基于灰色預(yù)測的溫室大棚智能控制系統(tǒng)研究

陳磊 許燕 李建軍 魏正英 周建平

摘要：發(fā)展自動化與智能化的溫室大棚智能控制系統(tǒng)，對溫室大棚內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，不但能節(jié)省人力物力，提高作物產(chǎn)量，而且也是應(yīng)對水資源短缺和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必然選擇。通過采集溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度、光照、CO2濃度等溫室大棚數(shù)據(jù)，結(jié)合ZigBee和GPRS技術(shù)研發(fā)了一種遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了灰色預(yù)測策略，實(shí)現(xiàn)了無人值守的智能及遠(yuǎn)程監(jiān)控。結(jié)果表明，該系統(tǒng)魯棒性高，智能控制快，具有較高的應(yīng)用推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：ZigBee；GPRS；灰色預(yù)測策略；遠(yuǎn)程監(jiān)控

中圖分類號： S126；TP273文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

文章編號：1002-1302（2016）08-0428-04

高性能的溫室大棚控制系統(tǒng)應(yīng)適時(shí)適量地進(jìn)行科學(xué)灌溉，用較少的水取得較高的產(chǎn)出效益，可緩解我國水資源不足，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增效、農(nóng)民增收[1]。我國的溫室大棚種植面積已居世界第一，但自動化、智能化程度與發(fā)達(dá)國家相比有很大的差距[2]?，F(xiàn)階段新疆地區(qū)的溫室灌溉控制很多采用手動控制，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，浪費(fèi)水資源[3]。研制經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定和高效的溫室大棚智能控制系統(tǒng)對當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)發(fā)展有著重要的意義[CM（25]。本系統(tǒng)通過對溫室大棚內(nèi)的作物信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，結(jié)[CM）][LL]合ZigBee和GPRS技術(shù)、農(nóng)業(yè)專家知識庫及模糊控制策略可實(shí)現(xiàn)智能化遠(yuǎn)程控制。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由上位機(jī)服務(wù)器、ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)、信息采集單元、命令執(zhí)行單元、模糊灌溉控制策略、農(nóng)業(yè)專家知識庫、GPRS數(shù)傳模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)控端組成，系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。

系統(tǒng)采用傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)分別對ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和智能灌溉控制系統(tǒng)監(jiān)控平臺進(jìn)行了開發(fā)，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)借助部署于溫室的各個檢測器獲農(nóng)情信息，采用無線模塊將數(shù)據(jù)包無線發(fā)送至系統(tǒng)監(jiān)控平臺，經(jīng)過系統(tǒng)監(jiān)控平臺的數(shù)據(jù)處理、分析、智能診斷和灌溉決策，發(fā)出相應(yīng)的控制命令，實(shí)現(xiàn)對灌溉設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。用戶也可借助于GPRS數(shù)傳模塊通過手機(jī)軟件、電腦客戶端等遠(yuǎn)程查看、控制現(xiàn)場設(shè)備。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件主要由ARM11中央控制模塊、ZigBee無線模塊、GPRS數(shù)傳模塊、土壤及空氣溫度采集模塊、CO2檢測器等構(gòu)成。

2.1通信節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)及GPRS數(shù)傳模塊構(gòu)成無線通信系統(tǒng)。系統(tǒng)采用美國德州儀器生產(chǎn)的CC2530芯片，其內(nèi)部是1個單周期的8051單片機(jī)兼容內(nèi)核，采用標(biāo)準(zhǔn)的QFN封裝，集微處理器、內(nèi)存和無線電模塊于一體，可編程輸出功能典型值為+4.5 dBm，通過直接連接天線實(shí)現(xiàn)MCU與其他無線設(shè)備之間的通信。內(nèi)核電流最大損耗為33.5 mA，外設(shè)電流最大損耗為90 μA，在睡眠模式下的損耗僅為0.4 μA，CC2530不同運(yùn)行模式的超低功耗性能，有利于延長供電電源的使用壽命[4]。

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)際上是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，主要由監(jiān)控節(jié)點(diǎn)、中央控制器所組成，各個節(jié)點(diǎn)設(shè)備的硬件配置如圖2、圖3所示。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)對溫室大棚內(nèi)的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)獲取和信息的無線發(fā)送，并負(fù)責(zé)接收控制命令，實(shí)現(xiàn)對電磁閥和精量灌溉控制機(jī)等灌溉執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制；中央控制器是整個ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)組建和維護(hù)整個無線網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的匯總，發(fā)送灌溉控制命令。

