模糊控制在ZigBee物聯(lián)網(wǎng)智慧農業(yè)大棚中的應用

于麗平

[摘? ? 要]傳統(tǒng)的農業(yè)種植模式一直受到自然天氣等因素的影響，最終造成效益下降、成本升高等問題。為了提高農業(yè)生產水平，建立了基于ZigBee物聯(lián)網(wǎng)的智慧農業(yè)大棚。在了解模糊控制技術的基礎上，分析了模糊控制方法在農業(yè)大棚中的應用方案。

[關鍵詞]模糊控制;ZigBee物聯(lián)網(wǎng);智慧農業(yè)大棚

[中圖分類號]S625 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）04–00–03

Application of Fuzzy Control in ZigBee Internet of

Things Smart Agricultural Greenhouse

Yu Li-ping

[Abstract]Traditional agricultural planting patterns have been affected by natural weather and other factors， which ultimately caused problems such as reduced benefits and increased costs. Therefore， in order to further improve the level of agricultural production， based on the ZigBee Internet of Things smart agricultural greenhouse， on the basis of understanding the fuzzy control technology， the application of the fuzzy control method in the agricultural greenhouse is analyzed in detail， hoping to provide support for the scientific management of the greenhouse.

[Keywords]fuzzy control; ZigBee Internet of Things; smart agricultural greenhouse

隨著現(xiàn)階段“互聯(lián)網(wǎng)+”技術的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術與傳統(tǒng)產業(yè)之間的結合趨勢不可阻擋，并且能夠顯著提高生產力。目前基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農業(yè)大棚開始在全國范圍內得到推廣，但是結合實際情況來看，現(xiàn)有的ZigBee物聯(lián)網(wǎng)智慧農業(yè)大棚雖然能夠實現(xiàn)部分自動控制，但是存在精度較低、控制方法簡單的問題，在用戶更換種植作物后難以提供種植決策。為了能夠解決問題，就需要運用模糊控制的方法進一步完善智慧農業(yè)大棚的功能，這也是本文研究的主要目的。

1 模糊控制技術分析

在傳統(tǒng)的控制領域下，控制系統(tǒng)動態(tài)模式的準確性已經成為影響系統(tǒng)性能的關鍵，其中系統(tǒng)動態(tài)的信息越詳細，則越能實現(xiàn)精準控制的目的。但是隨著現(xiàn)代信息技術的發(fā)展，系統(tǒng)的復雜程度不斷提升，并且在運行過程中可能產生更加復雜的變量，此時常規(guī)的控制方法難以精準描述系統(tǒng)的動態(tài)變化情況，所以為了能夠解決此類問題，越來越多的學者開始嘗試通過模糊控制的方法來實現(xiàn)系統(tǒng)管理。

現(xiàn)階段模糊控制技術得到了快速發(fā)展，根據(jù)一般控制系統(tǒng)的架構，模糊系統(tǒng)主要包含3方面內容。

1.1 定義變量

定義變量決定了程序被觀察時的狀態(tài)以及控制動作等，在各種常見的控制問題上，當輸入變量有輸出誤差以及輸出誤差變化率的情況下，模糊控制還能控制變量做下一狀態(tài)的輸入量。

1.2 模糊化

通過將輸入值以適當?shù)谋壤D換為論域數(shù)值后，經口語化描述整個物理變化過程，并結合論域數(shù)值計算出數(shù)據(jù)之間的隸屬度。

1.3 知識庫

知識庫可以分為規(guī)則庫與數(shù)據(jù)庫兩方面內容，其中規(guī)則庫包含語言控制規(guī)則描繪的策略;而數(shù)據(jù)庫能夠為模糊數(shù)據(jù)提供定義。

2 模糊控制技術的應用方案

ZigBee物聯(lián)網(wǎng)智慧農業(yè)大棚充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)技術的優(yōu)勢，在模糊控制技術的選擇中需要充分結合大棚農業(yè)生產的需求，進一步優(yōu)化模式控制架構，強化其功能。

2.1 ZigBee物聯(lián)網(wǎng)智慧農業(yè)大棚的技術特征

在ZigBee物聯(lián)網(wǎng)智慧農業(yè)大棚設計中，能夠通過ZigBee通信網(wǎng)絡結構支持復雜條件下的信息通信要求，并且與常規(guī)技術相比，智慧農業(yè)大棚能夠真正實現(xiàn)農業(yè)生產控制的智能化，具有深遠影響。在這種技術背景下，模糊控制技術可以將農作物的生長環(huán)境參數(shù)作為信息輸入條件，根據(jù)規(guī)則確定對應的控制機制，滿足多樣化條件下的農作物生產控制。所以ZigBee物聯(lián)網(wǎng)智慧農業(yè)大棚中可以通過模糊控制技術調整智能灌溉系統(tǒng)等關鍵功能模塊的運行過程，根據(jù)大棚內部的環(huán)境信息確定傳感數(shù)據(jù)，同時與當?shù)貧夂虻汝P鍵資訊相連接，可以預測未來一段時間內的水分變化情況，為未來土壤水分預測提供完整的灌溉策略，保證農作物健康生長。

