基于模糊控制的大棚溫濕度自動監(jiān)控系統(tǒng)

王智聰，陳長春

基于模糊控制的大棚溫濕度自動監(jiān)控系統(tǒng)

王智聰，陳長春

（齊齊哈爾大學 計算機與控制工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

給出大棚生產(chǎn)控制系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)和工作原理，在此基礎(chǔ)上，采用模糊聚類的方法，針對大棚作物不同生產(chǎn)時期的溫度、濕度、照度等生產(chǎn)環(huán)境的要求不同、權(quán)重不同、目標不同的特點，結(jié)合作物生長規(guī)律，依據(jù)每種設備功耗、作業(yè)效率、工作時間等特征值指標，分別對溫度設備、濕度設備、光照設備的運行進行調(diào)控，得到設備運行時間圖，結(jié)果比較滿意．

模糊控制；溫度；濕度；照度

智慧大棚，距離精準、量化、科學的管理越來越近．設備的控制與管理，也逐步走向科學化、智能化．大棚溫、濕度自動監(jiān)控系統(tǒng)，要求能實時的根據(jù)作物不同生長階段，最優(yōu)地配置溫度、濕度、照度的生產(chǎn)要素，并能監(jiān)控、優(yōu)化設備運行狀態(tài)．本文重點研究2方面的內(nèi)容：（1）大棚多區(qū)域溫度、濕度、照度的測量電路與構(gòu)成；（2）對系統(tǒng)內(nèi)的溫度、濕度、照度設備進行分組，采用模糊控制方法進行調(diào)度，依據(jù)功耗、作業(yè)效率等指標優(yōu)化設備的利用率[1]．

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

大棚在線監(jiān)控系統(tǒng)由主機（PC機）和若干個分組構(gòu)成（見圖1），數(shù)據(jù)通信采用基于電力線載波的modbus協(xié)議．

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分機電路由最小系統(tǒng)電路、光照強度檢測電路、地址編碼電路、電力線載波接口電路、照度控制電路構(gòu)成（見圖2）．其中，最小系統(tǒng)的單片機采用STC15W408AS，1T時鐘，頻率22.1184 MHz．設置串口通信波特率為9 600．

圖2 分機電路構(gòu)成

2 功能電路設計

2.1 最小系統(tǒng)及地址編碼電路

最小系統(tǒng)由復位電路、震蕩電路構(gòu)成．編碼電路由２組波動開關(guān)構(gòu)成（見圖3）．

圖3 最小系統(tǒng)及地址編碼電路

分機編碼一般有3種：（1）軟件編碼，即在計算機程序中指定分機的編碼，這種編碼的好處是節(jié)省硬件成本，缺點是一旦編碼標識簽丟失很麻煩；（2）運用MCU的ID號唯一的特點，對分機進行編碼．這種方法的編碼優(yōu)缺點同第１種；（3）硬件編碼方式，由２組8位撥碼開關(guān)構(gòu)成．這里采用第3種編碼方式．分機編碼采用硬件編碼，分2組：A組用于分區(qū)編碼，假設有256個分機，分成8組，A組編碼分區(qū)地址選擇．B組用于區(qū)內(nèi)分機編碼，每組有8個分機．盡管需要硬件成本，但可以隨時根據(jù)需要變更分區(qū)和區(qū)內(nèi)編碼，操作簡單、編碼直觀．

2.2 光照強度檢測電路

光照強度檢測電路傳感器采用硅光電池．根據(jù)硅光電池的照度與光生電流、伏安特性的關(guān)系

2.3 控制電路與電流（故障）檢測

2.3.1加熱排風控制電路 加熱排風控制電路（見圖4）包括2部分：（1）線路電流檢測，霍爾電流傳感器輸出的是比較微弱的電壓信號，單位為66~185 mV/A，取值越小受溫度影響越?。话銦艟叩墓β识夹∮?00 W，電流小于0.5 A，即傳感器輸出的電壓信號50 mV以下．為了使電流傳感器輸出的電壓信號與MCU內(nèi)部的A/D正常匹配，在電流傳感器與MCU之間，要實現(xiàn)電壓信號的放大．（2）電路中，以燈泡作為假負載（加熱或者排風）電路，電路由過零檢測型光耦MOC3041和雙向可控硅組成．當單片機沒有控制信號輸出時，繼電器RL1處于常閉觸點狀態(tài)，雙向可控硅導通，燈泡點亮．反之截止．

