孫振華 張 超* 李小強(qiáng) 柳忠艷

(1、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院,寧夏 銀川750021 2、寧夏機(jī)械研究院(有限公司),寧夏 銀川750021)

1 概述

現(xiàn)代的生活中，許多發(fā)展情況都對(duì)環(huán)境的溫、濕度及光照強(qiáng)度等參數(shù)有較嚴(yán)格的要求，因此必須在某些特定工作環(huán)境安裝報(bào)警器對(duì)環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行管理監(jiān)控和調(diào)節(jié)。為此，以溫棚的溫、濕度，CO2濃度及光照強(qiáng)度為背景，設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)溫、濕度，CO2濃度及光照強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以達(dá)到可準(zhǔn)確快速的感知和調(diào)整環(huán)境參數(shù)的目的，而且我們可以通過(guò)實(shí)時(shí)記錄報(bào)警信息，減輕勞動(dòng)者的負(fù)擔(dān)，并可廣泛應(yīng)用于生活條件惡劣、人員不便進(jìn)入的場(chǎng)合。

溫、濕度，CO2濃度及光照強(qiáng)度的數(shù)據(jù)采集控制具有十分廣泛的應(yīng)用研究領(lǐng)域以及一些對(duì)溫、濕度，CO2濃度及光照強(qiáng)度比較敏感的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，都需要對(duì)溫、濕度、CO2濃度及光照強(qiáng)度有可以準(zhǔn)確的采集和迅速的控制。然而安裝、便攜性等問(wèn)題都使得控制不那么容易，本文旨在提高溫室大棚參數(shù)分析的準(zhǔn)確性及外觀(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的便攜性。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

為了完成溫室大棚數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能，首先采集溫、濕度，CO2濃度及光照強(qiáng)度等參數(shù)，并通過(guò)建立的數(shù)學(xué)模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理及分析，以達(dá)到對(duì)比預(yù)測(cè)和超越報(bào)警的功能?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備須具備安裝簡(jiǎn)單、輕巧便捷的能力，且對(duì)于檢測(cè)設(shè)備的傳感器應(yīng)具有較高的靈敏度和可靠性。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

便攜式溫棚數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以單片機(jī)微控制器為核心元件，通過(guò)加入溫度傳感器、濕度傳感器，CO2濃度測(cè)量傳感器及光照強(qiáng)度測(cè)量傳感器，將其作為數(shù)據(jù)收集元件，并引入控制系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)和液晶顯示系統(tǒng)，共同構(gòu)成溫棚數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 溫棚數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

便攜式溫棚數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)、系統(tǒng)控制、系統(tǒng)報(bào)警和系統(tǒng)內(nèi)容顯示等過(guò)程都要通過(guò)單片機(jī)處理。其中，數(shù)據(jù)信息采集主要通過(guò)溫度傳感器、濕度傳感器，CO2濃度測(cè)量傳感器及光照強(qiáng)度測(cè)量傳感器來(lái)完成，當(dāng)采集或輸入好的數(shù)據(jù)輸入單片機(jī)時(shí)，單片機(jī)將會(huì)通過(guò)建立好的模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理完成后，將被處理結(jié)果代入本文所建立的模型進(jìn)一步分析，并與正常范圍進(jìn)行對(duì)比并預(yù)測(cè)結(jié)果。當(dāng)?shù)贸龅慕Y(jié)果超越正常范圍時(shí)，控制系統(tǒng)進(jìn)行反饋，報(bào)警系統(tǒng)開(kāi)始工作，在此過(guò)程中，液晶顯示系統(tǒng)始終在運(yùn)行。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

便攜式溫棚數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序和采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、鍵盤(pán)系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)等子程序組成。為提高系統(tǒng)程序編寫(xiě)質(zhì)量和移植性，且滿(mǎn)足本文模塊化設(shè)計(jì)的要求，所以本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)程序，并在Keil 4版本軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行編譯。主程序開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，傳感器和液晶顯示屏幕等硬件開(kāi)始初始化及子程序的開(kāi)始調(diào)用，便攜式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)程序流程圖如圖2所示。

在圖2所示流程圖中，數(shù)據(jù)信息采集與A/D轉(zhuǎn)換子程序可以根據(jù)用戶(hù)輸入相關(guān)參數(shù)對(duì)相應(yīng)的模擬控制信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行采樣、量化及處理，并將相應(yīng)信號(hào)的數(shù)值返回主程序。報(bào)警子程序主要控制異常情況下的報(bào)警信號(hào)。如當(dāng)室內(nèi)環(huán)境溫度不斷升高超過(guò)設(shè)定值時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)裝置會(huì)發(fā)出警報(bào)信號(hào)，同時(shí)通過(guò)點(diǎn)亮相應(yīng)的指示燈(報(bào)警指示燈由顯示子程序來(lái)完成)，以引起勞動(dòng)者及管理人員的注意。

