基于溫濕度模型的溫室溫濕度智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計

關(guān) 靜，胡圣堯

(1．江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室，江蘇鎮(zhèn)江212013;2．常州工學(xué)院電氣與光電工程學(xué)院，江蘇常州213002)

近年來，國內(nèi)外的設(shè)施農(nóng)業(yè)在快速發(fā)展。多數(shù)國家的設(shè)施農(nóng)業(yè)以溫室為主，荷蘭、日本、以色列等國家的設(shè)施農(nóng)業(yè)非常先進。其設(shè)施設(shè)備的標準化程度，設(shè)施綜合環(huán)境調(diào)控及農(nóng)業(yè)機械化水平，均居世界領(lǐng)先水平。我國于20世紀80年代提出設(shè)施農(nóng)業(yè)的概念，溫室在我國發(fā)展迅速，栽培面積超過380萬hm2［1］。雖然我國栽培面積巨大，但是我國的溫室在環(huán)境調(diào)控水平方面與發(fā)達國家相比仍有較大的差距。關(guān)于溫室的溫濕度調(diào)節(jié)，很多學(xué)者從溫濕度模型和控制算法兩方面展開了卓有成效的研究。

1 溫室溫濕度模型

國外針對溫室溫濕度的研究主要為1971年Takakura T．建立了一個比較完善的單層玻璃的溫室模型，但Benli認為其通用性比較差［2］。CBAKOS等研究了溫室環(huán)境變化與溫室通風(fēng)之間的關(guān)系，并建立了關(guān)系模型［3］。Ozgener等研究了溫室濕度與溫室內(nèi)作物蒸發(fā)量的關(guān)系，并建立了預(yù)測和優(yōu)化模型［4］。Tap RF使用溫室內(nèi)溫度、溫室內(nèi)土壤溫度、溫室內(nèi)二氧化碳濃度、溫室內(nèi)濕度和加熱管的溫度建立了5個一階微分方程全面描述了溫室環(huán)境的變化規(guī)律［5］。

在國內(nèi)，范云翔等建立了溫室內(nèi)溫度、濕度和光照與溫室內(nèi)水汽量消耗之間的模型關(guān)系［6］。張立彬等根據(jù)溫室內(nèi)的能量熱平衡關(guān)系，研究了溫室小氣候環(huán)境的動態(tài)模型［7］。楊其長等研究了溫室系統(tǒng)中的環(huán)境因子，針對溫濕度調(diào)節(jié)和節(jié)能性，研究了溫室內(nèi)的熱平衡關(guān)系式，建立溫室內(nèi)熱平衡模型［8］。馬萬征等研究了Venlo型聯(lián)棟玻璃溫室溫濕度動態(tài)模型，并進行了黃瓜的栽培試驗，被驗證模型參數(shù)與實測參數(shù)吻合度非常高［9］。

該研究試驗在江蘇大學(xué)Venlo型玻璃溫室內(nèi)進行，在Tap RF的溫室模型［5］和馬萬征等Venlo型溫室的溫濕模型［9］的基礎(chǔ)上，從溫室環(huán)境控制角度對上述2種模型進行了整合與修改，修改后的溫濕度模型如下:

(1)溫度模型。

式中，Tin為溫室內(nèi)的溫度;Tout為溫室外的溫度;V為溫室的體積;ρ為空氣密度(1．2 kg/m3);Cρ為溫室內(nèi)氣體定容比熱(1．005 J/kg·℃);K為太陽能輻射能被溫室空氣吸收的傳熱系數(shù);hc為溫室覆蓋層與溫室內(nèi)氣體的對流換熱系數(shù);Ac為溫室覆蓋層的面積(m2);λE為作物蒸發(fā)潛能速率(m/s);Vin為溫室內(nèi)自然通風(fēng)率(m3/s);Qrad為投在溫室覆蓋層的太陽輻射(W/m2);Qheat為加熱器的加熱功率(W)。

(2)濕度模型。

式中，qin為室內(nèi)空氣絕對濕度;qout為室外空氣絕對濕度;V為溫室的體積;λE為作物蒸發(fā)潛能速率(m/s);Vin為溫室內(nèi)自然通風(fēng)率(m3/s);Ac為溫室覆蓋層的面積(m2)。

2 控制算法

依據(jù)上述設(shè)計的Venlo型溫室的溫濕度模型進行溫度、濕度調(diào)節(jié)時可以明確調(diào)節(jié)設(shè)備及各個調(diào)節(jié)設(shè)備的調(diào)節(jié)效果。通過采集溫室內(nèi)部溫度、濕度作為反饋信號，控制溫室內(nèi)的通風(fēng)設(shè)備、遮陽設(shè)備、水簾設(shè)備、水暖設(shè)備、噴灑設(shè)備等溫濕度調(diào)控設(shè)備，實現(xiàn)溫室環(huán)境的智能控制。

溫室環(huán)境系統(tǒng)具有大時滯和多變量耦合的特征，針對這個特征采用模糊PID控制算法。PID控制算法原理表示為:

式中，e(t)為給定量與輸出量的偏差;c(t)為控制器輸出;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)。

設(shè)計PID控制算法首先需要確定Kp、TI、TD的值，即對PID控制器的參數(shù)整定。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。

根據(jù)微型溫室溫濕度控制模型，測量微型溫室實際環(huán)境，PID控制器參數(shù)整定的方法使用臨界比例法。整定步驟如下:①首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作;②僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期;③在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。

