裴　雪，范奧華，劉煥宇，王孝龍，王　東，范葉滿，翟長遠

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌　712100)

0　引言

日光溫室是采用較簡易的設(shè)施，充分利用太陽能，在寒冷地區(qū)一般不加溫進行蔬菜越冬栽培[1]。我國已成為世界設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，種植面積穩(wěn)居世界第一[2]。溫室系統(tǒng)是一個多變量、非線性、時變、強耦合的復(fù)雜系統(tǒng)[3]。室內(nèi)環(huán)境因子的好壞，一方面由溫室大棚的生產(chǎn)管理因素決定，另一方面由設(shè)施本身的合理性和可調(diào)控性所決定，直接影響到作物生長發(fā)育的全部過程。

近年來，許多研究者通過智能控制方法來控制溫室環(huán)境因子，已取得了很多理論成果，目前研究重點主要集中在模糊控制和智能調(diào)控算法方面。不少學(xué)者利用PID控制方法、MCS-51單片機處理機、SoC的芯片GS1010[4]及ZigBee[5]系統(tǒng)，并基于多傳感器融合的控制系統(tǒng)，對溫室環(huán)境因子進行控制[4-8]。還有部分學(xué)者在控制中加入控制算法以實現(xiàn)智能化調(diào)控，如專家控制系統(tǒng)、模糊控制智能算法、溫度積分算法，以及基于切換系統(tǒng)的環(huán)境因子建模與預(yù)測控制方法[9-12]。

但是，以上研究多針對玻璃溫室等可控設(shè)備較多的現(xiàn)代化溫室，且投入成本高，而生產(chǎn)型日光溫室僅利用太陽能吸收熱量，采用保溫被保持溫度，可控設(shè)備較少，難以廣泛推廣應(yīng)用，不能解決實際需求。本設(shè)備針對中小型溫室種植農(nóng)戶，將精確傳感技術(shù)、無線遠程通信技術(shù)及智能信息處理技術(shù)結(jié)合，開發(fā)溫光耦合的溫室卷簾預(yù)測調(diào)控系統(tǒng)。研究基于嵌入式的低成本、易安裝的溫光耦合溫室卷簾控制設(shè)備，實現(xiàn)溫度和光照的實時監(jiān)測；實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸、預(yù)測算法的融合；實現(xiàn)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備控制指令下達機制，減少布線及運行成本；實現(xiàn)溫光耦合的溫室卷簾自動調(diào)控策略。

1　系統(tǒng)組成及原理

本系統(tǒng)由監(jiān)測模塊、控制模塊、工控屏人機交互模塊及卷簾機設(shè)備4個部分組成，如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)整體框圖

由監(jiān)測模塊采集空氣溫濕度和光照強度數(shù)據(jù)，經(jīng)由ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)至控制模塊，再由串口電路將采集到的數(shù)據(jù)傳送給工控屏；在工控屏中利用嵌入的溫光耦合算法預(yù)測下一時刻溫度，依據(jù)作物所需設(shè)置的溫度和光輻射閾值給出決策指令，反饋給控制機設(shè)備的控制；同時，工控屏可以實時顯示3個歷史溫度值、1個當前溫度值、光照值及下一時刻溫度預(yù)測值，實現(xiàn)友好的人機交互。

2　硬件實現(xiàn)方案

2.1監(jiān)測節(jié)點硬件設(shè)計

監(jiān)測節(jié)點由電源模塊及傳感器模塊等組成，主要實現(xiàn)各空氣溫濕度及光照強度的監(jiān)測。在電源模塊的驅(qū)動下，獲得各傳感器數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳遞給控制模塊。同時，在該模塊加入了紅外對射限位開關(guān)，防止了過卷，提高了設(shè)備的自動操作程度。

