張娓娓，袁路路

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473000)

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基于遺傳優(yōu)化模糊PID算法的溫室智能控制系統(tǒng)研究

張娓娓，袁路路

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473000)

近年來，隨著信息智能化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的快速發(fā)展，我國溫室種植取得了重大進(jìn)展，形成了以科學(xué)方法管理控制大棚溫室環(huán)境的理念；但因缺乏工廠化管理方式，溫室智能控制技術(shù)在設(shè)施配套和產(chǎn)業(yè)自動化方面還有不足之處，與歐洲發(fā)達(dá)國家差距甚遠(yuǎn)。因此，設(shè)計一套適合我國農(nóng)情的現(xiàn)代化溫室控制系統(tǒng)顯得非常重要，其對實時監(jiān)測和精確控制溫室環(huán)境參數(shù)，提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量意義深遠(yuǎn)。本文根據(jù)大棚種植特點，基于遺傳優(yōu)化模糊PID融合算法，設(shè)計和研究了一套獨有的溫室智能控制系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進(jìn)行性能仿真實驗。結(jié)果表明：本溫室智能控制系統(tǒng)性能良好、自動化程度高、節(jié)能顯著，對大棚蔬菜的種植具有重要的促進(jìn)作用。

遺傳優(yōu)化；模糊PID；融合算法；溫室；智能控制

0 引言

我國自古以來就是一個農(nóng)業(yè)大國，耕地面積達(dá)121億hm2?，F(xiàn)階段，在農(nóng)業(yè)種植區(qū)，大棚溫室隨處可見。隨著我國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)逐步由傳統(tǒng)的粗放經(jīng)營式向現(xiàn)代集約型經(jīng)營式轉(zhuǎn)變，大棚溫室種植作為集約型農(nóng)業(yè)應(yīng)用的示范窗口應(yīng)運而生。隨著農(nóng)業(yè)科技和自動化生產(chǎn)的快速發(fā)展，溫室的結(jié)構(gòu)檔次正逐漸提高，建設(shè)一種可提高作物質(zhì)量和產(chǎn)量、減少農(nóng)民勞動量的溫室智能控制系統(tǒng)，已成為農(nóng)業(yè)種植者的迫切需求。因此，為了進(jìn)一步提高溫室智能控制的精準(zhǔn)度，提高作物生產(chǎn)效率，基于遺傳優(yōu)化模糊PID融合算法，設(shè)計了一套符合我國農(nóng)情的溫室智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)對于調(diào)節(jié)溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，改善作物生長環(huán)境將具有顯著作用。

1 遺傳優(yōu)化模糊PID融合算法的原理

1.1 遺傳算法的原理

遺傳算法是生物研究學(xué)家Holland提出的模擬自然界遺傳機(jī)制和生物進(jìn)化論而成的一種全局概率搜索最優(yōu)方法,是在以達(dá)爾文的自然選擇學(xué)說的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來的。其將適者生存的生物進(jìn)化理論與優(yōu)化形式的編碼串聯(lián)群體結(jié)合起來，依據(jù)有效的適應(yīng)度函數(shù)并通過遺傳中的復(fù)制、交叉和變異對個體進(jìn)行選擇，保留競爭力強(qiáng)、適應(yīng)度高的個體；然后重新組成新的群體，這樣，新群體保留著上代基因信息，但在生存方面又優(yōu)于上代。在遺傳算法的長期作用下，和自然界進(jìn)化規(guī)律相同，群體適應(yīng)度逐漸提高，達(dá)到研究者設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。遺傳算法簡單實用，并能多條件進(jìn)行，通過一代代相傳，容易求出全局最優(yōu)解。遺傳算法一般不是簡單地對參數(shù)操作，而是針對參數(shù)的編碼進(jìn)行操作，其一般同時搜索使用多個搜索點信息，直接將目標(biāo)函數(shù)作為搜索信息處理。遺傳算法的操作過程如圖1所示。

1.2 PID融合控制器的原理

在溫室智能控制過程中，常常需要對溫度、濕度等變量進(jìn)行實時監(jiān)控，以滿足果蔬生長的需要。對于PID融合控制，主要根據(jù)比例、積分、微分對被控參數(shù)實行調(diào)節(jié)控制，一般是將第K代采樣值與給定值進(jìn)行對比處理，即

e(k)=yd(k)-y(k)

(1)

其中，y(k)為系統(tǒng)給定值；yd(k)是系統(tǒng)實際采樣值，兩者相比之后即可以得到實際反饋控制量。PID控制系統(tǒng)的原理如圖2所示。

