楊國威+王福平

摘要： 針對(duì)馬鈴薯在儲(chǔ)藏過程中對(duì)環(huán)境的要求，在充分研究影響馬鈴薯儲(chǔ)藏因素的基礎(chǔ)上，分析馬鈴薯不同儲(chǔ)藏階段的環(huán)境參數(shù)要求，提出以模糊控制技術(shù)為核心的溫度、濕度、二氧化碳濃度采集控制系統(tǒng)。儲(chǔ)藏庫中的單片機(jī)將傳感器采集的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)通過通用分組無線服務(wù)（GPRS）模塊傳輸?shù)椒?wù)器數(shù)據(jù)庫，將馬鈴薯儲(chǔ)藏階段的環(huán)境要求和模糊控制技術(shù)結(jié)合，系統(tǒng)對(duì)單片機(jī)發(fā)出指令，通過控制繼電器來控制環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備，以達(dá)到最佳儲(chǔ)藏環(huán)境的要求。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地控制馬鈴薯儲(chǔ)藏環(huán)境參數(shù)的變化，保證馬鈴薯處于最佳儲(chǔ)藏環(huán)境。

關(guān)鍵詞： 馬鈴薯；單片機(jī)；模糊控制；GPRS；儲(chǔ)藏環(huán)境；智能監(jiān)控

中圖分類號(hào)： TP273+.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）22-0244-03

西北地區(qū)為干旱、半干旱氣候，光照強(qiáng)，晝夜溫差大，氣候冷涼，適合馬鈴薯種植，其種植面積廣闊。隨著我國馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略的啟動(dòng)，進(jìn)一步推動(dòng)了馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。人們對(duì)馬鈴薯營養(yǎng)價(jià)值的認(rèn)知度有所提高，結(jié)合馬鈴薯加工技術(shù)的發(fā)展，對(duì)馬鈴薯的需求量越來越大，種植面積也在不斷增長。目前，新疆、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古等地區(qū)的馬鈴薯加工企業(yè)已有一定的規(guī)模，分別分布在產(chǎn)業(yè)的原料生產(chǎn)、粗加工、深加工等領(lǐng)域[1]，但是，與發(fā)達(dá)國家相比，我國馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平總體落后，經(jīng)濟(jì)效益沒有完全發(fā)揮出來[2]。在馬鈴薯儲(chǔ)藏方面，我國目前的儲(chǔ)藏方式相對(duì)落后。以寧夏地區(qū)為例，儲(chǔ)藏庫基本依賴于自然環(huán)境，人為干預(yù)因素較少。

為了使整個(gè)馬鈴薯儲(chǔ)藏庫各個(gè)角落的溫度、濕度控制在最佳值，必須先獲取準(zhǔn)確的環(huán)境參數(shù)[3]。本試驗(yàn)針對(duì)寧夏地區(qū)南部山區(qū)馬鈴薯的大面積種植和大量儲(chǔ)藏，設(shè)計(jì)了1套集監(jiān)測(cè)、決策和控制為一體的馬鈴薯儲(chǔ)藏庫環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)每個(gè)儲(chǔ)藏庫不同的建筑結(jié)構(gòu)和建筑面積，采用不同數(shù)量的采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)之間通過485通信方式組成一個(gè)合理的信息采集網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)建立1套模糊控制系統(tǒng)，以達(dá)到對(duì)馬鈴薯儲(chǔ)藏環(huán)境參數(shù)的有效控制，提高馬鈴薯儲(chǔ)藏的經(jīng)濟(jì)效益。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

如圖1所示，馬鈴薯儲(chǔ)藏環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由節(jié)點(diǎn)傳感器模塊、下位機(jī)控制中心、顯示模塊、執(zhí)行模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心等組成。

根據(jù)馬鈴薯儲(chǔ)藏庫結(jié)構(gòu)和面積的不同，須要部署的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量不同[4]，利用485總線技術(shù)，可以為節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加和減少提供較大的方便[5]。節(jié)點(diǎn)傳感器采集到的信息通過485總線傳輸?shù)较挛粰C(jī)控制中心，經(jīng)過單片機(jī)處理之后，環(huán)境參數(shù)信息一方面進(jìn)行顯示，另一方面將數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸單元（DTU）中的通用分組無線服務(wù)（GPRS）模塊傳送至計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)庫，GPRS模塊與計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)連接，利用傳輸控制協(xié)議（TCP）進(jìn)行通信。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的信息，利用模糊控制技術(shù)分析判斷，計(jì)算出每種設(shè)備的工作時(shí)間，并將設(shè)備的工作時(shí)間存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)將控制信號(hào)通過GPRS發(fā)送至下位機(jī)，下位機(jī)對(duì)執(zhí)行模塊下達(dá)控制命令。用戶可以通過登錄瀏覽器查看實(shí)時(shí)采集和上傳的環(huán)境參數(shù)信息和控制信息。