電源模塊采用兩種模式供電：一種是標準5V直流電源，通過AMS1117標準電源模塊完成5V到3.3V工作電壓轉(zhuǎn)換，完成對溫度傳感器等對應(yīng)部分的供電；另一種是標準12V直流電源，同樣需經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換后才能完成對光照傳感器的對應(yīng)部分供電。限位開關(guān)的作用是防止卷簾機在降簾和升簾時發(fā)生過卷情況，在卷簾的起點和終點各放置一對紅外對射開關(guān)，在沒有物體遮擋開關(guān)時輸出電壓0V，卷簾機動作狀態(tài)繼續(xù)保持；當有物體遮擋時輸出電壓5V，卷簾機動作停止。傳感器模塊主要對周圍環(huán)境的溫度和光照強度實時檢測，并將采集數(shù)據(jù)傳送至CC2530芯片進行處理。其中，光照檢測采用光照度傳感器QY-150B，工作電壓為3.3V，檢測信號接入CC2530核心處理器P0.7口，完成光照檢測；溫度檢測采用DS18B20溫度傳感器及其外部電路實現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集信號與單片機P1.4口相接，實現(xiàn)對溫度的檢測。

2.2控制節(jié)點硬件設(shè)計

控制節(jié)點包括電源模塊、CC2530中心處理模塊及繼電器驅(qū)動模塊3部分，主要完成對信號的接收與發(fā)送，包括有線和無線的接收與發(fā)送。無線主要完成監(jiān)測終端發(fā)送過來的傳感器信息量，再通過TTL轉(zhuǎn)RS232串口電路將傳感器采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至工業(yè)控制器；工業(yè)控制器通過溫光耦合模型處理過后，給出動作指令，并將命令發(fā)送至控制節(jié)點的CC2530模塊。

該模塊的核心處理器直接采用具有ZigBee無線通訊功能的CC2530模塊，并且根據(jù)ZigBee協(xié)議，通過CC2530的射頻模塊無線發(fā)送至根節(jié)點。CC2530模塊同時作為根節(jié)點，主要承擔協(xié)調(diào)器作用，完成啟動網(wǎng)絡(luò)、選擇網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等功能。本設(shè)備中有多個終端節(jié)點及1個根節(jié)點，通過協(xié)調(diào)器可以使整個系統(tǒng)組網(wǎng)成功。其中，串口電路主要完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與傳遞，控制節(jié)點將工控屏的命令轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的高低電平，通過驅(qū)動模塊控制繼電器，實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)，對應(yīng)控制卷簾機的卷起和放下。

3　軟件實現(xiàn)方案

3.1監(jiān)測節(jié)點軟件設(shè)計

在監(jiān)測環(huán)節(jié)中，待開機后，系統(tǒng)首先進行溫度等參量初始化，查看存儲器中是否有上次存儲的信息：如果有則提取已有的網(wǎng)絡(luò)信息參數(shù)；否則，初始化網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，進行網(wǎng)絡(luò)號加1，重新掃描無線網(wǎng)絡(luò)，直至加入網(wǎng)絡(luò)。一旦加入網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)就開始檢測溫度、光照。溫度值的接收可直接使用單片機的I/O口，對于光照檢測直接采用單片機的AD端口，即可獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3.2控制節(jié)點軟件設(shè)計

在控制環(huán)節(jié)中，首先協(xié)調(diào)器通過射頻接收函數(shù)接收監(jiān)測節(jié)點發(fā)送過來的環(huán)境參數(shù)值，再通過TTL轉(zhuǎn)RS232串口線發(fā)送至工業(yè)控制器。工業(yè)控制器中嵌入有溫光耦合算法模型，通過算法預(yù)測出下一時刻溫度值，判斷該值是否達到溫度控制動作點；然后將控制指令通過串口寫入?yún)f(xié)調(diào)器；協(xié)調(diào)器得到控制指令，由無線射頻模塊發(fā)送數(shù)據(jù)至控制節(jié)點，控制節(jié)點接收到數(shù)據(jù)后通過對單片機I/O口置高低電平，從而實現(xiàn)控制卷簾機的開啟與閉合。

