刁志剛， 史衛(wèi)華

(1.淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院江蘇省電子產(chǎn)品裝備制造工程技術(shù)研究開發(fā)中心，江蘇淮安 223003；2.淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)院，江蘇淮安 223003)

?

中部地區(qū)規(guī)?；i舍高效水簾降溫自控系統(tǒng)研究

刁志剛1， 史衛(wèi)華2

(1.淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院江蘇省電子產(chǎn)品裝備制造工程技術(shù)研究開發(fā)中心，江蘇淮安 223003；2.淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)院，江蘇淮安 223003)

摘要提出利用PID自整定方法控制水閥的供水量，根據(jù)對測量的溫濕度來動態(tài)實時地調(diào)節(jié)風(fēng)機改善豬舍內(nèi)的空氣流通，采用ZigBee做無線采集節(jié)點，再匯聚節(jié)點由計算的結(jié)構(gòu)來控制風(fēng)機的速度和出水量，開發(fā)出一個循環(huán)的閉環(huán)自控系統(tǒng)，并介紹了系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)。對比實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)測量性能得到明顯提高和改善。

關(guān)鍵詞高效降溫；規(guī)模豬舍； CC2530; ZigBee網(wǎng)絡(luò)

The Efficient Water Curtain Cooling Control System in Large-scale Piggery in the Central Region of China

DIAO Zhi-gang1, SHI Wei-hua2(1.Jiangsu Electronic Equipment Manufacturing Engineering Technology Research and Development Center, Huai’an College of Information Technology, Huai’an, Jiangsu 223003; 2.School of Electronic Engineering, Huai’an College of Information Technology, Huai’an, Jiangsu 223003)

AbstractThe PID selftuning method was used to control water supply of water valve, according to temperature and humidity, dynamic and real-time regulating fan was conducted, so as to improve the air circulation inside piggery.The ZigBee was adopted to make wireless acquisition node, to sink node by calculating the structure to control fan speed and water, a cycle of the closed-loop control system was constituted, the system hardware design structure was proposed.The contrast experimental results showed that the performance of the system is obviously improved and perfected.

Key wordsEfficient cooling; Large-scale piggery; CC2530; ZigBee network

在夏天高溫規(guī)模化生豬養(yǎng)殖環(huán)境下，特別是持續(xù)高溫高濕會給生豬的健康和生產(chǎn)性能帶來嚴(yán)重影響。具體表現(xiàn)為采食量減少、抵抗力下降、發(fā)病豬增多、淘汰率和死亡率上升。另外一個重要原因是豬的汗腺不發(fā)達，當(dāng)環(huán)境溫度高于其自身承受溫度時，也會出現(xiàn)一系列生理上的不良反應(yīng)。目前，我國規(guī)模化豬舍都建有水簾來降溫，但采用傳統(tǒng)的控制方法溫濕度波動大。為解決傳統(tǒng)控制方法溫濕度波動大的問題，筆者以妊娠豬豬舍環(huán)境的溫度應(yīng)用系統(tǒng)為基礎(chǔ)，采用自整定控制算法進行設(shè)計和研究，開發(fā)了一個循環(huán)的閉環(huán)自控系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)控制方法進行了對比實驗，旨在為改善中部地區(qū)高溫高濕天氣給生豬帶來嚴(yán)重影響提供借鑒。

1水簾降溫原理

水簾系統(tǒng)由水簾、抽風(fēng)機、循環(huán)水路和溫度控制組成。水簾用波紋狀纖維紙具有使用時間長和耐腐蝕的特點。在封閉式的豬舍中，利用自來水蓄水池中的水送至噴水管，保證空氣與完全濕透的水簾表面接觸。負壓風(fēng)機向外抽風(fēng)，豬舍內(nèi)形成負壓區(qū)，帶著豬舍內(nèi)的熱量經(jīng)風(fēng)機排出室外，實現(xiàn)降溫[1]。

水簾的該降溫系統(tǒng)具有非線性，常規(guī)PID 控制在控制面積較大的豬舍時不能取得精確的效果。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的近似特性，可逼近任意非線性函數(shù)，在常規(guī)非線性系統(tǒng)的控制中加入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加以實現(xiàn)。基于上述特點，該研究采用自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法來調(diào)節(jié)風(fēng)機和控制水閥的出水量，以達到降溫和節(jié)能降耗的目的。