2 智能控制器設(shè)計(jì)

馬鈴薯儲(chǔ)藏可分為入庫階段、儲(chǔ)藏階段和出庫階段，每個(gè)階段的環(huán)境參數(shù)需求各不相同。本試驗(yàn)就馬鈴薯儲(chǔ)藏休眠階段的溫度參數(shù)需求，對(duì)模糊控制規(guī)則表的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)說明，其他階段設(shè)計(jì)方法均一致。

2.1 模糊控制器的設(shè)計(jì)

如圖2所示，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的模糊控制器是一個(gè)雙輸入-單輸出二維溫度參數(shù)調(diào)節(jié)模糊控制器。該模糊控制系統(tǒng)能根據(jù)設(shè)定的溫度參數(shù)，通過對(duì)輸入量的模糊化，并利用知識(shí)庫和專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行模糊推理設(shè)計(jì)控制規(guī)則，最后對(duì)輸出量進(jìn)行反模糊化，從而控制繼電器的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度設(shè)備的控制。

2.2 模糊控制器參數(shù)確定

在馬鈴薯儲(chǔ)藏階段，以環(huán)境溫度作為控制臨界點(diǎn)，輸入變量為環(huán)境溫度值偏差e（t），變化率為ec（t），輸出量為繼電器控制時(shí)間u（t），采樣周期為20 min。吳曉玲等的研究表明，0～4 ℃短期貯藏時(shí)，馬鈴薯蛋白質(zhì)的含量最高，適合鮮食馬鈴薯的貯藏[6]。設(shè)置偏差e（t）的基本論域?yàn)閇-4，4]，經(jīng)過幾個(gè)采樣周期的測(cè)定，溫度值偏差變化率ec（t）的論域?yàn)閇-1.8，1.8]。通過試驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備， 當(dāng)溫度從偏差值上

升到正常值，所需時(shí)間約為30 min，故系統(tǒng)的輸出量u（t）的論域?yàn)閇0，40]。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模糊控制器2個(gè)輸入變量的語言值的個(gè)數(shù)均為7個(gè)，輸出變量的語言值的個(gè)數(shù)也為7個(gè)，如下所示：

3 試驗(yàn)分析

3.1 仿真試驗(yàn)

利用MATLAB軟件進(jìn)行仿真試驗(yàn)，得到系統(tǒng)輸出量的曲面圖。如圖5所示，曲面圖中每個(gè)坐標(biāo)軸分別表示1個(gè)模糊變量，模糊變量論域由坐標(biāo)軸的范圍表示。將輸出變量的曲面圖與模糊控制查詢表進(jìn)行比對(duì)，更有利于模糊控制表設(shè)計(jì)的合理化[10]。

對(duì)于系統(tǒng)的響應(yīng)穩(wěn)定時(shí)間，利用MATLAB軟件對(duì)整個(gè)系

統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗(yàn)[11]。由圖6可知，該系統(tǒng)約在35 s時(shí)，系統(tǒng)表征量M輸出值趨于穩(wěn)定，可見系統(tǒng)的穩(wěn)定響應(yīng)時(shí)間大約在系統(tǒng)開始運(yùn)行35 s之后，可以較好地對(duì)其進(jìn)行控制。

3.2 控制試驗(yàn)

該系統(tǒng)是針對(duì)馬鈴薯儲(chǔ)藏階段設(shè)計(jì)的模糊控制器，根據(jù)分析將其參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)置為3，差值論域上限為4，差值論域下限為-4，差值變化率上限為1.8，差值變化率下限為-1.8，量化因子ke為0.75，量化因子kec為3.3，比例因子ku為5，采樣周期為20 min。

控制決策信息顯示界面如圖7所示，圖中顯示的為2015年4月20日09：00—16：00的決策信息，通過該界面可以查看系統(tǒng)決策出的控制時(shí)長，每個(gè)采樣周期決策1次。

系統(tǒng)默認(rèn)的第1次采集的環(huán)境溫度值為9.82 ℃，系統(tǒng)從09：00開始運(yùn)行，此時(shí)便開始第2次環(huán)境溫度信息采集，通過這2個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行決策，此時(shí)系統(tǒng)得出的決策信息精確性比較差，執(zhí)行模塊對(duì)第1次決策信息不進(jìn)行操作，因此系統(tǒng)實(shí)際控制繼電器是從第2次決策開始。endprint