基于Fuzzy-PID和GPRS的溫室大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

付立華，龐展翔，王建斌，劉璐瑤

(河南工程學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

基于Fuzzy-PID和GPRS的溫室大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

付立華，龐展翔，王建斌，劉璐瑤

(河南工程學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

針對我國農(nóng)業(yè)智能化與網(wǎng)絡(luò)化水平較低的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的現(xiàn)代溫室大棚自動監(jiān)控系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件組成、控制器采用的Fuzzy-PID技術(shù)及GPRS無線通信技術(shù).該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對溫度、濕度、光照的遠(yuǎn)程監(jiān)控和短信報(bào)警，具有控制精度高、工作穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，降低了溫室大棚的人工成本.

溫室；GPRS；模糊PID；溫度；濕度

溫室大棚是制造的一個適宜各種植物生長的最佳環(huán)境，對于人口多、耕地面積少、自然環(huán)境惡劣的地區(qū)尤為重要.目前我國的溫室面積達(dá)到了30 000 km2以上，是全球較大的溫室作物栽培區(qū)之一，但溫室控制自動化水平比較低，智能化水平與發(fā)達(dá)國家也有較大差距[1].

“互聯(lián)網(wǎng)+”代表著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的新方向、新趨勢，基于此設(shè)計(jì)了基于無線通信 GPRS 的溫室大棚自動監(jiān)控系統(tǒng).該系統(tǒng)通過傳感器實(shí)時采集溫室大棚內(nèi)的溫濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)，以PLC為控制中心，控制加熱、降溫、補(bǔ)光、卷簾等環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備的開啟與關(guān)閉，并且將環(huán)境參數(shù)通過 GPRS 傳輸至手機(jī)、iPad等移動設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對溫室大棚的遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在溫室的管理過程中，對農(nóng)作物生長環(huán)境的監(jiān)控是最重要的一步.影響農(nóng)作物生長的環(huán)境參數(shù)有溫度、濕度、光照和二氧化碳濃度等[2].溫室控制就是對各種環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，使其處于溫室作物生長最適宜的狀態(tài).

基于 GPRS的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)由PLC 控制器、無線通信模塊、溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、風(fēng)扇、步進(jìn)電機(jī)、石英加熱管、卷簾設(shè)備、水泵噴霧器、觸摸屏、移動通訊終端 APP 等組成.在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建小型仿真溫室大棚，實(shí)現(xiàn)的功能如下：

(1)溫度控制.根據(jù)溫度傳感器檢測的溫度值，利用通風(fēng)換氣風(fēng)扇降溫、石英加熱管升溫.

圖1 系統(tǒng)硬件Fig.1 Overall block diagram of system hardware

(3)采光控制.根據(jù)光照傳感器檢測的光照強(qiáng)度值，在氣候允許的條件下，利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動卷簾裝置進(jìn)行光照調(diào)節(jié)，在陰天應(yīng)使用LED燈進(jìn)行補(bǔ)光.

(4)遠(yuǎn)程監(jiān)控與報(bào)警.通過GPRS無線通信技術(shù)，在手機(jī)移動終端實(shí)現(xiàn)溫濕度、光照強(qiáng)度的可視化與遠(yuǎn)程控制功能、異常狀況下的短信報(bào)警功能.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件由PLC控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)組成，如圖1所示.硬件設(shè)計(jì)主要完成硬件的選型、數(shù)據(jù)采集及GPRS模塊通信的實(shí)現(xiàn).

2.1 PLC及其擴(kuò)展模塊

采用三菱FX系列PLC作為主控制器，F(xiàn)X3U-4 A/D轉(zhuǎn)換模塊與FX3U-4 D/A轉(zhuǎn)換模塊完成模擬量的輸入與輸出，GOT-2000系列觸摸屏用來完成現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)的設(shè)置和控制，F(xiàn)X3U-485串口用于連接PLC與無線通信模塊.

2.2 傳感器

為提高系統(tǒng)的控制精度，溫濕度的檢測采用RS-WS-2型高精度溫濕度一體式變送器.該傳感器的可靠性和測量精度較高，互換性好，溫度量程為-40～120 ℃，濕度量程為0%～100%RH，可以滿足實(shí)際需要.輸出模擬量為0～10 V，適于PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.光照傳感器采用信號穩(wěn)定、精度高、防水性好、測量范圍寬的JXBS-3001-GZ型傳感器，輸出為0～10 V，量程為0～200 000 Lux.

