大棚花卉種植智能輔助決策支持系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)*

黃 俠，吳 艦，吳 楠

（貴州師范大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，貴陽 550001）

由于花卉種類繁多，在花的成長(zhǎng)培育中溫度、濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳的濃度等都對(duì)其生產(chǎn)有著重要影響，在一年四季中有些花卉在春天季節(jié)盛開在秋天凋謝，有的甚至冬天盛開在春天凋謝。各種花卉對(duì)溫室溫度的要求不一樣，一般可以分為冷室溫室花卉、低溫溫室花卉、中溫花卉和高溫溫室花卉[1]。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，溫室能夠通過人工控制環(huán)境因素，滿足植物的最佳生長(zhǎng)條件使得生長(zhǎng)環(huán)境得到優(yōu)化，合適的溫度場(chǎng)分布可以提高作物產(chǎn)量，但溫室環(huán)境系統(tǒng)由于自身的復(fù)雜性，各環(huán)境因子間又相互影響，傳統(tǒng)的控制很難達(dá)到滿意的控制效果。

該文是針對(duì)大棚花卉種植的溫度智能模糊控制的研究，由于控制對(duì)象的復(fù)雜性無法給出確切的數(shù)學(xué)模型[2]，智能模糊控制的魯棒性強(qiáng)，恰恰對(duì)此可以達(dá)到滿意的效果，運(yùn)用農(nóng)業(yè)信息專家?guī)欤梢詫?duì)溫度進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，對(duì)花卉的種植進(jìn)行溫室培養(yǎng)，使得花卉的生長(zhǎng)環(huán)境得到優(yōu)化，減少因天氣季節(jié)變化而造成的損失，提高種植效率和質(zhì)量。

1 模糊控制系統(tǒng)

1.1 模糊控制系統(tǒng)的基本原理

模糊控制系統(tǒng)是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的控制比較就是多加利用模糊集合理論，把人的模糊控制策略轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)所能接受的控制算法，進(jìn)而實(shí)施控制的具有反饋通道、閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng)[3]。它能夠模擬人的思維方式，對(duì)無法構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)可以進(jìn)行有效的描述和控制。

模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊控制器，是數(shù)字信號(hào)經(jīng)過模糊化變成模糊量，再送入含有模糊規(guī)則的模糊推理模塊中，再經(jīng)過近似推理得到結(jié)論也就是模糊集合，然后被清晰化模塊變成清晰量，再輸出到下一級(jí)去調(diào)節(jié)被控對(duì)象。

模糊控制器有3個(gè)核心部分組成：模糊化模塊，模糊近似推理模塊，清晰化模塊。

1.2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

控制器是雙輸入單輸出的二維模糊控制器，其原理如圖1，輸入清晰量e和其變化率de/dt，Ke和Kec是量化因子，是輸入變量從基本論域變換到相應(yīng)模糊集的論域需要乘上的因子，經(jīng)隸函數(shù)模糊化后，輸入變量是大棚花卉的溫度偏差E和溫度偏差變化率EC，輸出變量為調(diào)整值U，Ku是比例因子，是輸出量從模糊集的論域變換到基本論域必須乘上的因子，u是清晰化值。

式中，E—溫度值的偏差；T—溫度值的測(cè)量值；T0—溫度值的設(shè)定值；EC—溫度偏差的變化率。

利用MATLAB中的FIS編輯器進(jìn)行設(shè)計(jì)一個(gè)雙輸入單輸出的Mamdani控制器[4]，其中清晰量輸入變量是e，ec，u；經(jīng)隸函數(shù)將其模糊化，其模糊集為E、EC、U；不同的系統(tǒng)選取不同的隸函數(shù)也不同，根據(jù)其實(shí)際情況，此系統(tǒng)選擇三角形隸函數(shù)。

圖1 二維模糊控制器原理

對(duì)基本論域模糊化的處理，一般花卉生長(zhǎng)的溫度e的基本論是在 [0，30]攝氏度，溫度偏差的基本論域?yàn)椋?5，+5］攝氏度，設(shè)二者對(duì)應(yīng)的模糊論域?yàn)椋?/p>

E 的論域 {-6， -5， -4， -3，-2，-1，0，1， 2，3， 4， 5， 6}；

EC 的論域 {-6， -5， -4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

其輸入語言變量選擇 {NL（負(fù)大），NM （負(fù)中），NS（負(fù)?。?，ZE （0），PS （正?。?， PM （正中）， PL （正大）}。

花卉溫度偏差E和溫度偏差變化率EC都采用相同的三角隸函數(shù)，其溫度偏差E和溫度偏差變化率的隸屬度函數(shù)如圖2。

圖2 溫度偏差隸函數(shù)和溫度偏差變化率隸函數(shù)

溫度調(diào)節(jié)輸出控制量u的基本論域?yàn)?［0，1，2，3］為4個(gè)等級(jí)，溫度調(diào)節(jié)輸出的模糊論域U為｛0，1，2，3，4｝，分別對(duì)4種溫度調(diào)節(jié)狀態(tài)：ZO （不加熱或者不通風(fēng)），PS（緩慢加熱或者緩慢通風(fēng)），PM （中等加熱或者中等通風(fēng)），PB（快速加熱或者快速通風(fēng)），輸出變量隸函數(shù)如圖3。

圖3 輸出變量隸函數(shù)

