基于模糊控制算法的糧食倉庫溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)

周慧星，王連生

（1.許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 許昌 461000；2.鞍山千山糧食儲備庫有限責(zé)任公司，遼寧 鞍山 114000）

糧食一直都是影響國家發(fā)展的重要因素之一，也是較為特殊的戰(zhàn)略物資，其在推動國民經(jīng)濟(jì)進(jìn)步的同時(shí)，還影響到國計(jì)民生等問題。糧食儲備一直以來都是十分重要的工作，部分地區(qū)為了提升糧食儲備的整體質(zhì)量和效率，會設(shè)定相應(yīng)規(guī)模的糧食倉庫，以此來確保所儲備糧食的安全性與可使用性[1]。在實(shí)際工作中，對于糧食倉庫的環(huán)境與溫度，均需嚴(yán)格控制，營造適合存儲的外部環(huán)境[2]。

但是當(dāng)前階段，不少糧食倉庫采用人工調(diào)溫，這種方式雖然可以完成預(yù)期的目標(biāo)任務(wù)，但是在實(shí)際應(yīng)用的過程中，時(shí)常會出現(xiàn)或多或少的偏差，對于糧食的存儲造成嚴(yán)重的影響[3]。所以，根據(jù)上述背景環(huán)境，可以在糧食倉庫中構(gòu)建相應(yīng)的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合信息化、智能化技術(shù)，構(gòu)建更加穩(wěn)定的監(jiān)控結(jié)構(gòu)?？紤]到系統(tǒng)的可變性與無線實(shí)時(shí)性，需要在系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)模糊控制矩陣，以此來進(jìn)一步優(yōu)化完善系統(tǒng)的監(jiān)控效果，建立更加完整的糧食儲備設(shè)施以及糧情監(jiān)控系統(tǒng)，推動我國糧食儲備逐漸向著智能化、自動化的管理方向發(fā)展。加強(qiáng)對內(nèi)部溫度的控制與調(diào)節(jié)，優(yōu)化信息采集體系的同時(shí)，要營造更好的糧食儲備環(huán)境，以此來提升糧食倉庫的遠(yuǎn)程監(jiān)測與預(yù)警的效果[4]。

1 糧食倉庫溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 多節(jié)點(diǎn)傳感電路設(shè)計(jì)

在對糧食倉庫溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，需要先進(jìn)行多節(jié)點(diǎn)傳感電路的設(shè)計(jì)。對于糧食倉庫的硬件體系來說，溫度節(jié)點(diǎn)控制裝置與電路構(gòu)建也是十分重要的，為了加強(qiáng)對溫度的控制與調(diào)節(jié)，可以設(shè)計(jì)具有針對性的多節(jié)點(diǎn)傳感電路[5]。先采用DS1820數(shù)字溫度傳感器，將其安裝在總控電路之中，結(jié)合溫度的變化情況以及實(shí)際的控制需求，直接把測定溫度轉(zhuǎn)化為串行數(shù)字信號，在這個(gè)過程中，先獲取相應(yīng)的溫度變化數(shù)據(jù)，傳輸導(dǎo)入處理器之中，采用特定的編程方式，構(gòu)建6位的溫度讀數(shù)[6]。

安裝一個(gè)地址線在溫度傳感器中，與側(cè)方電路中的單片機(jī)成并聯(lián)狀態(tài)。此時(shí)，溫度傳感器，單片機(jī)以及控制設(shè)備均處于同一個(gè)控制區(qū)域，在總控開關(guān)上安裝溫度報(bào)警觸發(fā)器，一旦設(shè)備感應(yīng)到溫度的變化，便可以發(fā)出警示，提醒管理人員作出及時(shí)的應(yīng)對[7]。在上述的背景之下，利用雙層引線構(gòu)建一個(gè)臨時(shí)的邏輯控制電路，這部分主要是對糧食倉庫的外部環(huán)境進(jìn)行控制與調(diào)節(jié)?？梢酝ㄟ^更改溫度傳感器的執(zhí)行RAM內(nèi)存指令來變更相應(yīng)的執(zhí)行目標(biāo)，對此時(shí)糧食倉庫的內(nèi)部溫度作出實(shí)時(shí)識別，形成傳感節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的定位，完成對多節(jié)點(diǎn)傳感電路的設(shè)計(jì)[8]。