2.3 執(zhí)行器

執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包含石英加熱管、工作電壓直流24 V及功率60 W的噴霧泵、自動降溫噴霧霧化微噴頭、窗式排氣扇、可控硅電子調(diào)壓器、調(diào)壓模塊固態(tài)調(diào)壓器、57BYG56-401A型步進(jìn)電機(jī).目前，多數(shù)的溫室大棚通風(fēng)機(jī)都利用開關(guān)控制，只有全速旋轉(zhuǎn)與停止兩種狀態(tài).本設(shè)計(jì)使用交流調(diào)壓模塊智能可控硅連續(xù)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到精確降溫的目的.同理，對噴霧泵也使用該調(diào)壓模塊控制噴霧量，以達(dá)到精確控制濕度的目的.使用固態(tài)調(diào)壓器調(diào)壓模塊對石英加熱管進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制加熱電壓.

2.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控的PLC硬件配置

2.4.1GPRS無線通信模塊S6202G-C

為提高師生參與的積極性，學(xué)校應(yīng)制定一系列規(guī)章制度，保證學(xué)生課外科技活動的有效性與延續(xù)性。對學(xué)生來說，提高他們積極性的最好辦法就是將課外科技活動與綜合測評聯(lián)系起來，將課外科技活動的參與度與成果以高權(quán)重納入綜合評價(jià)系統(tǒng)。另一方面，對于學(xué)生在課外科技活動中所獲得的成績，應(yīng)給予適度經(jīng)濟(jì)或者精神獎勵。如學(xué)生發(fā)表科研論文可報(bào)銷版面費(fèi)；對于競賽所獲成績者，給予一定的獎勵，適時在校園宣傳平臺上進(jìn)行宣傳。對于教師來說，為了保證他們參與導(dǎo)師制的積極性，可以以職稱評審條件為杠桿，將指導(dǎo)學(xué)生參加課外科技活動作為職稱評聘的必要條件；還可以根據(jù)實(shí)際情況，將這種工作量折算成一定的分?jǐn)?shù)，納入績效考核體系。

巨控科技的無線通信模塊S6202G-C[3]是一款專門用于PLC遠(yuǎn)程監(jiān)控的測控終端，它使用 GPRS 作為通信手段，內(nèi)置網(wǎng)頁發(fā)布，能夠?qū)崿F(xiàn)對PLC的遠(yuǎn)程控制.控制方式包括手機(jī)短信控制和手機(jī)、電腦網(wǎng)頁監(jiān)控.

2.4.2遠(yuǎn)程監(jiān)控用戶配置

①在無線通信模塊內(nèi)插入SIM卡并開通流量；②S6202G-C 通過RS-485與PLC連接，讀取被監(jiān)控設(shè)備的狀態(tài)；③S6202G-C 通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)布到巨控云監(jiān)控服務(wù)器；④遠(yuǎn)程電腦連接互聯(lián)網(wǎng)并安裝OPC SERVER，OPC SERVER可以自動從云監(jiān)控服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，上位機(jī)組態(tài)軟件通過OPC接口監(jiān)控PLC運(yùn)行，同時記錄歷史報(bào)警和歷史數(shù)據(jù)等關(guān)鍵信息；⑤手機(jī)短信讀寫全部PLC寄存器，完成短信報(bào)警功能；⑥用戶可通過手機(jī)安裝相應(yīng)的APP，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁監(jiān)控.

在云平臺的網(wǎng)頁上可以查看歷史數(shù)據(jù)表格與歷史報(bào)警表格，還可以直接導(dǎo)出數(shù)據(jù)表格和報(bào)警表格到電腦，供打印和處理.S6202G-C支持?jǐn)嗑€續(xù)傳功能，定時記錄的數(shù)據(jù)會在下次上線后補(bǔ)錄到云服務(wù)器，所以歷史數(shù)據(jù)不會丟失.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能控制系統(tǒng)是當(dāng)今溫室自動控制系統(tǒng)的熱點(diǎn)所在，控制方法是溫室自動控制系統(tǒng)的核心部分[4-5].在影響農(nóng)作物生長的環(huán)境參數(shù)中，溫度和濕度是兩個最為重要的因素，而溫室系統(tǒng)又是一個多變量、非線性、大滯后的時變系統(tǒng)，很難建立一個精確的數(shù)學(xué)模型[6].針對以上問題，本設(shè)計(jì)采用模糊控制與PID相結(jié)合的新型控制算法分別對溫濕度進(jìn)行控制.