溫度PID控制的比例系數(shù)Kp取值范圍為0．2～0．6，積分時間常數(shù)TI取值范圍為180～600 s，微分時間常數(shù)TD取值范圍為300～900 s。濕度PID控制的比例系數(shù)Kp取值范圍為0．1 ～0．25，積分時間常數(shù) TI取值為240 ～900 s，微分時間常數(shù)TD取值范圍為300～1 200 s。

根據(jù)微型溫室溫濕度模型可知，影響微型溫室溫濕度的因素非常多，由于環(huán)境參數(shù)的多變性，在不同的階段，模型表達式的系數(shù)是時變的，不能精確表達微型溫室溫濕度控制系統(tǒng)。在這種情況下，溫度、濕度的PID控制參數(shù)不確定，通過模糊控制控制與PID控制相結(jié)合的方式，實現(xiàn)對微型溫室溫濕度的控制。

溫度控制范圍為［－2℃，2℃］，濕度控制范圍為［－10%，10%］，論域為{－2，－1，0，1，2}，相應(yīng)語言值為{負大，負小，零，正小，正大}。設(shè)溫度的比例系數(shù)為KWP，積分時間為TWI，微分時間為TWD;設(shè)濕度的比例系數(shù)KSP，積分時間為TSI，微分時間為TSD。各種參數(shù)設(shè)定值見表1。

表1 參數(shù)表達式

對于溫室的溫度，以溫度偏差ew和溫度偏差變化率ecw作為輸入，以△Kwp、△Twi、△Twd作為輸出。對于溫室的濕度，以濕度偏差es和濕度偏差變化率ecs作為輸入，以Ksp、Tsi、Tsd作為輸出，得到表 2 和表3。

3 硬件平臺

硬件系統(tǒng)由2部分組成，主控制器和無線溫濕度采集器。主控制器由微處理器最小電路、CC1101無線通信電路、CAN/RS485通信電路、繼電器驅(qū)動電路、電源電路、人機交互電路、電源幾個部分組成。主控制器的微處理器采用STM32F103C6，最高運行頻率高達72 MHz，內(nèi)置128 Kb的Flash存儲空間，20 KB的RAM，3路16位定時器，支持多個I2C、USART、SPI、CAN、USB2．0 通信接口。無線通信電路采用CC1101芯片，工作頻率為915 MHz，傳送數(shù)據(jù)幀長度為32個字節(jié)，溫室內(nèi)實測的有效傳輸距離為100 m。系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計了16路繼電器驅(qū)動電路可同時控制16路無源觸點信號，操控通風(fēng)、遮陽、水簾等設(shè)備。

表2 溫度模糊控制輸出

表3 濕度模糊控制輸出

無線溫濕度采集器包含電源、微處理器最小電路、溫濕度傳感器電路、CC1101無線通信電路。SHT15溫濕度傳感器，濕度為精度2%，濕度重復(fù)性為0．1%，溫度精度為0．3℃電路，溫度重復(fù)性為0．1 ℃，工作電壓為2．4 ～5．5 V，2 線制數(shù)字接口。CC1101無線通信電路與主控制器相同。

主控制器與無線溫濕度采集器之間采用自組網(wǎng)的通訊方式進行通信。

4 測試數(shù)據(jù)及結(jié)論

該研究實驗在江蘇大學(xué)Venlo型溫室內(nèi)完成。溫室內(nèi)配置一個主控制器和20個無線溫濕度采集器。測試時間為2015年04月24日，鎮(zhèn)江最高氣溫26℃，最低氣溫14℃，栽培作物為生菜。生菜喜冷涼氣候，忌高溫干旱，耐霜怕凍。生菜的最佳生長溫度為15～20℃，濕度為80%。該溫室內(nèi)濕度一直保持在80%以上。

溫室內(nèi)的溫濕度采集周期為30 min，設(shè)定的溫度曲線為前10 h為15℃，中間7 h為18℃，后7 h為16℃。溫室內(nèi)外的溫濕度曲線如圖1所示。

由于早晨溫度為14℃，偏低1℃，在設(shè)定的誤差范圍2℃之內(nèi)，不加熱升溫，到中午之后溫度偏高，且外部溫度也略偏高，采用窗口通風(fēng)和水簾組合降溫的方式。從圖1可以看出，溫度變化按照預(yù)期設(shè)置的曲線，誤差在設(shè)定的范圍內(nèi)，同時也驗證了模型是正確的。

［1］劉健．我國設(shè)施園藝工程存在的主要問題與對策［J］．現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，2006(1):38 －40．

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［5］TAP R F，VAN STRATEN G，VAN WILLIGENBURG L G．A dynamic model for the optimal control of greenhouse tomato crop production［D］．Wagenigen:Wagenigen Agriculture University，2000．

［6］范云翔，孫廷琮，楊子萬．智能型溫室環(huán)境控制器的研究開發(fā)［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，1997，13(5):34 －39．

［7］張立彬，胥芳，陳教料，等．玻璃溫室小氣候溫濕度動態(tài)模型的建立與仿真［J］．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2005，36(11):108 －111．

［8］楊其長，孟力力，BOT G A，等．日光溫室熱環(huán)境模擬模型的構(gòu)建［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25(1):164 －170．

［9］馬萬征，李忠芳，章芳定．Venlo型聯(lián)棟玻璃溫室溫濕度動態(tài)模型研究［J］．北方園藝，2012(17):49－51．