2.2 模數(shù)控制智能系統(tǒng)分析

在ZigBee物聯(lián)網(wǎng)智慧農業(yè)大棚中，模糊控制需要實時測量大棚內農作物生長的光照強度、土壤溫濕度、空氣溫濕度等數(shù)據(jù)變化，并將測量的數(shù)據(jù)與設定好的數(shù)據(jù)進行對比，在獲得誤差值之后就可以將該誤差值作為輸入變量（精準的數(shù)據(jù)量），在模糊化處理輸入變量之后，經模糊推理機制生成對應規(guī)則，并按照規(guī)則庫確定控制策略。按照上述過程，在ZigBee物聯(lián)網(wǎng)智慧農業(yè)大棚中，模糊控制的原理如圖1所示。

2.3 精確量模糊化處理

假設基本論域范圍為[-X，X]，模糊子集論域為[-N，N]，則量化因子K的表達方式為：。

在上述結論下，假設大棚內農作物生產過程中，溫度、濕度、光照強度是三個影響較為顯著的因素，分別將其定義為E1、E2、E3，對應傳感器測量的數(shù)值為e1、e2、e3，此時模糊控制輸入量Xi=Ei-ei。在這個過程中，根據(jù)系統(tǒng)的測量結果可以確定Xi的具體輸入量，之后按照規(guī)則將精準的數(shù)據(jù)做模糊化處理即可。以大棚的溫度為例，結合智慧農業(yè)大棚中的溫度偏差將溫度的模糊子集論域劃分為[-3，3]，量化因子可以按照三角形隸屬度函數(shù)關系式確定為2，所以最終模糊子集的論域劃分結果為[-6，6]，這一范圍就是模糊控制下溫度調整的主要范圍。按照這種計算方法可以用來判斷濕度、光照強度等重要因素的模糊化數(shù)據(jù)量，具有可行性。

2.4 模糊控制器的設計

在模糊控制器設計中，以ZigBee物聯(lián)網(wǎng)智慧農業(yè)大棚的“溫度”為對象，溫度是影響農作物生長的重要因素，并且溫度的變化與大棚的保溫措施、光照、氣候變化等存在關系，管理難度較高。在本次模糊控制設計中，溫度控制在實際上選擇非線性控制的方法，模糊控制中以隸屬度函數(shù)、模糊數(shù)學、推理等為基礎，使用模糊的控制量來控制被控對象，因此基于溫度的模糊控制器構建方案為：

（1）確定輸入與輸出變量。在大棚環(huán)境內，溫度的變化呈現(xiàn)出時間性以及非線性、耦合性的特征，通過模糊控制能夠避免建立數(shù)據(jù)模型，并且在規(guī)則建立過程中可以使用專家知識，最終達到實現(xiàn)溫室環(huán)境控制的目的。為了能夠實現(xiàn)這一功能，在本次設計中提出一種模糊邏輯控制器的智能控制方法，按照控制變量將模糊控制器分為兩個部分，分別標記為模糊A、模糊B。這樣在程序中通過同時處理兩個函數(shù)，能夠對兩組變量數(shù)據(jù)進行操作。

（2）在選擇模糊控制語言期間，所有輸入與輸出的語言變量數(shù)量需要結合系統(tǒng)的實際情況進行調整，但是為確保模糊控制能夠與ZigBee物聯(lián)網(wǎng)智慧農業(yè)大棚的后期運行情況相匹配，在控制語言上可以使用五個元素等級，分別為：NB大棚內溫度2級異常、NS大棚內溫度1級異常、ZE大棚內溫度適中、PS大棚內溫度1級偏高、PB大棚內溫度2級偏高。在大棚內溫度管理中，溫控設備的語言變量為（0，1，2），假設在溫度調節(jié)過程中相關溫控設備需要運行20 min，則“2”代表開啟20 min，“1”表示設備開啟10 min，“0”為設備關閉。在大棚側窗控制中，可采用的模糊變量語言為[0，1，2，3]，在智慧農業(yè)大棚中，“3”表示開啟90°，“2”表示開啟60°，“1”表示30°，“0”為側窗開啟0°。通過這種方法，通過模糊控制能夠有效界定智慧農業(yè)大棚中相關設備的運行情況。

（3）確定隸屬度函數(shù)。在模糊控制器中使用三角形函數(shù)的方法。

（4）設計模糊推理與規(guī)則表。在模糊控制中，模糊控制規(guī)則的來源較為廣泛，一般可以結合專家的專業(yè)意見以及種植戶的長期實踐經驗確定。為確保大棚正常運行，可以按照控制規(guī)則確定對應的理想環(huán)境因子，并嚴格按照環(huán)境因子的控制標準執(zhí)行環(huán)境管理方案。