圖2 模糊PID控制系統(tǒng)Fig.2 Block diagram of fuzzy PID control system

3.1 模糊PID控制功能的實(shí)現(xiàn)

圖2為模糊PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖.圖2中：K1，K2為偏差e和偏差變化率ec的量化因子；K3，K4，K5為比例參數(shù)Kp、積分參數(shù)Ki、微分參數(shù)Kd的量化因子.e和ec作為控制器的輸入，然后經(jīng)過模糊邏輯計(jì)算、模糊推理處理后輸出為PID控制器的Kp，Ki，Kd的修正值ΔKp，ΔKi，ΔKd，然后再對3個參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，從而達(dá)到理想的控制效果.

(1)輸入輸出變量的模糊化

溫度模糊PID控制器輸入變量為溫度偏差eT、溫度偏差變化率ecT，濕度模糊PID控制器輸入變量為濕度偏差eH、濕度偏差變化率ecH.設(shè)溫濕度偏差，偏差變化率，ΔKp，ΔKi，ΔKd的模糊集語言變量為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}7個等級.模糊集論域量化等級為13，整數(shù)論域?yàn)閧-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}.實(shí)際論域eT為[-1,1] ℃，ecT為[-0.018,0.018] ℃，eH為[-10%,10%]RH，ecH為[-0.15%,0.15%]RH.隸屬函數(shù)采用三角函數(shù).溫度參數(shù)的量化因子為K3=10，K4=0.2，K5=0.2；濕度參數(shù)的量化因子為K3=20，K4=0.5，K5=0.4.

(2)模糊控制規(guī)則

模糊控制規(guī)則的通用表達(dá)式如下：

IfEisAnandEcisBnthen ΔKpispnand ΔKiisinand ΔKdisdn，

式中：An，Bn分別為偏差和偏差變化率；pn，in，dn分別為模糊控制器輸出的對應(yīng)Kp，Ki，Kd的修正值ΔKp，ΔKi，ΔKd，共有49條規(guī)則.根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，建立模糊規(guī)則表.限于篇幅，只列出溫度模糊控制的ΔKp模糊規(guī)則表，如表1所示.

表1 ΔKp的模糊規(guī)則表Tab.1 Fuzzy rule table of ΔKp

(3)模糊推理

模糊推理是模糊控制器的核心，采用Mamdani型模糊推理方法.

(4)解模糊

解模糊就是把模糊推理得出的模糊結(jié)果修正值轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際的精確量，本設(shè)計(jì)采用重心法進(jìn)行反模糊化計(jì)算.在離線狀態(tài)下，計(jì)算出不同輸入狀態(tài)下的解模糊量，以表格的形式存放在PLC內(nèi)存中.當(dāng)輸入量發(fā)生變化時，通過在線查表方法找到相應(yīng)的修正值.Kp，Ki，Kd的初始值Kp′，Ki′，Kd′通過常規(guī)整定方法獲得，則Fuzzy-PID控制器的實(shí)時整定值為Kp=Kp′+ΔKp，Ki=Ki′+ΔKi，Kd=Kd′+ΔKd，從而完成對參數(shù)的在線整定.

3.2 系統(tǒng)軟件的功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件程序包括現(xiàn)場觸摸屏控制程序和GPRS無線遠(yuǎn)程控制程序，流程如圖3和圖4所示.移動手機(jī)終端 APP控制優(yōu)先級高于現(xiàn)場觸摸屏控制，監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、曲線趨勢分析、歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)警等功能.

圖3 現(xiàn)場觸摸屏控制流程Fig.3 Scene touch screen control flow chart

圖4 GPRS無線遠(yuǎn)程控制流程Fig.4 GPRS wireless remote control flow chart

3.2.1工作模式

適宜農(nóng)作物生長的環(huán)境在白天與夜晚是不同的，所以本設(shè)計(jì)分為白天與夜晚兩種工作模式.開機(jī)默認(rèn)時間為上限7∶00點(diǎn)、下限19∶00點(diǎn),溫度默認(rèn)為25 ℃，濕度默認(rèn)為50%RH ，高溫報(bào)警默認(rèn)為40 ℃，低溫報(bào)警默認(rèn)為15 ℃，低濕報(bào)警為20%RH.在上限和下限以外的時間，自動模式下的溫濕度比設(shè)定值分別低5 ℃與10%RH.在實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行，溫度可控誤差為±0.2 ℃，濕度可控誤差為±5%RH，實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)控制性能較好.