2自適應(yīng)PID控制器設(shè)計

經(jīng)典PID控制器主要是一種基于對象模型已知、參數(shù)不變基礎(chǔ)上的線性控制，很難改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性，在嵌入式處理器中并不適用，所以需要修改。

2.1自適應(yīng)PID控制器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點是具有通過學(xué)習(xí)、逼近任意非線性的能力對環(huán)境參數(shù)進行界定與學(xué)習(xí)，再根據(jù)計算結(jié)果對PID 控制器進行參數(shù)設(shè)定。神經(jīng)元可構(gòu)成不同結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，但神經(jīng)元數(shù)目不宜過多，對嵌入式處理器來說不適用，會加大計算時間，反而不利于實時控制。該設(shè)計用一個神經(jīng)元構(gòu)成數(shù)據(jù)處理單元，完成對PID 控制器進行參數(shù)的自適應(yīng)整定，實現(xiàn)自適應(yīng)PID 控制[2]。

自適應(yīng)PID 控制器原理見圖1。其中，r(k)、y(k)分別為系統(tǒng)期望輸出與實際輸出；x1(k)、x2(k)、x3(k)分別是比例項、積分項與微分項輸入；權(quán)值系數(shù)W1(k)、W2(k)、W3(k)分別是比例系數(shù)、積分系數(shù)與微分系數(shù)。x1(k)、x2(k)、x3(k)定義為：

(1)

圖1　自適應(yīng)控制原理示意Fig.1　The adaptive control principle

變換器經(jīng)過計算，將檢測到的實際值與設(shè)定值轉(zhuǎn)換成信號x1(k)、x2(k)、x3(k)，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法對信號運算，獲得系數(shù)W1(k)、W2(k)和W3(k)，采用式(2)進行PID 運算，得到控制信號u(k)，進而控制驅(qū)動電路，調(diào)控風(fēng)機的運行速度和水閥出水量，使豬舍溫度穩(wěn)定。

(2)

2.2控制算法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性是通過大量實驗實現(xiàn)的，通過預(yù)先確定的學(xué)習(xí)算法調(diào)整權(quán)值。主要是調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值Wi(k)，使之趨于合理，并根據(jù)權(quán)值Wi(k)確定式(2)中的W1(k)、W2(k)和W3(k)。設(shè)定W1、W2、W3分別是與單神經(jīng)元的輸入x1(k)、x2(k)、x3(k)相對應(yīng)的權(quán)值，且e(k)=r(k)-y(k)，采用學(xué)習(xí)監(jiān)督信號：

γi(k)=e(k)xi(k)i=1，2，3

(3)

則wi(k)學(xué)習(xí)算法為：

Wi(k+1)=wi(k)+ηie(k)xi(k)

(4)

式中，η是學(xué)習(xí)速率，η∈[0，1]。為了方便調(diào)整各輸入量xi(k)在控制器輸出中所占的比重，設(shè)定權(quán)值系數(shù)：

(5)

為了提高調(diào)整PID控制器的響應(yīng)速度，在神經(jīng)元算法中添加調(diào)整系數(shù):

(6)

最終得到公式(2)的自適應(yīng)PID控制器控制規(guī)律[3]。

3豬舍水簾降溫控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1ZigBee網(wǎng)絡(luò)ZigBee是一種無線連接，基于IEEE802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。其特點是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率和低成本。CC2530集成了51單片機內(nèi)核，具有基于2007/PRO協(xié)議棧的例程源碼。 針對CC2530芯片開發(fā)與IARforMCS-51 集成開發(fā)環(huán)境無縫連接，是短距離無線傳感網(wǎng)開發(fā)的理想選擇[4]。

3.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計豬舍水簾控制系統(tǒng)由水簾、ZigBee采集節(jié)點、ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點、風(fēng)機等構(gòu)成(圖2)。豬舍一側(cè)安裝有若干個水簾成“一”字間隔分布排列，豬舍的中心按“一”字形安裝若干個采集節(jié)點，每個節(jié)點再分別連接幾個溫度傳感器和濕度傳感器，采集節(jié)點的主要功能是負責(zé)采集豬舍的溫度和溫度。另外一側(cè)裝有若干個負壓風(fēng)機，在該側(cè)的中心安裝協(xié)調(diào)器節(jié)點，負責(zé)匯聚各個采集節(jié)點發(fā)來的溫濕度數(shù)據(jù)，按照控制理論得出的結(jié)果實現(xiàn)控制風(fēng)機啟動和停止，從而調(diào)節(jié)豬舍的溫濕度[5]。