圖4 加熱排風控制電路

圖5 負載電流（過流）檢測電路

3 大棚生產(chǎn)資源要素配置分析

3.1 屬性分析與評價

大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)是在一定的區(qū)域范圍內(nèi)，通過對區(qū)域內(nèi)的相應資源和要素的重新組合、設計，創(chuàng)造出更為有效地利于生物生長的環(huán)境．為達到這個目的，從幾個方面的配置，作為生產(chǎn)輔助系統(tǒng)的衡量要素，即空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度、光照強度、光照時間．在綜合分析的基礎(chǔ)上，建立大棚生產(chǎn)能力的評價指標體系．要素關(guān)系見表1．

表1 大棚設備要素

3.2 基于權(quán)重矩陣的多維反饋調(diào)度模型的建立

大棚作物在不同的生長期，在資源配置要素不變的情況下，每種要素的權(quán)重是不同的．例如：在發(fā)芽期、開花期、果實發(fā)育期等不同時期，對土壤濕度、光照時間、光照強度的要求不同[2]，在對多目標多維度決策時，不同的目標、要素的作用程度不同，按照一個目標權(quán)重向量的表達形式，就會具有局限性[3]．因此，需要多目標多維度對大棚生產(chǎn)環(huán)境的執(zhí)行機構(gòu)，做統(tǒng)一的、利于設備長期使用的方式調(diào)度．

對目標函數(shù)（4）求偏導并令其導數(shù)等于0，整理得

3.2.4 控制與實驗 以番茄為例，建立大棚生產(chǎn)的指標體系，并將評價指標劃分為目標層、準則層和因子層（見表1）．溫度控制上，番茄是喜溫性蔬菜，在正常條件下，其最適宜的生長發(fā)育溫度為15~29 ℃，光合作用適宜溫度為20~25 ℃[7]．

對每種設備，依據(jù)設備功耗、作業(yè)效率、工作時間為特征值指標，建立特征值矩陣（見表2）．

表2 指標規(guī)格化值及權(quán)重

表3 最優(yōu)權(quán)重迭代計算結(jié)果

圖6 溫度設備運行時間

溫度設備11，12，14在15 d內(nèi)運行時間為37~40 h，差別不大．溫度設備13有異常，僅僅運行16 h．經(jīng)檢查，加熱設備13的加熱棒老化，單位時間溫升低，導致加熱效率低，模糊控制器與電流檢測傳感器電路同時檢測到設備故障，被系統(tǒng)掛起，使運行邊緣化，并報警．

4 結(jié)語

[1] 劉合香．模糊數(shù)學理論及其應用[M]．北京：科學出版社，2012：104-125

[2] 劉曉英，徐志剛，常濤濤，等．不同光質(zhì)LED弱光對櫻桃番茄植株形態(tài)和光合性能的影響[J]．西北植物學報，2010，30（4）：725-732

[3] 王艷，張綿．結(jié)縷草和早熟禾解剖結(jié)構(gòu)與其抗旱性、耐踐踏性和彈性關(guān)系的對比研究[J]．遼寧大學學報，2000，27（4）：371-375

[4] 王印松，商丹丹，宋凱兵，等．基于改進模糊聚類的控制系統(tǒng)故障檢測[J]．信息與控制，2017，46（1）：41-45

[5] 鄧一杰，劉克勝，趙軍，等．基于狀態(tài)聚類的分布式模糊測試技術(shù)[J]．計算機工程與設計，2019，40（9）：2428-2434

[6] 張寶峰，張燿，朱均超，等．基于模糊 PID 的高精度溫度控制系統(tǒng)[J]．傳感技術(shù)學報，2019，32（9）：1425-1429

[7] 陳俊祥，于繼東，耿華運，等．多孔材料的溫度和壓強計算[J]．物理學報，2017，66（5）：257-264

Automatic monitoring system of greenhouse temperature and humidity based on fuzzy control

WANG Zhicong，CHEN Changchun

（School of Computer and Control Engineering，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China）

Gives the circuit structure and working principle of the greenhouse production control system. Based on this，a fuzzy clustering method is used to address different production conditions such as temperature，humidity，and illumination of greenhouse crops during different production periods，with different requirements，weights，and goals．Based on the characteristics of crops and the characteristics of power consumption，operating efficiency，and working hours of each type of equipment，the operation of temperature equipment，humidity equipment，and lighting equipment was adjusted to obtain the equipment operation time chart，and the results were satisfactory.

fuzzy control；temperature；humidity；illumination

TP273

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.03.009

1007-9831（2020）03-0051-06

2019-12-10

2019年（黑龍江省）大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃重點資助項目（201910232020）

王智聰（1996-），男，北京人，在讀本科生．

陳長春（1965-），男，黑龍江雙鴨山人，副教授，從事嵌入式系統(tǒng)應用研究．E-mail：qqhrchen@163.com