李 雪， 楊延寧， 鄒 彬

(1.延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安 716000； 2.陜西省能源大數(shù)據(jù)智能處理省市共建重點實驗室，陜西 延安 716000)

0 引 言

中國西北黃土高原產(chǎn)區(qū)土層深厚、晝夜溫差大，是最佳的蘋果生產(chǎn)地帶。但西北地區(qū)早春回暖過早，果樹提前進(jìn)入花期，而此時氣溫正好處在霜凍線附近甚至更低，突如其來的“倒春寒”天氣有時溫度下降幅度達(dá)10 ℃以上，對花期幼果構(gòu)成嚴(yán)重威脅，使果樹花芽變色、枯萎。2018年4月上旬，陜西、山西、寧夏、甘肅等幾大蘋果產(chǎn)區(qū)發(fā)生特大霜凍災(zāi)害，溫度低至-2～-7 ℃，是近十幾年最罕見的極端天氣，造成大面積減產(chǎn)甚至絕收。其中，陜西延安平均減產(chǎn)高達(dá)>70 %左右，對當(dāng)?shù)靥O果產(chǎn)區(qū)造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[1]。

目前，防霜機(jī)和煙熏法的防護(hù)效果最佳[2]，但防霜機(jī)設(shè)備價格高昂，難以推廣應(yīng)用，尤其針對一些中小型果園，由于霜凍常發(fā)生在后半夜，煙熏法不僅會造成人力浪費(fèi)和環(huán)境污染，還可能引發(fā)明火，存在很大安全隱患。本文開發(fā)了一種低成本、安全環(huán)保的蘋果防霜凍放熱反應(yīng)控制系統(tǒng)，可有效降低霜凍危害，反應(yīng)產(chǎn)物還可用于污水處理和土壤改善。

1 總方案設(shè)計

設(shè)計閉環(huán)反饋系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、分析處理、驅(qū)動放熱和控制顯示4部分組成，DS18B20傳感器用于獲取果園溫度信息，當(dāng)微處理器檢測到當(dāng)前溫度低于預(yù)設(shè)值時，通過啟動比例—積分—微分(PID)控制器來改變脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)占空比[3]，驅(qū)動水泵工作并利用占空比調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速與流量，實現(xiàn)對生石灰和水放熱反應(yīng)程度的精確控制，使果園溫度維持在預(yù)設(shè)值附近，OLED對整個系統(tǒng)的控制效果進(jìn)行實時顯示。系統(tǒng)總原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總原理框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控電路設(shè)計

系統(tǒng)應(yīng)用于戶外工作，選用STM32F103C8T6微處理器作為系統(tǒng)主控單元[4]。其采用3.3 V供電系統(tǒng)，可實現(xiàn)系統(tǒng)低功耗設(shè)計要求，同時還具有處理速度高、存儲空間大等優(yōu)點。引腳1,7,17,20接到電源正極，引腳11,16,19接地，PA2為溫度數(shù)據(jù)輸入接口，PA0,PA1分別連接OLED顯示器時鐘線和數(shù)據(jù)線，PB5為PWM輸出接口，PB15，PA8用于配置水泵電機(jī)驅(qū)動模式。STM32F103C8T6最小系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 STM32F103C8T6最小系統(tǒng)電路

2.2 溫度采集電路設(shè)計

選取果園局部區(qū)域作為實驗對象，放熱反應(yīng)產(chǎn)生的熱量以該區(qū)域中心為圓心向周圍散射，利用DS18B20傳感器采集圓周上距離相等的4點處溫度，處理器對傳感器采集到的溫度信號進(jìn)行分析處理，并取最小值作為果園實測值送入PID控制器參與運(yùn)算。DS18B20使用1—Wire協(xié)議與微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，多點組網(wǎng)溫度采集時需將每個器件的數(shù)據(jù)引腳DQ連接在一起[5]，該傳感器硬件設(shè)計簡單，穩(wěn)定性高，適合環(huán)境惡劣的戶外工作。組網(wǎng)溫度采集電路圖如圖3所示。