圖2　豬舍水簾自控系統(tǒng)平面示意Fig.2　The piggery water curtain automaticcontrol system

3.3采集節(jié)點設(shè)計采集節(jié)點由溫度傳感器、濕度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、電源模塊、CC2530微處理器、LCD顯示器及天線組成(圖3)，溫濕度傳感器采集的模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器變換成數(shù)據(jù)信號送給微處理器CC2530，CC2530片內(nèi)有ADC模塊，但只有10位，精度不夠高，故在該研究中采用12位的TLC2543，在LCD顯示器上顯示出來，并經(jīng)數(shù)據(jù)濾波處理同步傳送給協(xié)調(diào)器[6]。

圖3　采集節(jié)點結(jié)構(gòu)示意Fig.3　Acquisition node structure

3.4協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計協(xié)調(diào)器節(jié)點由電源、天線、CC2530微處理器、LCD顯示器、按鍵模塊及驅(qū)動電路組成(圖4)。通過按鍵和LCD顯示器來設(shè)置自整定PID各參數(shù)，協(xié)調(diào)器CC2530把各采集節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)匯聚在一起，按照自適應(yīng)控制算法的結(jié)果驅(qū)動各風(fēng)機運行，動態(tài)自動調(diào)整豬舍內(nèi)溫濕度[7]。

圖4　協(xié)調(diào)器節(jié)點結(jié)構(gòu)示意Fig.4　Coordinator node structure

4運行測試

對妊娠豬的120 m2豬舍進行測試實驗。實驗條件是豬舍外溫度為35 ℃，設(shè)定溫度為30 ℃，隨機抽取1組溫度傳感器作為標(biāo)準(zhǔn)測試點，于10:00~13:40每隔20 min采集一次溫度值，根據(jù)溫度值分2次試驗控制：一次是按照傳統(tǒng)的方法進行控制，即當(dāng)溫度上行時到達設(shè)定溫度或略低于設(shè)定溫度時啟動風(fēng)機，下行時溫度高于設(shè)定值或略高于設(shè)定值時

關(guān)閉風(fēng)機；第2次實驗是采用自整定控制算法，根據(jù)溫度參數(shù)自動控制風(fēng)機。

由圖5可知，以30 ℃為中心，向上過沖4 ℃，向下低到26 ℃，上下波動8 ℃，控制效果很差。由圖6可知，向上過沖2 ℃至最高32 ℃，向下低至28 ℃，上下波動4 ℃，基本能穩(wěn)定在30 ℃左右，表現(xiàn)出很好的控制效果。對濕度的測量試驗也取得相同效果。

圖5　傳統(tǒng)控制溫度分布Fig.5　Distribution of traditional temperature control

圖6　自適應(yīng)控制溫度分布Fig.6　 Distribution of adaptive temperature control

5結(jié)論

以妊娠豬舍環(huán)境的溫度應(yīng)用系統(tǒng)為基礎(chǔ)，采用自整定控制算法進行設(shè)計和研究，并進行了對比實驗。結(jié)果表明，該自整定控制系統(tǒng)在運行平穩(wěn)性及波動性等方面有了顯著提高。在其設(shè)計中，為了提高測量和控制的精確度，可增加ZigBee網(wǎng)絡(luò)中采集節(jié)點的數(shù)量，從而增加傳感器的數(shù)據(jù)，為進一步溫度統(tǒng)計提供大數(shù)據(jù)支持。另外，適當(dāng)增加風(fēng)機的量對提高精確度也有一定影響。

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收稿日期2015-12-17

作者簡介刁志剛(1978- )，男，河南信陽人，講師，碩士，從事嵌入式通信技術(shù)研究。

基金項目江蘇省淮安市重點研發(fā)計劃(現(xiàn)代農(nóng)業(yè))項目(HAN2015034)。

中圖分類號S 818.9;TP 216

文獻標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)03-324-02