基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 的禽舍溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計*

程 媛 王守城

（青島科技大學(xué)機電工程學(xué)院 青島 266061）

1 引言

隨著生活水平的提高人們對于家禽肉類以及蛋類的需求量不斷地增加，從而家禽的集中養(yǎng)殖變得普遍，但是對于肉質(zhì)的保證以及家禽的生活環(huán)境的保證逐漸是人們關(guān)心的問題，禽舍環(huán)境直接影響家禽的成長、免疫力以及家禽肉類蛋類的品質(zhì)。所以采用現(xiàn)代化技術(shù)增加家禽設(shè)施的自動化程度減小人力輸出的同時更好地控制調(diào)節(jié)禽舍的溫濕度，本設(shè)計以STM32F407 為核心研發(fā)一套禽舍溫濕度調(diào)整控制自動化系統(tǒng)，STM32F407 是32 位高性能ARM Cortex-M4 處理器，相比于其他的低端單片機擁有更好更方便的人機交互操作模式，同時具有144 個 I/O 引腳，32 位定時器，3 個 12 位 AD 多達 24個外部檢查通道，USB，低功耗，以及多達17個通訊接口I2C，192KBSRAM，1MBFLASH，可以保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸?shù)姆€(wěn)定性以及儲存運行的長久性。采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行分散信息并行處理的能力調(diào)整所測得數(shù)據(jù)信息進行整合處理取得PID 算法最優(yōu)化的參數(shù)組合然后調(diào)整控制禽舍的溫濕度使每個階段的溫度調(diào)整都可以得到最理想的溫濕度，另外還可以增強禽舍控制系統(tǒng)的適應(yīng)性、魯棒性、穩(wěn)定性，從而保證禽舍溫濕度控制系統(tǒng)裝置的可控性［1～2］。

2 禽舍工作原理設(shè)計

該裝置解凍系統(tǒng)主要由噴霧加濕器、熱風(fēng)爐、風(fēng)機、水料線、濕簾、燈光等組成。由DS18B20檢測禽舍溫度采集禽舍溫度信息，由熱風(fēng)爐提供禽舍溫度滿足家禽所需溫度，由風(fēng)機來控制禽舍內(nèi)的降溫，通風(fēng)以及除濕，同時雞舍會存在出風(fēng)口與風(fēng)機配合使用使禽舍溫度達到合適溫度以及濕度，由噴霧加濕器進行水霧化增加禽舍內(nèi)的濕度、降低禽舍溫度，同時進行禽舍消毒功能，由AM2305 檢測禽舍的濕度數(shù)據(jù)，由DS1307 實時時鐘對家禽成長的每個階段提供實時溫濕度所需數(shù)據(jù)信息，通過神精網(wǎng)絡(luò)多元素融合及其學(xué)習(xí)能力進行PID 參數(shù)運算調(diào)節(jié)禽舍每個階段的溫濕度以及禽舍空氣環(huán)境，使禽舍的溫濕度環(huán)境都可以達到家禽成長時每個階段所設(shè)定的溫濕度值，得到適宜的家禽成長環(huán)境，其中加濕器由繼電器控制通斷［3］，禽舍系統(tǒng)布局結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 禽舍布局結(jié)構(gòu)圖

3 溫濕度檢測硬件電路

禽舍采用DS18B20 溫度測溫器測量禽舍內(nèi)溫度環(huán)境，家禽的對溫度特別敏感，因為雞鴨沒有汗腺的原因，溫度過高時會對雞鴨的成長有嚴(yán)重的影響，采用AM2305 數(shù)字溫濕度檢測器檢測禽舍濕度同時提供溫度檢測數(shù)據(jù)。DS18B20 具有獨特的單總線接口方式，可以僅需一根先就可以實現(xiàn)單片機與溫度檢測器的雙向數(shù)據(jù)傳輸，外圍電路簡單，控制電路如圖2，AM2305 數(shù)字溫濕度測溫器的連接線路同時也是單線傳遞數(shù)據(jù)如圖3［4］。

圖2 DS18B20控制電路

圖3 AM2305控制電路

4 溫濕度系統(tǒng)調(diào)節(jié)設(shè)計

4.1 PID控制系統(tǒng)

PID 控制系統(tǒng)可以很好地控制調(diào)試單一數(shù)據(jù)元素，使其可以接近所設(shè)定需求數(shù)據(jù)值，同時可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具有簡單的工作原理及結(jié)構(gòu)，可以滿足單一條件下的控制系統(tǒng)，提供可靠的最優(yōu)數(shù)據(jù)。PID控制原理圖如圖4所示。

圖4 PID控制原理圖

一般的PID 控制算法將檢測數(shù)據(jù)包括比例控制（P）、積分控制（I）、微分控制（D）計算控制后得到接近數(shù)據(jù)設(shè)定最優(yōu)質(zhì)。PID 所控制調(diào)節(jié)的是輸入的設(shè)定值e(t)與實際溫濕度檢測數(shù)值之間的差c(t)構(gòu)成：