圖3 組網(wǎng)溫度采集電路

2.3 水泵驅(qū)動電路設(shè)計

選用L298N模塊來驅(qū)動5 V水泵電機(jī)，其作為直流電機(jī)等感性負(fù)載的專用驅(qū)動模塊，內(nèi)部電路操作簡單，與主控電路連接方便[6]。本系統(tǒng)僅需操作一路水泵電機(jī)，因此,只選用ENA作為PWM輸入端口來使能L298N，控制水泵停轉(zhuǎn)，使能端口默認(rèn)低電平有效。IN1,IN2接輸入控制電平，控制水泵轉(zhuǎn)向，VCC給內(nèi)部邏輯電路供電，OUT1,OUT2用來連接直流水泵。水泵驅(qū)動電路原理如圖4所示。

圖4 水泵驅(qū)動電路

2.4 顯示電路設(shè)計

系統(tǒng)采用0.96 in(1in=2.54 cm)OLED液晶顯示器來實時顯示預(yù)設(shè)溫度和果園實際溫度，可直觀顯示系統(tǒng)控制效果。顯示器具備自發(fā)光特性，不需背光源，只有在驅(qū)動程序和連線正確的情況下才會被點亮，降低了系統(tǒng)功耗。顯示器和微處理器之間通過I2C協(xié)議進(jìn)行通信，SCL,SDA分別作為I2C時鐘線和數(shù)據(jù)線接口，連接端口設(shè)計簡單[7]。模塊工作溫度范圍廣，低溫下工作也不會影響其性能，符合系統(tǒng)設(shè)計要求。

2.5 電源模塊設(shè)計

考慮到黃土高原地區(qū)日照時間長，自然資源充足，系統(tǒng)最終采取太陽能供電方式，解決了市電供給引起的線路復(fù)雜、能量傳輸功耗大等問題[8]。同時考慮到陰天或夜間電能轉(zhuǎn)換能力降低，因此選用18 650鋰電池來存儲電量，其額定工作電壓為3.7 V，通過鋰電池專用充電芯片TP4056對其進(jìn)行充電，當(dāng)電壓達(dá)到4.2 V時立即停止充電，擁有充電與保護(hù)一體化功能。放電時采用超低壓差穩(wěn)壓器AMS1117-3.3，便可得到3.3 V的穩(wěn)定輸出電壓，用于系統(tǒng)供電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 PID控制算法

系統(tǒng)采用MDK5作為其軟件開發(fā)環(huán)境，編程語言采用C語言。結(jié)合PID算法對系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制，較直接控制，降低了系統(tǒng)功耗，增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性，通過將比例、積分、微分三種控制方式結(jié)合起來實現(xiàn)對整個放熱過程的精確控制。PID算法控制原理框圖如圖5所示。

圖5 PID算法控制原理框圖

PID算法控制模擬微分方程如下

(1)

式中u(t)為PID控制器輸出，Kp為比例系數(shù),Ti為積分時間常數(shù)，Td為微分時間常數(shù)，e(t)為預(yù)設(shè)值和實測值的偏差，在實際操作中，需將式(1)進(jìn)行離散化處理才可用于編程實現(xiàn)[9]，得到的離散化差分方程如式(2)所示

(2)

式中T為采樣周期，k為離散自變量，式(2)每次輸出都需考慮曾經(jīng)發(fā)生過的狀態(tài)且需要對各時刻偏差值進(jìn)行累加，運(yùn)算量大，為減小運(yùn)算工作量，加快系統(tǒng)響應(yīng)，選用增量式PID算法進(jìn)行控制[10,11]，將式(2)與這兩個相鄰時刻的輸出相減得到的增量式輸出表達(dá)式如式(3)所示

Δu(k)=Kp(e(k)-e(k-1))+Kie(k)+

Kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))

(3)

式中Ki為積分系數(shù)，Kd為微分系數(shù)，通過增量式輸出來更新PWM占空比，最終實現(xiàn)調(diào)節(jié)果園溫度的目的。

3.2 主程序設(shè)計

系統(tǒng)上電后，首先對IO口、定時器狀態(tài)和液晶顯示器進(jìn)行初始化，溫度傳感器采集果園溫度，當(dāng)處理器檢測到測量溫度低于預(yù)設(shè)值時，調(diào)用PID控制子程序，通過改變PWM占空比來調(diào)節(jié)直流水泵轉(zhuǎn)速及流量，控制放熱反應(yīng)程度。系統(tǒng)主程序流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)主程序流程