圖2中的輸入為控制差量e(t=r(t)-y(t)；輸出為P、I、D的線性等式，則有

(2)

其中，KC是比例因子；TI是積分時間常數(shù)；TD是微分時間常數(shù)。

圖1 遺傳算法的操作流程

圖2 PID控制系統(tǒng)的原理圖

2 溫室智能控制系統(tǒng)的設(shè)計

一年四季，氣溫變化大，夏天光照強(qiáng)度大、溫度高，冬天天寒，采用遺傳優(yōu)化模糊PID控制對溫室控制系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)測，實質(zhì)上是對大棚溫室內(nèi)溫度、濕度、光照和CO2濃度的控制。溫室智能控制的主要措施是加熱降溫、增濕出濕及控制光照等。系統(tǒng)通過各傳感器檢測室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，然后自動控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)對參數(shù)的調(diào)節(jié)控制。

2.1 溫度的控制

適宜的溫度對農(nóng)作物的生長非常重要，作物的光合作用必須要在合適的溫度環(huán)境里才能正常進(jìn)行，溫室溫度主要是通過加熱、降溫進(jìn)行控制。

1)加熱控制。天氣比較寒冷時，室內(nèi)環(huán)境溫度低于農(nóng)作物生長所需最合適的溫度時，將進(jìn)行加熱控制。先關(guān)閉通風(fēng)窗口，再開啟暖氣或者空調(diào)進(jìn)行加熱升溫。由于暖氣很難實現(xiàn)恒溫控制，對于溫度要求比較高的溫室采用空調(diào)加熱的方式，通過空調(diào)恒溫設(shè)定的方式自動調(diào)節(jié)控制室內(nèi)溫度。

2)降溫控制。夏天溫度較高，室內(nèi)環(huán)境溫度高于設(shè)定值，系統(tǒng)將進(jìn)行降溫控制，一般采取開通風(fēng)窗或者開啟濕簾風(fēng)機(jī)設(shè)備等措施。

2.2 濕度的控制

溫室智能控制系統(tǒng)檢測到大棚溫室濕度高或者低于設(shè)定值，系統(tǒng)自動開啟噴淋或通風(fēng)設(shè)備，達(dá)到調(diào)節(jié)控制室內(nèi)濕度的目的。

2.3 光照的控制

夏天天氣晴好時，光照強(qiáng)度大，容易造成溫室內(nèi)溫度高、濕度低，增大果蔬作物的蒸騰作用，降低光合作用的效率。因此，需要開啟遮陽網(wǎng)，減少強(qiáng)光對溫室的影響。

陰雨天氣或者冬天關(guān)照強(qiáng)度低時，為滿足作物生長所需的光合作用，系統(tǒng)應(yīng)自動開啟室內(nèi)日光燈進(jìn)行補(bǔ)光。

2.4 CO2濃度的控制

CO2濃度是作物生長的重要指標(biāo)，系統(tǒng)通過傳感器的檢測去判斷室內(nèi)CO2濃度值，并根據(jù)設(shè)定值，自動調(diào)節(jié)控制。

3 溫室智能控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計

農(nóng)作物需要在合適環(huán)境下才能正常生長，而在不同生長時期所需的環(huán)境又不同，溫室智能控制系統(tǒng)可根據(jù)農(nóng)作物各個階段生長情況設(shè)定適宜環(huán)境參數(shù)。該系統(tǒng)智能控制部分采用MSP430F149單片機(jī)為核心處理單元，其利用溫度、濕度、光強(qiáng)度傳感器采集環(huán)境參數(shù)，同時采用模糊PID融合算法對各執(zhí)行器件進(jìn)行控制。

3.1 硬件設(shè)計

溫室環(huán)境復(fù)雜多變，干擾因素比較多，因此單片機(jī)作為溫室智能控制系統(tǒng)的核心器件，必須穩(wěn)定強(qiáng)、可靠性高、功耗低。溫室智能控制系統(tǒng)硬件框架圖如圖3所示。

溫室智控系統(tǒng)核心是TI公司的MSP430F149低功耗處理器，外圍包括LCD顯示、溫濕度、光強(qiáng)度、CO2濃度、電源、報警及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等檢測控制電路。其中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括通風(fēng)窗口、濕簾窗、遮陽簾、通風(fēng)扇、日光燈、CO2產(chǎn)生設(shè)備及恒溫空調(diào)，該系統(tǒng)實時監(jiān)測并通過電磁閥自動控制溫室各參數(shù)因子，受控的環(huán)境參數(shù)主要包括溫濕度、光照強(qiáng)度和 CO2濃度。