ZigBee射頻通信電路主要用于數(shù)據(jù)的無線發(fā)送和接收，天線性能的好壞直接影響無線通信距離的遠(yuǎn)近[5]。天線的輻射圖、帶寬、阻抗匹配、增益、尺寸大小和成本等參數(shù)都成為天線選型和設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。目前，國內(nèi)普遍的ZigBee開發(fā)板都采用的2.4 GHz的同軸電纜天線——非平衡天線，在 2.4 GHz（ISM）頻段上，綜合PCB天線、芯片和鞭狀天線的各項(xiàng)性能和溫室大棚環(huán)境因素，系統(tǒng)選用鞭狀天線，該天線屬于單端天線，又稱不平衡天線，向各個方向的輻射性能近似相同。射頻電路如圖4所示。

2.3土壤溫濕度檢測器

傳感器的作用主要用于將大棚土壤的溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)的變化轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)放大器放大、ADC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，進(jìn)而獲取參數(shù)具體值?？紤]到CC2530芯片自帶的A/D轉(zhuǎn)換器輸入的模擬量是電壓信號，參考電壓為3.3 V，而通用傳感器輸出的電信號是4～20 mA的電流信號，因此為實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)[CM（25]換功能，在信號輸入的前端配置了150 Ω排電阻將電流信[CM）]

號轉(zhuǎn)化為電壓信號，使得輸出的模擬電壓都在0～3.3 V之內(nèi)，這樣不需外加專用的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，既節(jié)省了成本，又遵循了在射頻通信電路中盡可能少布置模擬電路的原則[6]。本系統(tǒng)采用ADC0809芯片可保證傳感器每次測量誤差盡可能小，程序中取10次傳感器數(shù)據(jù)采樣的平均值作為1次數(shù)據(jù)采集值。

3服務(wù)器監(jiān)控平臺設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用飛凌公司的ARM11-OK6410作為服務(wù)器控制平臺，以嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)，在源系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行U-boot移植、內(nèi)核裁剪、制作根文件系統(tǒng)、加載驅(qū)動文件等操作[7]，使系統(tǒng)在運(yùn)行過程中具有較高的工作效率。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

3.1通信協(xié)議設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用奇趣科技公司的QT開發(fā)軟件對ARM開發(fā)板上的應(yīng)用程序進(jìn)行圖形化設(shè)計(jì)，通過Eclipse開發(fā)工具研制的手機(jī)APP軟件與ARM上的網(wǎng)關(guān)以數(shù)據(jù)通信協(xié)議與現(xiàn)場服務(wù)器進(jìn)行無線通訊?，F(xiàn)場ZigBee節(jié)點(diǎn)與中央控制器進(jìn)行通信的流程如圖6所示。

本數(shù)據(jù)協(xié)議包括數(shù)據(jù)的格式、順序和速率，數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_認(rèn)或拒收，差錯檢測，重傳控制和詢問等，能保證數(shù)據(jù)通信網(wǎng)中通信雙方能有效、可靠通信。系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小和傳輸速率低，采用基本型通信控制協(xié)議[8]，針對具體的功能要求設(shè)計(jì)了表1的數(shù)據(jù)通信格式，便于對無線數(shù)據(jù)信息的校對和處理。

3.2數(shù)據(jù)采集單元工作原理

系統(tǒng)在上電后，進(jìn)行串口和定時(shí)器的初始化。根據(jù)采集的間隔時(shí)間，設(shè)置相應(yīng)的定時(shí)器初值并啟動定時(shí)器。進(jìn)入定時(shí)器溢出中斷后，開始A/D初始化，選擇通道并啟動A/D轉(zhuǎn)換。等待轉(zhuǎn)換完成后，將數(shù)據(jù)傳給CC2530，CC2530通過多次采樣求平均值來減小誤差，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，接著無線發(fā)送到中央控制器，其他通道亦是如此，直到所有通道完成A/D轉(zhuǎn)換。全部轉(zhuǎn)換完畢，再次設(shè)定初值，循環(huán)往復(fù)的采集數(shù)據(jù)發(fā)送給中央控制器。