其次，監(jiān)測節(jié)點、協(xié)調(diào)器和控制節(jié)點需要通過ZigBee協(xié)議棧組網(wǎng)來實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。在協(xié)議棧中，以設(shè)定的信道和網(wǎng)絡(luò)號掃描無線網(wǎng)絡(luò)，如果特定網(wǎng)絡(luò)號存在，則完成組網(wǎng)，允許其它節(jié)點入網(wǎng)。

3.3工業(yè)控制器軟件設(shè)計

3.3.1溫度預(yù)測模型

使用MatLab軟件對歷史溫度數(shù)據(jù)進行分析，構(gòu)建預(yù)測模型，并將該模型嵌入工業(yè)控制器。

為了提高設(shè)備控制精度，于2016年1月23-24日在陜西省西安市閻良區(qū)武屯鎮(zhèn)西北農(nóng)林科技大學(xué)實驗基地三號棚采集實驗數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)得出溫光耦合模型，并將其模型嵌入控制模塊，從而實現(xiàn)精準控制。實驗中，利用DS18B20空氣溫度傳感器監(jiān)測空氣溫濕度，采用QY-150B光照傳感器監(jiān)測光照值?？諝鉁貪穸葌鞲衅骱凸庹諅鞲衅鞑贾糜谑覂?nèi)中心位置，可充分接收光照，監(jiān)測數(shù)據(jù)5min上傳1次。

采集實驗數(shù)據(jù)并上傳至上層服務(wù)器，在MatLab軟件中對數(shù)據(jù)進行處理。首先對各個節(jié)點的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，空氣溫度取其平均值；再利用regress函數(shù)對1月23日和24日的實驗數(shù)據(jù)進行擬合，公式為

y=0.1649ω1-1.2666ω2+2.1019ω3-

3.2085×e-5×g+0.0068

(1)

其中，y為從當前時刻開始的5min后的溫度預(yù)測值；ω1、ω2和ω3分別為當前時刻溫度值和5min前、10min前的歷史時刻溫度值；g為當前時刻光照值。

實際值與預(yù)測值比較如圖2所示。

圖2　下一時刻溫度預(yù)測

預(yù)測絕對誤差，其最大值為0.6℃，最小值為-0.5℃。該預(yù)測精度足以達到控制所需精度要求，可為控制提供決策依據(jù)。不同植物在不同生長階段所需溫度不同，根據(jù)實際作物需求設(shè)置溫度上下限，再依據(jù)所預(yù)測的下一時刻溫度是否處于溫度限制以內(nèi)，來控制設(shè)備動作。

3.3.2工業(yè)控制決策算法設(shè)計

考慮到實際生活中現(xiàn)場操作人員的受教育程度的差異，本系統(tǒng)利用步科Kinco的ET070工控屏，設(shè)計了人機交互的操作系統(tǒng)，使操作更加簡單方便，控制方式更加高效。在通過串口接收傳感器數(shù)據(jù)之后，在工控屏中對數(shù)據(jù)分析整合給出決策結(jié)果，并將決策結(jié)果輸出至控制模塊，指示相應(yīng)的設(shè)備動作。

系統(tǒng)開機后，首先是串口自動進行初始化操作，當初始化完成后，串口實時監(jiān)測有無數(shù)據(jù)輸入；接收到的數(shù)據(jù)將被存儲在相應(yīng)的寄存器里，直至數(shù)據(jù)接收完畢，對所接收數(shù)據(jù)進行有效性判斷；寄存器中的數(shù)據(jù)主要由空氣溫度及光照強度兩個參數(shù)構(gòu)成，串口處理程序?qū)⒆詣臃指顢?shù)據(jù)，并提取相應(yīng)數(shù)據(jù)，以供數(shù)據(jù)處理函數(shù)使用；串口不斷自動刷新，等待下一次接收數(shù)據(jù)。如此循環(huán)，直至出現(xiàn)強制中斷或者系統(tǒng)關(guān)閉。