1)溫度檢測電路。市面上溫度傳感器種類很多，為了保證精準(zhǔn)度，本系統(tǒng)選用DS1820溫度傳感器。其是一款數(shù)字傳感器，在-10～+85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃；采用一線式，只需要一個A/D口，便可以直接測量溫室溫度；器件組成的檢測不需要外部元器件，干擾因素較小，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量。溫度檢測電路如圖4所示。

圖3 溫室智能控制系統(tǒng)硬件框架圖

圖4 溫度檢測電路原理圖

2)濕度檢測電路。本系統(tǒng)濕度檢測電路采用HS1101電容式傳感器，工作溫度為-40～100℃。該檢測電路將NE555器件與HS1101結(jié)合使用，濕度傳感器吸收水分后電容值發(fā)生改變，溫室內(nèi)濕度值越高，傳感器電容值越大。濕度檢測電路如圖5所示。

圖5 濕度檢測電路

如圖5所示：NE555與HS1101和R5、R8電阻形成一個充電回路，電路不斷自激往復(fù)振蕩形成所需的電壓方波信號Fout，供單片機(jī)采集處理。

3)光強(qiáng)度檢測電路。光合作用的能量主要來自光照，光照對作物的生長非常重要。本系統(tǒng)選擇BH1750光敏傳感器來檢測大棚溫室的光照強(qiáng)度。該光強(qiáng)度檢測模塊支持I2C通訊，檢測光強(qiáng)度范圍為1～65 535lx，誤差系數(shù)小，可靠性好。檢測電路如圖6所示。

圖6 光強(qiáng)度檢測電路

3.2 軟件設(shè)計

單片機(jī)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)對各執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)和環(huán)境因子的檢測及驅(qū)動控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)軟件作為底層驅(qū)動，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、串口通信模塊及人機(jī)交互模塊等控制功能。本文采用IAR Embedded Workbench對單片機(jī)軟件進(jìn)行開發(fā)編譯。溫室智能控制系統(tǒng)的軟件流程圖如圖7所示。

圖7 溫室智能控制系統(tǒng)的軟件流程圖

4 智能控制系統(tǒng)效果驗證及分析

為了驗證該智能控制系統(tǒng)的可靠性和實用性，本文將系統(tǒng)應(yīng)用于一黃瓜種植溫室，實現(xiàn)對該黃瓜溫室的環(huán)境參數(shù)實時監(jiān)測。該溫室為雙坡面，長32m，寬18m，設(shè)計為南北走向。以2016年1月25日控制為例，當(dāng)天天氣晴朗，數(shù)據(jù)選自上午9時-15時，每30min采集1次，數(shù)據(jù)采集中，溫室智能控制系統(tǒng)運行正常。采集的具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 黃瓜溫室環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)

對溫度和濕度的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)變化趨勢如圖8所示。

圖8 溫室溫濕度變化趨勢圖

由圖8可以看出：在數(shù)據(jù)采集期間，通過智能控制系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，溫室內(nèi)溫度在調(diào)節(jié)過程中始終保持在設(shè)定溫度范圍內(nèi)(21℃～24℃)，濕度總體波動較小，濕度值趨向于穩(wěn)定值。實驗證明：該系統(tǒng)控制效果達(dá)到預(yù)期值，可實現(xiàn)溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的控制，且具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，能夠滿足大棚種植的需要。

5 結(jié)論

大棚溫室環(huán)境控制具有參數(shù)多、滯后性強(qiáng)、外界干擾大的特點，建立環(huán)境參數(shù)控制模型比較困難。本文利用遺傳優(yōu)化模糊PID融合算法和先進(jìn)計算機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)，設(shè)計了一套適用于我國農(nóng)情的溫室環(huán)境參數(shù)控制智能系統(tǒng)。試驗表明：該系統(tǒng)性能良好、自動化程度高、調(diào)控能力強(qiáng)，具有穩(wěn)定、實用和性價比高等特點，對我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)具有積極促進(jìn)作用。

[1] 董文國.蔬菜溫室大棚智能控制系統(tǒng)的設(shè)計[D].曲阜：曲阜師范大學(xué),2012.

[2] 段翠芳.基于單片機(jī)技術(shù)的溫室自動控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].農(nóng)機(jī)化研究,2011,33(7):144-146,150.

[3] 田祎,樊景博.智能溫室測控系統(tǒng)的分析與設(shè)計[J].商洛學(xué)院學(xué)報,2011(2):63-67.

[4] 李麗麗,施偉.溫室大棚智能溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué),2011(21):135-138.