3.3灰色預(yù)測智能控制策略

灰色預(yù)測控制將灰色預(yù)測理論和控制理論相結(jié)合形成一種新型的控制方法，灰色預(yù)測控制通過已知的行為數(shù)據(jù)序列尋找系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)律，進(jìn)而根據(jù)規(guī)律對系統(tǒng)的未來行為進(jìn)行預(yù)測，并按系統(tǒng)預(yù)測的未來行為確定相應(yīng)的控制決策進(jìn)行預(yù)控制?；疑A(yù)測控制只需要很少的系統(tǒng)原始信息參數(shù)數(shù)據(jù)，通過建立灰色預(yù)測模型來精確控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)通過對土壤墑情及空氣信息進(jìn)行采集，通過灰色預(yù)測算法可使灌溉水得到有效利用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)水。

本系統(tǒng)通過采集土壤墑情信息，建立水開度的灰色模型，本模型是由1組灰色微分方程組成的動態(tài)模型，記為GM（n，h），其中：n為微分方程的階數(shù)，h為變量個數(shù)。系統(tǒng)采用灰色模型中應(yīng)用最廣泛的GM（1，1）模型[9]，即控制系統(tǒng)的反饋信號是由管道水流量q為變量的一階模型決定的，具體建模過程如下。

設(shè)由傳感器檢測到的當(dāng)前水路流量數(shù)據(jù)行向量為：

在灌溉控制系統(tǒng)中，為了能夠更加精確地控制水路流量，往往需要預(yù)測很多步的水路流量信息。將式（13）中的k+m時(shí)刻的水路流量預(yù)測值作為控制系統(tǒng)的比對信號，當(dāng)模型的精度低時(shí)，減小預(yù)測值在系統(tǒng)控制回路中的作用，當(dāng)模型的精度高時(shí)，增大預(yù)測值在系統(tǒng)控制回路中的作用，這樣就可以減小預(yù)測所帶來的誤差對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，從而提高控制的精確性。

3.4灰色預(yù)測智能控制工作原理

系統(tǒng)將采集到的信息通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至系統(tǒng)的監(jiān)控平臺中，系統(tǒng)的灰色預(yù)測智能控制策略將采集到的信息進(jìn)行分解、處理、保存，并下發(fā)相關(guān)的控制命令，從而實(shí)現(xiàn)智能化控制。灰色預(yù)測智能控制器的工作流程如圖7所示。

4遠(yuǎn)程用戶控制軟件

由于溫室大棚內(nèi)具有較高溫度、濕度，農(nóng)民若高頻率地對電磁閥進(jìn)行現(xiàn)場控制，常年累月容易患關(guān)節(jié)炎等疾病。因此研制出借助GSM網(wǎng)絡(luò)和Android系統(tǒng)的手機(jī)軟件來控制現(xiàn)場設(shè)備有效地解決了上述難題。本系統(tǒng)在每塊園區(qū)都安裝有命令執(zhí)行器，可對不同大棚內(nèi)的水量、肥量電磁閥進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。同時(shí)ARM監(jiān)控平臺把實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)保存在SD卡中，用戶可實(shí)時(shí)查看6個月內(nèi)的各溫室大棚作物信息及電磁閥、通氣天窗、熱風(fēng)爐、卷簾機(jī)、施肥器的控制信息（圖8）。

5結(jié)論

本研究針對新疆農(nóng)業(yè)溫室大棚灌溉自動化程度低、不能按需灌溉、水肥不能同時(shí)施加以及大棚內(nèi)設(shè)備控制等問題，設(shè)計(jì)開發(fā)了灰色預(yù)測智能控制系統(tǒng)，研究了系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)采集模塊、控制策略和控制方式、網(wǎng)絡(luò)通信。然后以ARM和單片機(jī)為控制核心，開發(fā)了系統(tǒng)的軟件、硬件，并對主要功能模塊的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了深入研究，最終確定了控制系統(tǒng)方案，并對系統(tǒng)功能進(jìn)行了軟件、硬件聯(lián)合調(diào)試和現(xiàn)場測試，可以實(shí)現(xiàn)對水肥比例的精確控制，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

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