2.5 模糊控制的服務器管理端設計

在模糊控制服務器設計中，其服務端的功能主要包括前端界面、Web服務器、CGI程序等，前端界面上使用“html”網(wǎng)頁技術的Java Script語言開發(fā)模式設計。在ZigBee物聯(lián)網(wǎng)智慧農業(yè)大棚管理中，當用戶開始檢查農業(yè)大棚的運行狀態(tài)時，網(wǎng)頁經post提供請求，服務器內監(jiān)聽端在接收信息后可能上傳數(shù)據(jù)至網(wǎng)關層。網(wǎng)關層的數(shù)據(jù)經“insert（）”方法存入數(shù)據(jù)后再顯示，用戶可以直接在前端頁面上查看信息，此時數(shù)據(jù)會每隔1 min更新一次，網(wǎng)頁的數(shù)據(jù)也會發(fā)生變化。

在模糊控制上，通過通信鏈路能夠分區(qū)處理大棚現(xiàn)場的諸多設備，在模數(shù)控制中，用戶服務端與網(wǎng)關端用DTU模塊實現(xiàn)了遠程通信，方便用戶在網(wǎng)頁或者特定APP內隨時查詢大棚內的溫度環(huán)境變化，實現(xiàn)實時監(jiān)測。根據(jù)模糊控制的技術特征以及系統(tǒng)功能要求，按照數(shù)據(jù)庫內儲存的農作物種植決策意見以及實時數(shù)據(jù)等都能進一步調整大棚內的溫度情況，為農作物生長提供良好的環(huán)境。

2.6 用戶接入層的運用

在ZigBee物聯(lián)網(wǎng)智慧農業(yè)大棚中，用戶接入已經成為用戶管理大棚的關鍵，對于大棚的模糊控制效果產生直接影響，期間為兼顧接入層的用戶使用終端的要求，可以在標準物聯(lián)網(wǎng)的架構上增添用戶接入層，該接入層主要包括PC端與手持移動終端等。在用戶通過遠程終端觀察大棚狀態(tài)時，通過在ZigBee物聯(lián)網(wǎng)提供的數(shù)據(jù)信息查看大棚內各類環(huán)境數(shù)據(jù)，并結合環(huán)境因子的設定值進行修改。例如對于氣候變化情況，若在模糊控制中依然維持著原有的溫度變化區(qū)間，可能導致農作物出現(xiàn)凍傷。因此通過實時查看大棚的溫度變化，采用“手動控制”的方法執(zhí)行溫度控制策略;或者通過ZigBee物聯(lián)網(wǎng)觀察農作物長勢;或采用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)檢查大棚的歷史數(shù)據(jù)，并將其記入農作物種植決策，為科學管理提供支持。

3 應用實例分析

3.1 實驗平臺的建設

為驗證本文設計方法的可行性，通過打造模擬大棚平臺，在平臺內填入土壤、滴灌帶，并種植農作物;在內部設置光照、空氣濕度以及土壤濕度等傳感器，按照ZigBee物聯(lián)網(wǎng)平臺功能采用了仁科牌傳感器，采用ModbusRTU協(xié)議，能夠與整個系統(tǒng)相對接，以控制組態(tài)屏為系統(tǒng)的現(xiàn)實界面，按照本文介紹的模糊控制方法打造模糊控制技術體系。

在實驗過程中，改變實驗平臺控制器能夠模擬大棚的溫度變化情況，使系統(tǒng)能夠顯示大棚內的溫度變化情況，并仿照種植戶的種植過程執(zhí)行控制指令。

3.2 實驗結果評價

在本次實驗中，設定溫度為17～20 ℃，在將該數(shù)據(jù)下發(fā)到模糊控制器之后，通過模糊控制器的功能調節(jié)模塊將大棚內的溫度有效維持在這一溫度范圍內，有效保證了農作物的順利成長。在實驗期間遭遇一次大范圍的降溫，導致大棚內溫度偏低，而ZigBee物聯(lián)網(wǎng)在向種植戶發(fā)送警報之后，種植戶通過手動調控的方法將大棚內的設計溫度上限從20 ℃上調至23 ℃，有效保障了農作物健康成長，此時災害中農作物基本無受災受凍情況，證明模糊控制方法在ZigBee物聯(lián)網(wǎng)智慧農業(yè)大棚中發(fā)揮了預期效果。

4 結束語

在ZigBee物聯(lián)網(wǎng)智慧農業(yè)大棚中，采用模糊控制的方法能夠進一步優(yōu)化智慧農業(yè)大棚的功能。本文所介紹的技術方案具有可行性，通過該方法能夠充分發(fā)揮模糊控制技術的優(yōu)勢來適應復雜環(huán)境下的農業(yè)生產要求，對于全面提高農業(yè)發(fā)展水平具有重要意義，值得推廣。

參考文獻

[1] 劉洋，許燕，彭炫，等. 物聯(lián)網(wǎng)溫室群雙模糊控制系統(tǒng)的設計[J]. 農機化研究，2021，43（10）：191-196.

[2] 章一楠.基于物聯(lián)網(wǎng)的出菇溫室數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)設計[D].銀川：寧夏大學，2020.