PID控制屬于線性控制通過比例（P）、積分（I）、微分（D）的線性組合偏差控制參數(shù)，從而得到：

由式（2）得PID傳遞函數(shù)為

（KP為比例系數(shù)；TI為積分時間系數(shù)；TD為微分時間系數(shù)）

將模擬PID 傳遞函數(shù)算法式（3）經(jīng)過離散化，可得：

系統(tǒng)運行時每次的結(jié)果u（k）都與上一次運算輸出結(jié)果u（k-1）有關(guān)，對系統(tǒng)配置的內(nèi)存需求較大，時間較長，同時也存在較大偏差，又因為系統(tǒng)控制檢測的環(huán)境溫濕度不斷變化，以及PID 算法針對單一性條件，并不適用禽舍控制系統(tǒng)，為彌補算法缺點這里采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 進行禽舍溫濕度控制［5～6］。

4.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法

BP 神經(jīng)網(wǎng)路PID 算法就提高PID 的控制精度以及其穩(wěn)定性，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)調(diào)節(jié)、學(xué)習(xí)能力，根據(jù)實時誤差變化進行控制調(diào)整系統(tǒng)，即實時調(diào)整控制系統(tǒng)的比例（kp）、積分（ki）、微分（kd），通過調(diào)整PID 參數(shù)對系統(tǒng)實施閉環(huán)控制，使禽舍的溫度、濕度在變化的過程中接近理想值，實現(xiàn)禽舍溫濕度控制變化的最優(yōu)化，控制結(jié)構(gòu)如圖5。

圖5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制結(jié)構(gòu)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層的輸入：

隱含網(wǎng)絡(luò)層節(jié)點輸入、輸出：

其隱含層的活化函數(shù)f(x)的神經(jīng)元Sigmoid正負對稱函數(shù)：

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層的輸入、輸出：

神經(jīng)元輸出層的恒正的Sigmoid函數(shù)：

有關(guān)性能指標(biāo)函數(shù)：

式中rp理想設(shè)定值，yp檢測值。

正網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值量的修正是由最快下降法進行計算，即搜索調(diào)整的方向為權(quán)系數(shù)減小方向，采用全局性極小慣性項加快搜索速度的收斂，即得到：

其中η學(xué)習(xí)速率，α平滑因子。

由式（8）及增量式PID控制算法計算可得：

綜上所述，輸出層的權(quán)系數(shù)計算公式：

隱含層的權(quán)系數(shù)計算公式為

4.3 溫度控制方法

溫度對家禽的影響很強，當(dāng)溫度過高時，影響家禽的新陳代謝，活動減少，容易造成脫水死亡，然而溫度過低則會增加家禽的食量，增加飼料的消耗，增加不必要的支出［7～9］。本設(shè)計裝置系統(tǒng)采用5個溫度傳感器進行多點溫度傳感器檢測溫度，另外禽舍外設(shè)計一個溫度傳感器，經(jīng)過熱負荷計算以及通過BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行多點不同位置進行調(diào)整，通過控制通風(fēng)口以及噴霧式加濕器進行降溫，當(dāng)溫度過低時提醒開啟熱風(fēng)爐進行禽舍加熱，提高禽舍內(nèi)溫度，同時考慮其他禽舍因素，通過調(diào)試PWM控制通風(fēng)口的大小，由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過多元素計算綜合禽舍外部溫度檢測數(shù)據(jù)選擇橫向或者縱向的通風(fēng)方式，計算控制噴霧降溫的時間。又隨著家禽的不同生長期進行自動調(diào)整設(shè)定值的計算以及控制，如圖6。

圖6 溫度控制流程

4.4 濕度控制方法

濕度是禽舍溫度的重要因素，濕度過高時會引起病菌的滋生，威脅家禽的健康，低溫高濕度時會引起家禽食量增大，造成飼料的浪費［10～12］。當(dāng)濕度過低時，禽舍空氣干燥，會引起家禽體內(nèi)缺水出現(xiàn)缺水脫水狀況，所以在濕度過低時，開啟噴霧器對禽舍進行加濕，當(dāng)濕度過高時，開啟通風(fēng)口進行通風(fēng)除濕，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)考慮計算溫度以及濕度間的協(xié)調(diào)控制，如圖7。

圖7 濕度控制流程

5 數(shù)據(jù)分析

通過系統(tǒng)調(diào)試，進行模擬禽舍溫濕度控制數(shù)據(jù)記錄最后考察兩者之間的互相影響下的協(xié)調(diào)效果如圖8～9。

圖8 禽舍溫度變化曲線圖

圖9 禽舍濕度變化曲線圖

6 結(jié)語

本設(shè)計方案，在傳統(tǒng)的禽舍溫濕度控制方法上增加了自動化智能控制，STM32為控制核心擁有更好的人機交互性，又采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)的算法控制計算，協(xié)調(diào)溫濕度之間的影響，增加系統(tǒng)的靈敏性以及抗干擾性，保證系統(tǒng)的可靠有效性，保證溫度控制的精確性，在家禽養(yǎng)殖生長以及肉類生產(chǎn)上具有廣泛的前景和實用性。