圖2 程序流程圖

2.4 溫棚數(shù)據(jù)分析模型的建立

2.4.1 采集數(shù)據(jù)的的異常檢測(cè)

一般情況下，傳感器采取到的數(shù)據(jù)可以直接使用，為防止異常顯示，提高數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性，本文在溫棚數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中引入了基于聚類(lèi)的異常值檢測(cè)。

首先將所有樣本按照一定的聚類(lèi)方法進(jìn)行聚類(lèi)，聚類(lèi)假設(shè)為k類(lèi)：C1，C2，…，CK

對(duì)于每個(gè)對(duì)象p，計(jì)算該對(duì)象到每個(gè)類(lèi)之間的距離d（p，Ci）

然后計(jì)算每個(gè)對(duì)象p的異常得分

最后進(jìn)行一個(gè)奇異值的標(biāo)定，若OF（p）≥平均值+標(biāo)準(zhǔn)差，則為奇異值。并且取β=1.258 。

2.4.2 建立監(jiān)控參數(shù)分析的數(shù)學(xué)模型

將溫度、濕度、CO2濃度和光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)作為自變量x1，x2，…，xp，則其對(duì)應(yīng)的觀(guān)測(cè)值為xi1，xi2，…，xip，以及因變量y對(duì)應(yīng)的觀(guān)測(cè)值yi滿(mǎn)足

其中，ε1，ε2，…，εn為相互獨(dú)立且呈正態(tài)分布N（0，σ2）的隨機(jī)變量。

根據(jù)最小二乘法，由n組觀(guān)測(cè)值（xi1，xi2，…，xip，yi）確定參數(shù)β0和β1，β2，…，βp的估計(jì)值b0和b1，b2，…，bp后，得到估計(jì)式

通過(guò)對(duì)所采集的溫、濕度，CO2濃度及光照強(qiáng)度的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行預(yù)處理后，代入（3）所建立的多元線(xiàn)性回歸模型中，單片機(jī)系統(tǒng)將會(huì)通過(guò)建立好的模型對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，與正常數(shù)值范圍進(jìn)行對(duì)比并預(yù)測(cè)，最后得出的結(jié)果。該模型由多個(gè)自變量的最優(yōu)組合來(lái)共同估計(jì)因變量，使運(yùn)算分析結(jié)果更有效，更符合實(shí)際。

3 外觀(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

便攜式溫棚數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)外觀(guān)結(jié)構(gòu)由箱體、操作面板和伸縮支架三部分組成。箱體主要使用3D打印技術(shù)制作，采用合頁(yè)卡扣連接，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、輕便小巧，極大程度保護(hù)元器件。箱體展開(kāi)時(shí)，方便儀器測(cè)量；箱體閉合時(shí)，體積小巧，便于攜帶。操作面板采用左右兩頁(yè)分離式設(shè)計(jì)，在操作過(guò)程中互不干擾。伸縮支架可拆卸，相互獨(dú)立，占地面積小，方便工作者安裝攜帶。外觀(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 外觀(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

便攜式溫棚數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)除手握和懸掛外，還可以用支架連接安裝，在支架上端加入自由旋轉(zhuǎn)自鎖式平臺(tái)，可以保證箱體可以自由調(diào)整角度，在自鎖之后，可以固定調(diào)整角度。在可伸縮拉桿下端加入三角穩(wěn)定支架，從而極大程度可以保證箱體的穩(wěn)定性。并且加入防滑腳墊和磁吸式自合機(jī)構(gòu)，極大程度解放雙手。

便攜式溫棚數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)外觀(guān)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，有較高的實(shí)用性。分模塊化設(shè)計(jì)，且解決了傳統(tǒng)溫棚數(shù)據(jù)監(jiān)控機(jī)構(gòu)的體積大、安裝難的問(wèn)題。進(jìn)一步使溫棚數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到真正普及，為助力現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展提出了一種新的構(gòu)想。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)從便攜式溫棚數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)入手，綜合分析其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可移植性，并通過(guò)建模和渲染實(shí)現(xiàn)了便攜式溫棚數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最終設(shè)計(jì)。完成了基于單片機(jī)的溫棚數(shù)據(jù)管理監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)便攜性的設(shè)計(jì)。進(jìn)一步使溫棚數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以得到真正普及，為助力現(xiàn)代農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提出了一種新的構(gòu)想。