3.2.2控制方式

系統(tǒng)的控制方式分為手動控制與自動控制.手動控制作為自動控制的輔助，通過按鈕對溫度、濕度和光照強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)置，再由啟動和停止按鈕完成相應(yīng)的操作；自動控制可通過兩種界面實(shí)現(xiàn).

(1)觸摸屏監(jiān)控界面

觸摸屏(HMI)作為一種人機(jī)交互接口，可以對控制程序進(jìn)行參數(shù)修改并且可用圖形、圖表、數(shù)字來顯示參數(shù).觸摸屏與PLC之間通過RS-422接口連接，利用GT-Designer 3 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng).點(diǎn)擊啟動按鈕進(jìn)入自動控制狀態(tài)，可觀察各個設(shè)備的運(yùn)行狀況.

(2)手機(jī)網(wǎng)頁監(jiān)控界面

S6202G-C無線智能控制器配置的軟件開發(fā)系統(tǒng) GRMDev3 是純綠色免安裝軟件.首先，使用軟件完成工程開發(fā)和下載，在工程選項(xiàng)中選定網(wǎng)絡(luò)讀寫屬性.然后，插入SIM卡，登錄到云監(jiān)控服務(wù)器，待數(shù)碼管顯示“-”之后，使用手機(jī)網(wǎng)頁瀏覽器打開巨控云監(jiān)控的網(wǎng)址，輸入模塊的序列號和密碼，即可查看全部的變量.

當(dāng)各個環(huán)境參數(shù)超出設(shè)定范圍或系統(tǒng)出現(xiàn)機(jī)械故障時，無線模塊可向手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信并撥通手機(jī).如果在一定時間內(nèi)沒有回復(fù)確認(rèn)短信，將再次重復(fù)報(bào)警動作.

S6202G-C包含 2個RS-485 串口，一個串口可以連接多個PLC，每個PLC 需要采用同樣的協(xié)議，波特率、奇偶校驗(yàn)、停止位也應(yīng)相同.從站地址設(shè)置為不同，在 PLC 編程軟件里面也需要對站號進(jìn)行設(shè)置，每一臺PLC站號都不能相同.在無線智能控制器中添加設(shè)備所填寫的地址并要與所設(shè)置的站號對應(yīng).

4 結(jié)語

在實(shí)驗(yàn)室搭建了小型溫室大棚監(jiān)控仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明，該控制過程平穩(wěn)、超調(diào)量小、運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿足溫室作物對生長環(huán)境的要求.該設(shè)計(jì)為提高農(nóng)業(yè)的自動化和網(wǎng)絡(luò)化水平提供了一定的參考.

[1] 季克.基于PLC的北方干旱地區(qū)日光溫室環(huán)境智能控制系統(tǒng)的研究[D].呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2016.

[2] 張雪花，張武，楊旭，等.農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境控制方法研究綜述[J].控制工程，2017,24(1):8-15.

[3] 廣州巨控電子科技有限公司.GRM200使用手冊[Z].廣州：廣州巨控電子科技有限公司, 2016.

[4] 郭廣頌.智能控制技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2014.

[5] 程瑞，王雙喜.溫室環(huán)境智能控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,42(2):203-205.

[6] 郎文秀.蔬菜園遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].沈陽:沈陽師范大學(xué),2015.

DesignofremotemonitoringsystemforgreenhousebasedonFuzzy-PIDandGPRS

FULihua,PANGZhanxiang,WANGJianbin，LIULuyao

(CollegeofElectricalInformationEngineering,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou451191,China)

Concerning the status quo of low intellectualization and networking level for China's agriculture, an automatic monitoring system of modern greenhouse based on the “internet plus” is designed . The hardware of the system, the Fuzzy-PID technology used in the controller and GPRS wireless communication technology are introduced in detail. The system realizes remote monitoring of temperature, humidity, illumination and SMS alarm. The experimental results show that the system has high control accuracy, stable and reliable operation, and the manual monitoring cost of greenhouse can be reduced.

greenhouse; GPRS; Fuzzy-PID; temperature; humidity

TP273

A

1674-330X(2017)04-0058-04

2017-09-20

付立華(1973-)，女，黑龍江雙城人，講師，主要研究方向?yàn)槿斯ぶ悄芸刂婆c應(yīng)用、虛擬儀器技術(shù).