對(duì)近似模糊推理的設(shè)置，其實(shí)就是模糊規(guī)則的設(shè)計(jì)，模糊控制規(guī)則的建立就是其控制系統(tǒng)的核心，就是用操作者總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)來制定規(guī)則從而達(dá)到有效的控制[5]。輸入的模糊論域變量是 [-6，6]，E和EC的模糊語言值各設(shè)定為7個(gè)，輸出變量U是對(duì)應(yīng)4種等級(jí)，因此模糊語句就有49句語言規(guī)則。根據(jù)溫度偏差E和溫度偏差變化率EC，以及輸出變化量U，可知模糊語言描述如下：

依此類推共有49條控制語言規(guī)則，得出模糊關(guān)系后可以推理計(jì)算出U，其觀測(cè)圖如圖4。

對(duì)模糊清晰化的處理，就是對(duì)輸出模糊量U的清晰化，經(jīng)模糊化的輸入量得出的輸出結(jié)果是模糊量，是不能直接用來產(chǎn)生實(shí)際行動(dòng)的，需要解模糊清晰化處理，一般使用最大隸屬度方法進(jìn)行決策，將模糊的輸出變量變?yōu)榫_的執(zhí)行動(dòng)作，達(dá)到精細(xì)的溫度控制。

圖4 輸出變量三維曲面觀測(cè)

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)有上位機(jī)和下位機(jī)，下位機(jī)的主要部分是大棚溫度采集系統(tǒng)，主要是用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、顯示及決策分析[6]。系統(tǒng)的下位機(jī)主要負(fù)責(zé)溫度信號(hào)的采集及與上位機(jī)信息的交換，ZigBee花卉大棚數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器COORDINATOR、路由器ROUTER和多個(gè)RFD節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)置在管理中心，負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)，并顯示當(dāng)前整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的狀況并把收到的數(shù)據(jù)通過RS232串口上傳給計(jì)算機(jī)[7]。而RFD節(jié)點(diǎn)分布在監(jiān)測(cè)地點(diǎn)，負(fù)責(zé)采集溫度值等數(shù)據(jù)，然后發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，ZigBee花卉大棚數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖如圖5。

圖5 ZigBee花卉大棚數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理

下位機(jī)的核心就是溫度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)RFD。溫度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)RFD，由一個(gè)CC2430模塊、溫度傳感器盛世瑞恩DB171-10探頭和電池構(gòu)成，因?yàn)槭菬o線探測(cè)需要配備電池電源。當(dāng)每個(gè)RFD節(jié)點(diǎn)被初始化為無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的溫度探測(cè)終端設(shè)備時(shí)，RFD節(jié)點(diǎn)可檢測(cè)自己所處的溫度等數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，采集的溫度數(shù)據(jù)與設(shè)定值的溫度進(jìn)行比較，經(jīng)模糊算法分析發(fā)信號(hào)給執(zhí)行器進(jìn)行溫度的調(diào)節(jié)。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

運(yùn)用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線傳感器組成的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)的通信及參數(shù)值的監(jiān)測(cè)。數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)需要用監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的溫度傳感器來感測(cè)溫度信息，采集后是否到底設(shè)定的溫度，通過模糊算法進(jìn)行決策調(diào)節(jié)，其控制溫度的程序流程圖如圖6。

圖6 控制程序的流程

該系統(tǒng)的上位機(jī)采用VB程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)無線通信采集溫度數(shù)據(jù)，登入大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)入相應(yīng)監(jiān)測(cè)界面，選擇相應(yīng)的串口和波特率，設(shè)置對(duì)應(yīng)參數(shù)上、下限值，點(diǎn)擊記錄就可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)與記錄、報(bào)警等功能[8]。在花卉實(shí)驗(yàn)的溫度探測(cè)中，上位機(jī)監(jiān)測(cè)到的溫度數(shù)據(jù)如圖7，及可以數(shù)據(jù)查詢?nèi)鐖D8，根據(jù)其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可對(duì)其花卉的生長(zhǎng)的適宜溫度進(jìn)行決策判斷，從而進(jìn)行溫度的調(diào)節(jié)達(dá)到設(shè)定溫度。

圖7 上位機(jī)程序監(jiān)測(cè)界面

圖8 數(shù)據(jù)查詢

4 結(jié)束語

該文論述的大棚花卉種植的關(guān)鍵技術(shù)研究是對(duì)溫室模糊智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，對(duì)無法建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型用模糊算法使溫室環(huán)境滿足作物對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的要求，在大棚花卉的無線傳感網(wǎng)絡(luò)溫度采集探測(cè)實(shí)驗(yàn)中，此系統(tǒng)溫室模糊控制系統(tǒng)具有很好的溫度控制能力，超調(diào)小，響應(yīng)快，出錯(cuò)少，魯棒性強(qiáng)，無線探測(cè)更具有低能耗，多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，適應(yīng)多動(dòng)態(tài)環(huán)境的特點(diǎn)，也解決了有線布線的難度問題。

[1]朱衛(wèi)華，黃智偉．基于無線數(shù)字溫度傳感器的多點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)．工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2003，16(6):57～58

[2]何小映，杜永平．一種溫度無線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì).現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，(15):119～120

[3]曾光奇，胡均安.模糊控制理論與工程應(yīng)用.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006

[4] 朱旭光，劉建輝.農(nóng)業(yè)大棚的溫濕度控制系統(tǒng).自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2005，24（2） :45～47

[5]石辛民，郝整清.模糊控制及其MATLAB仿真.北京：清華大學(xué)出版社，2010

[6]肖燕.基于 ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究.湖南農(nóng)機(jī)，2014，1

[7] 鄧中華.基于ZigBee的無線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì).計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2011，1

[8]李建飛，王煒.基于ZigBee多節(jié)點(diǎn)無線溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì).儀器儀表用戶，2012，1