系統(tǒng)控制方面，提出了積分變換PID控制算法，并進(jìn)行了相應(yīng)的控制試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明積分變換PID控制算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制的平穩(wěn)性和快速性都要優(yōu)于普通的PID控制。系統(tǒng)完成后在倉橋水晶梨基地做了系統(tǒng)測(cè)試并投入應(yīng)用，經(jīng)過近1年的使用，發(fā)現(xiàn)水晶梨的優(yōu)質(zhì)率和普通率有了穩(wěn)步的提升，劣質(zhì)率有了一定程度的下降，帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，但是對(duì)于水晶梨生長環(huán)境的溫度、濕度、光照等參數(shù)的自動(dòng)控制及精確控制還比較困難，這個(gè)問題將作為今后研究的重點(diǎn)內(nèi)容和方向。

參考文獻(xiàn)：

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2積分變換PID控制算法設(shè)計(jì)

2.1積分變換PID控制算法的提出

在普通PID控制中，引入積分環(huán)節(jié)的目的主要是為了消除靜差。但在過程的啟動(dòng)、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定時(shí)，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大偏差，會(huì)造成PID運(yùn)算的積分積累，致使控制量超過了執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能允許的最大動(dòng)作范圍對(duì)應(yīng)的極限控制量，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)較大的振蕩，這在生產(chǎn)過程中是絕對(duì)不允許的。根據(jù)PID控制算法的局限性，我們提出了積分變換PID控制算法。

積分變換PID控制基本思想是：當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大時(shí)，取消積分的作用，以免由于積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，超調(diào)量增大；當(dāng)被控量接近給定值時(shí)，引入積分控制，以便

消除靜差，提高控制精度。其具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

第1步，根據(jù)實(shí)際情況，人為設(shè)定閾值ε>0；

第2步，當(dāng)|error（k）| >ε時(shí)，采用PD控制，可避免產(chǎn)生過大的超調(diào)，又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)；

第3步，當(dāng)|error（k）| ≤ε時(shí)，采用PID控制，以保證系統(tǒng)的控制精度。

積分變換控制算法可表示為：

u（k）=kperror（k）+βk∑kj=0error（j）kd[error（k）-error（k-1）]/T。（1）

式中：T為采樣時(shí)間；β為積分項(xiàng)的開關(guān)系數(shù)。

β=1|error（k）|≤ε

0|error（k）|>ε。（2）

2.2積分變換PID控制算法試驗(yàn)

設(shè)被控對(duì)象為一個(gè)延遲對(duì)象：G（s）=e80s60s+1采樣時(shí)間為20 s，延遲時(shí)間為4個(gè)采樣時(shí)間，即80 s，被控對(duì)象離散化為：

y（k）=-den（2）y（k-1）+mum（2）u（k-5）。（3）

試驗(yàn)：采用M語言進(jìn)行仿真。取M=1，采用積分變換式PID控制器進(jìn)行階躍響應(yīng)，采用分段積分變換方式，即根據(jù)誤差絕對(duì)值的不同，采用不同的積分強(qiáng)度。仿真中指令信號(hào)為r（k）=40，控制器輸出限制在[-110，110]。取M=2，采用普通PID控制。

由試驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論，采用積分變換方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制其平穩(wěn)性和快速性都要優(yōu)于普通的PID控制，控制效果有很大的改善。值得注意的是，為保證引入積分作用后系統(tǒng)的穩(wěn)定性不變，在輸入積分作用時(shí)比例系數(shù)kp可進(jìn)行相應(yīng)變化。此外，β值應(yīng)根據(jù)具體對(duì)象及要求而定，若β過大，則達(dá)不到積分變換的目的；若β過小，則會(huì)導(dǎo)致無法進(jìn)入積分區(qū)。如果只進(jìn)行PID控制，會(huì)使控制出現(xiàn)余差。

3系統(tǒng)測(cè)試及應(yīng)用效果分析

3.1系統(tǒng)應(yīng)用后溫濕度變化值對(duì)比

系統(tǒng)完成后，筆者于2012年10月24日在上海倉橋水晶梨基地對(duì)水晶梨大棚進(jìn)行了溫濕度監(jiān)測(cè)精度測(cè)試，系統(tǒng)操作與溫濕度計(jì)測(cè)量結(jié)果對(duì)比見表1。

時(shí)刻采集溫度

（℃）實(shí)際溫度

（℃）溫度誤差

（℃）相對(duì)濕度

（%）實(shí)際濕度

（%）濕度誤差

（百分點(diǎn)）09：0011.411.50.187.787.50.210：0010.811.60.287.887.60.211：0011.211.30.187.488.20.212：0010.711.50.287.087.30.313：0011.211.30.188.687.70.114：001111.10.187.887.60.215：0010.811.70.187.087.20.216：0010.711.60.187.288.41.217：0010.610.90.387.788.60.9

系統(tǒng)每10 min 采集1 次溫濕度數(shù)據(jù)，每1 h取平均值后與SK-110TRH 型溫濕度計(jì)測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)溫濕度對(duì)比（表1）。測(cè)試結(jié)果證明，系統(tǒng)溫度最大誤差±0.3 ℃，濕度最大誤差±1.2百分點(diǎn)，與同類溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，精度較高。

3.2實(shí)際生產(chǎn)效果對(duì)比

倉橋水晶梨由于品質(zhì)的不同，價(jià)格變化也較大，倉橋水晶梨在銷售過程中約定：價(jià)格在20元/kg以上的為優(yōu)質(zhì)水晶梨，價(jià)格在10元/kg左右的為普通水晶梨，價(jià)格在5元/kg以下的為劣質(zhì)水晶梨。課題組成員于2012年11月至2013年8月在倉橋水晶梨基地兩塊相同大小的水晶梨大棚內(nèi)做了是否使用生長監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出如圖6所示的效果對(duì)比。

由圖6可知，通過使用倉橋水晶梨生長監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)水晶梨生長過程中的溫度、濕度、光照等參數(shù)信息進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)，使得環(huán)境因子保持在一個(gè)比較適宜的范圍，水晶梨的優(yōu)質(zhì)率和普通率有一定程度的提高，劣質(zhì)率有一定程度的下降，這說明適宜的生長環(huán)境對(duì)水晶梨的品質(zhì)有較大的影響作用。

4結(jié)論

筆者通過對(duì)農(nóng)作物生長監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究，結(jié)合倉橋水晶梨的生長特點(diǎn)，設(shè)計(jì)研發(fā)了倉橋水晶梨生長監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要完成了空氣溫濕度測(cè)量電路模塊設(shè)計(jì)、土壤濕度測(cè)量電路模塊設(shè)計(jì)、光強(qiáng)測(cè)量電路模塊設(shè)計(jì)、報(bào)警電路模塊設(shè)計(jì)等。在系統(tǒng)控制方面，提出了積分變換PID控制算法，并進(jìn)行了相應(yīng)的控制試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明積分變換PID控制算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制的平穩(wěn)性和快速性都要優(yōu)于普通的PID控制。系統(tǒng)完成后在倉橋水晶梨基地做了系統(tǒng)測(cè)試并投入應(yīng)用，經(jīng)過近1年的使用，發(fā)現(xiàn)水晶梨的優(yōu)質(zhì)率和普通率有了穩(wěn)步的提升，劣質(zhì)率有了一定程度的下降，帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，但是對(duì)于水晶梨生長環(huán)境的溫度、濕度、光照等參數(shù)的自動(dòng)控制及精確控制還比較困難，這個(gè)問題將作為今后研究的重點(diǎn)內(nèi)容和方向。

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