1.2 GSM雙控單片機(jī)設(shè)計(jì)

在完成對多節(jié)點(diǎn)傳感電路的設(shè)計(jì)之后，需要設(shè)計(jì)2GSM雙控單片機(jī)，并將其與硬件環(huán)境相融合。其實(shí)，單片機(jī)是溫度監(jiān)控系統(tǒng)中較為重要的一種硬件，本文選擇STC89C52作為系統(tǒng)的主控芯片。將STC89C52芯片安裝在溫度傳感器的后方電路，在主控開關(guān)與邏輯電路附近設(shè)定一個(gè)帶有RS232串行接口的單片裝置，用以核定執(zhí)行信號的穩(wěn)定性，更改單片裝置的雙向頻率范圍為800 ~ 1 600 MHz，此時(shí)的單片裝置處于二級控制狀態(tài)，僅可以對系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)備進(jìn)行控制，考慮到高層設(shè)備的應(yīng)用，還需要在電路之中增加TC35雙控模塊，形成GSM雙控單片機(jī)結(jié)構(gòu)，具體如圖1所示。

圖1 GSM雙控單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖1，可以完成對GSM雙控單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。在預(yù)設(shè)的監(jiān)測范圍之內(nèi)，構(gòu)建GSM雙控串口助手，以串口助手來實(shí)現(xiàn)硬件的輔助操控，加強(qiáng)對糧食倉庫溫度的控制，并形成更加穩(wěn)定的監(jiān)測環(huán)境，在串口輸入指令協(xié)議，并與單片機(jī)關(guān)聯(lián)，完成對GSM雙控單片機(jī)的最終設(shè)計(jì)。

2 糧食倉庫溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 動態(tài)模糊控制溫度檢測協(xié)議設(shè)計(jì)

在完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)之后，需要在模糊控制算法之下，構(gòu)建動態(tài)模糊控制溫度檢測協(xié)議?？梢栽谙到y(tǒng)的整體AODV發(fā)送監(jiān)測相鄰鏈路節(jié)點(diǎn)，形成具有針對性的監(jiān)測結(jié)構(gòu)，具體如圖2所示。

圖2 AODV發(fā)送監(jiān)測相鄰鏈路節(jié)點(diǎn)監(jiān)測結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖2，可以完成對AODV發(fā)送監(jiān)測相鄰鏈路節(jié)點(diǎn)監(jiān)測結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。結(jié)合系統(tǒng)的數(shù)據(jù)定位與覆蓋功能，收集獲取相應(yīng)的路由溫度檢測范圍，在合理的結(jié)構(gòu)之中，計(jì)算出路由系數(shù)與失效路由系數(shù)之比，具體如式（1）所示。

式中：R為路由系數(shù)與失效路由系數(shù)之比；ι為動態(tài)監(jiān)測距離值，m；α為周期性，s；為允許出現(xiàn)的誤報(bào)范圍，m2；κ為鏈路節(jié)點(diǎn)數(shù)量，個(gè)。

通過式（1）可計(jì)算得出實(shí)際的路由系數(shù)與失效路由系數(shù)之比。根據(jù)得出的比例，設(shè)定具體的路由覆蓋范圍，基于動態(tài)模糊控制技術(shù)的作用，在糧食倉庫溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)中，設(shè)定均衡動態(tài)處理結(jié)構(gòu)，同時(shí)編制相對應(yīng)的目標(biāo)指令，將指令設(shè)定在系統(tǒng)的溫度監(jiān)測控制區(qū)域之中，營造動態(tài)處理的環(huán)境，為后續(xù)的設(shè)計(jì)構(gòu)建條件。

2.2 實(shí)時(shí)AdHoc模糊內(nèi)控溫度監(jiān)測模塊設(shè)計(jì)