3.3 溫度采集子程序設(shè)計

DS18B20使用1—Wire協(xié)議與微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。溫度讀取時對信號時序有嚴(yán)格要求，待傳感器初始化完成后，系統(tǒng)首先判斷總線上有無DS18B20器件，若無，則返回一個錯誤值;反之，則進(jìn)行溫度讀取操作。由于采取多點采集方式，為區(qū)分具體操作對象，需對DS18B20內(nèi)部的64位ROM序列號進(jìn)行匹配后，再發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令，待主機(jī)發(fā)送復(fù)位命令后，再次進(jìn)行器件序列號匹配，最后才發(fā)送讀數(shù)據(jù)寄存器指令，微處理器每隔100 ms讀取一次果園溫度數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)測試方案

基于系統(tǒng)的設(shè)計方案完成了樣機(jī)制作，在完成系統(tǒng)軟硬件功能調(diào)試后，選擇延安市寶塔區(qū)川口鄉(xiāng)的小李渠村果園作為樣機(jī)實驗地點。延安地區(qū)霜凍一般發(fā)生在4月中旬至5月初，因此選擇在此時間段內(nèi)進(jìn)行PID控制算法的最佳參數(shù)整定和系統(tǒng)的性能測試工作。

4.1 測試設(shè)備與材料

防霜凍系統(tǒng)樣機(jī)、5 V直流水泵、秒表、塊狀生石灰、水、催化劑、反應(yīng)槽。

4.2 具體實施方案

果園蘋果樹間隔平均為2 m，為克服地勢、風(fēng)向等環(huán)境因素帶來的影響，以4 m×4 m的正方形區(qū)域作為單個裝置熱量可以輻射的最大范圍，將防霜凍樣機(jī)放置在中心果樹下方，正方形區(qū)域4個頂點位置處的果樹下分別安裝1只溫度傳感器，將4點處采集到的最小溫度值作為果園實測溫度送入PID控制器參與運(yùn)算，以此確保該區(qū)域內(nèi)每一點的溫度都能達(dá)到預(yù)設(shè)溫度要求。

5 測試結(jié)果與分析

首先通過實驗來確定最佳控制參數(shù)，果樹花期凍害臨界溫度為-2 ℃，因此，選擇在果園溫度下降到0 ℃時展開測試，預(yù)設(shè)溫度設(shè)置為4 ℃。PID參數(shù)調(diào)節(jié)控制效果如表1所示。

在實驗中，通過使用控制變量法對參數(shù)逐個進(jìn)行調(diào)試，最終整定的最佳參數(shù)為Kp=20，Ki=1，Kd=1，此時系統(tǒng)僅有少量超調(diào)，能快速達(dá)到預(yù)設(shè)溫度要求并保持穩(wěn)定狀態(tài)。在完成參數(shù)整定后，還對系統(tǒng)性能進(jìn)行了測試，每隔2 s讀取一次溫度數(shù)據(jù)，測試結(jié)果如圖7所示。

表1 PID參數(shù)調(diào)節(jié)控制效果

圖7 系統(tǒng)性能測試結(jié)果

通過實驗結(jié)果可知，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時間約為36 s，穩(wěn)態(tài)誤差為僅為0.11 ℃，最大相對誤差為14.5 %，基本可以達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計要求。

6 結(jié) 論

通過結(jié)合PID算法達(dá)到了對果園溫度的精確控制，同時，多點溫度采集的布局方式使得系統(tǒng)設(shè)計更加科學(xué)、合理。實驗結(jié)果表明：該控制系統(tǒng)具有響應(yīng)快、運(yùn)行穩(wěn)定、成本低、防護(hù)效果明顯等特點，極大減小了霜凍災(zāi)害損失，基本達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計要求，在果園災(zāi)害防護(hù)方面具有很強(qiáng)的應(yīng)用價值，還可推廣至蔬菜等農(nóng)作物防護(hù)領(lǐng)域。