[5] 吳小偉,史志中,鐘志堂,等.國內(nèi)溫室環(huán)境在線控制系統(tǒng)的研究進(jìn)展[J].農(nóng)機(jī)化研究,2013,35(4):1-7,18.

[6] 覃貴禮,潘澤鍇.基于PLC技術(shù)的智能溫室控制系統(tǒng)研究與開發(fā)[J].河池學(xué)院學(xué)報,2013(2):108- 113.

[7] 徐飛.溫室智能控制終端的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 蘇州：蘇州大學(xué),2014.

[8] 畢玉革,麻碩士.我國現(xiàn)代溫室環(huán)境控制硬件系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展[J].農(nóng)機(jī)化研究,2009,31(3): 226-229.

[9] 孫剛.溫室環(huán)境多參數(shù)微機(jī)測控系統(tǒng)及現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)化的研究[D].杭州：浙江大學(xué),2002.

[10] 胡艷艷,蔡建立.基于引入學(xué)習(xí)過程的遺傳算法的PID參數(shù)整定[J].五邑大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006(3):41-44.

[11] 王君.基于模糊控制策略的溫室遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)的研究[D].長春：吉林大學(xué),2015.

[12] 喬維德.遺傳優(yōu)化的模糊免疫PID控制器在SRM中的應(yīng)用[J]. 微特電機(jī),2008(1):8-10,30.

[13] 劉永華,王念春,陳愷亮.智能溫室自動控制系統(tǒng)的研究與介紹[J].廣西輕工業(yè),2008,08:109-110.

[14] 解永輝.基于PLC的智能溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計[D].濟(jì)南：山東大學(xué),2008.

[15] 劉方.基于虛擬儀器技術(shù)的農(nóng)業(yè)溫室控制系統(tǒng)的研究[D].蘭州：甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué),2008.

[16] 文科星.智能PID算法的研究及其在溫度控制中的應(yīng)用[D].上海：東華大學(xué),2009.

[17] 朱偉興,毛罕平,李萍萍,等.遺傳優(yōu)化模糊控制器在溫室控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2002(3):76-79.

[18] 劉其永.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的溫室智能控制系統(tǒng)研究[D].蘇州：蘇州大學(xué),2008.

[19] 秘立鵬.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚自適應(yīng)控制系統(tǒng)的開發(fā)[D].太原：太原理工大學(xué),2014.

[20] 程瑞,王雙喜.溫室環(huán)境智能控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué),2014(2):203-205.

[21] 安軍濤.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能PID控制器研究與設(shè)計[D].武漢：武漢理工大學(xué),2010.

[22] 唐靜.智能溫室農(nóng)業(yè)環(huán)境自動監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2011.

[23] 徐美嬌.基于模糊控制算法的北方日光溫室冬季環(huán)境控制系統(tǒng)的研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2011.

[24] 張豪堃.基于模糊推理的日光溫室控制專家系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D]. 呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2011.

[25] 劉春艷.基于遺傳算法-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主汽溫控制系統(tǒng)的研究[D].太原：太原理工大學(xué),2006.

Research on Greenhouse Intelligent Control System Based on Genetic Algorithm and Fuzzy PID Algorithm

Zhang Weiwei, Yuan Lulu

(Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China)

With the rapid development of intelligent agriculture information and modernization, it made significant progress planting in greenhouse in China in recent years, which is gradually attached to the scientific method of management control of greenhouse environment philosophy. However, due to the lack of factory management, it has the gap between the developed countries in Europe and the far intelligent greenhouse control technology in the industrial automation of facilities and deficiencies. Therefore,it is very important to research and design a set of suitable for the modernization of our country agricultural greenhouse control system, the real-time monitoring and accurate control of greenhouse environment parameters,to improve crop yields and far-reaching. In this paper, based on the characteristics of greenhouse cultivation, a set of unique greenhouse intelligent control system is designed and studied based on genetic optimization fuzzy PID fusion algorithm. The results show that the intelligent control system has good performance, high automation degree and high energy saving capacity, and it plays an important role in promoting the cultivation of greenhouse vegetables.

genetic optimization; fuzzy PID; fusion algorithm; greenhouse; intelligent control

2016-05-05

河南省自然科學(xué)基金項目(2015ZCB115)；南陽市科技攻關(guān)項目(2012GG029)

張娓娓(1985-)，女，河南南陽人，助教，碩士。

袁路路(1982-)，女，河南南陽人，講師，碩士，(E-mail) wwandll80@qq.com。

S625.5；TP273.4

A

1003-188X(2017)07-0209-05