工業(yè)控制器嵌入決策算法：首先，根據(jù)溫光耦合算法對溫度進行預(yù)測；然后，根據(jù)已知的參數(shù)進行決策判斷，將決策值輸出至控制模塊，指示相應(yīng)的設(shè)備動作，實現(xiàn)對卷簾設(shè)備的動作精確控制。工控屏輸出前兩個時刻的溫度值、當前溫度值、光照強度值及下一時刻預(yù)測值。

工控屏中嵌入的算法邏輯過程為：

1)工控屏通電后，系統(tǒng)開啟初始化，主要對各個控件地址中的數(shù)據(jù)進行清空，同時打開串口，等待數(shù)據(jù)傳入。

2)以1s為時間間隔不斷從串口中獲取數(shù)據(jù)包，如接收到檢測終端的數(shù)據(jù)包，則進行數(shù)據(jù)分割提取，并將收到的各個參數(shù)顯示在屏幕相應(yīng)的控件里。

3)利用已經(jīng)嵌入的光溫耦合算法對溫度進行預(yù)測，與植物適宜溫度做比較，對控制終端發(fā)出相應(yīng)指令。在早晨，當前光照強度高于光照閾值，且下一時刻溫度高于溫度閾值，開棚；在傍晚，當前光照強度低于光照閾值，且下一時刻溫度低于溫度閾值，關(guān)棚。同時，在工控屏上顯示3個歷史時刻溫度值、下一時刻溫度預(yù)測值及當前光照強度。

4)用戶進行工作模式選擇，工作方式由用戶在屏幕上觸碰觸摸按鍵來選擇，控制界面如圖3所示。自動模式下，控制模塊根據(jù)工控屏內(nèi)嵌決策算法直接依照決策結(jié)果對設(shè)備進行控制，實現(xiàn)全自動控制模式。手動模式下，需要人為根據(jù)決策結(jié)果對設(shè)備進行開或者關(guān)的操作。在不同模式時，設(shè)備的動作均依據(jù)決策模型。

圖3　工控屏顯示界面

5)工作模式選定后，系統(tǒng)自動依據(jù)所確定模式中參數(shù)設(shè)置和當前環(huán)境中溫度的值進行運行，程序每秒刷新一次。

6)通過卷簾機的開閉控制室內(nèi)接收的光輻射，來調(diào)控室內(nèi)溫度。當溫度變化趨勢會持續(xù)在最值范圍以內(nèi)，則可以打開卷簾機，盡量使得室內(nèi)接收充足光照，保證植物正常的光合作用。

4　系統(tǒng)驗證

本系統(tǒng)已在陜西、重慶、江蘇等的多個日光溫室基地部署使用，穩(wěn)定運行超過半年。實際運行結(jié)果表明：本系統(tǒng)監(jiān)測部分數(shù)據(jù)準確率高、誤差??；紅外對射傳感器控制模塊的準確率為100%；人機交互模塊的響應(yīng)速度低于1s；網(wǎng)絡(luò)控制響應(yīng)速度低于10s。同時，系統(tǒng)在供電正常情況下，無故障運行1 000h以上，統(tǒng)計節(jié)省勞動力投入5人次/月。

5　結(jié)論

以Kinco-ET070型號的工業(yè)控制器為核心處理器，采用具有ZigBee無線通訊協(xié)議的CC2530芯片實現(xiàn)無線監(jiān)測與控制、環(huán)境因子的監(jiān)測和卷簾機的控制；同時結(jié)合光溫耦合算法，完成了環(huán)境溫度的精確預(yù)測調(diào)控。實驗表明：本系統(tǒng)運行穩(wěn)定、性能可靠、操作簡單、安裝成本低，可有效降低農(nóng)民勞動強度，減少勞動時間，促進設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)本增效，滿足小型溫室種植農(nóng)戶的自動調(diào)控需求，對推動設(shè)施農(nóng)業(yè)向信息化管理轉(zhuǎn)變具有重要意義，具有較強的實際應(yīng)用及推廣價值。

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