在完成對動態(tài)模糊控制溫度檢測協(xié)議的設(shè)計(jì)之后，需要進(jìn)行實(shí)時(shí)AdHoc模糊內(nèi)控溫度監(jiān)測模塊的構(gòu)建。AdHoc模糊內(nèi)控網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上是一種具有分辨性的多核心、多目標(biāo)無線網(wǎng)絡(luò)，對比于傳統(tǒng)的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，AdHoc模糊網(wǎng)絡(luò)更加靈活、多變，在實(shí)際的應(yīng)用過程中具有轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文的功能。

本系統(tǒng)會在終端無線的覆蓋范圍之內(nèi)，在有限溫度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)之間創(chuàng)建分層內(nèi)控協(xié)調(diào)模塊，每一個(gè)模塊均是獨(dú)立運(yùn)行的，且具有較強(qiáng)的全面性以及系統(tǒng)性，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)與系統(tǒng)之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，一旦節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)異?；蛘吖收?，系統(tǒng)便會實(shí)時(shí)感知，形成監(jiān)測信號，傳送至預(yù)設(shè)的位置，形成中心控制結(jié)點(diǎn)，分布在對特定的區(qū)域之中，給予相關(guān)管理人員警示，實(shí)現(xiàn)更加高效的實(shí)時(shí)AdHoc模糊內(nèi)控溫度監(jiān)測模塊的構(gòu)建。

3 系統(tǒng)測試

本次主要是對模糊控制算法下糧食倉庫溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證與分析。本次測試選取R糧食倉庫作為目標(biāo)測試對象，考慮到最終測試結(jié)果的穩(wěn)定性與可靠性，設(shè)定測試的范圍為固定區(qū)域，同時(shí)，測試系統(tǒng)所用的網(wǎng)絡(luò)為GSM網(wǎng)絡(luò)，測試環(huán)境相對穩(wěn)定。

3.1 測試準(zhǔn)備

在對模糊控制算法下糧食倉庫溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行測試之前，需要先搭建相應(yīng)的測試環(huán)境。R糧食倉庫位于四川省，糧食倉庫中包含4個(gè)小型的糧倉，且每一個(gè)糧倉在糧庫內(nèi)均呈直線形等間距分布。R糧食倉庫中的4個(gè)倉庫由同一個(gè)溫控監(jiān)測系統(tǒng)管控，對于溫度的調(diào)節(jié)以及監(jiān)測工作也是由一個(gè)完整的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制。在每一個(gè)糧倉的中間位置安置一個(gè)小型的溫度控制器，將其與總控系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，設(shè)定監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，這部分需要先計(jì)算溫度監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部距離，具體如式（2）所示。

式中：H為溫度監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部距離，m；φ為變化比值；F為糧倉實(shí)際的監(jiān)控范圍，m3。

通過式（2），最終可以得出實(shí)際的溫度監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部距離。根據(jù)得出的數(shù)值，在每一個(gè)糧食倉庫中，根據(jù)溫度的監(jiān)測覆蓋范圍，設(shè)定對應(yīng)數(shù)量的溫度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)。

考慮到監(jiān)測效果的精準(zhǔn)性與可靠性，可以在每一個(gè)糧食倉庫中設(shè)定一個(gè)核心節(jié)點(diǎn)，將4個(gè)糧倉的核心檢測點(diǎn)關(guān)聯(lián)在一起，與總控系統(tǒng)形成關(guān)聯(lián)網(wǎng)，將核心節(jié)點(diǎn)編號為節(jié)點(diǎn)1 ~ 4，隨后，為了增加系統(tǒng)對于糧食倉庫內(nèi)部數(shù)據(jù)的獲取與收集，還需要在糧庫系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)定一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)設(shè)定相應(yīng)的數(shù)據(jù)控制與監(jiān)測信道，信道的傳輸率為67.5%。

在合理的監(jiān)測范圍之內(nèi)，調(diào)節(jié)監(jiān)測信道的通信頻率為1 410 MHz，設(shè)定每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號發(fā)射功率為1.87 W。糧倉溫度預(yù)設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，在系統(tǒng)內(nèi)部建立數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)包500個(gè)。設(shè)定信號以及數(shù)據(jù)包的發(fā)射速度為0.5 s-1。與此同時(shí)，還需要在糧食倉庫外部的小型監(jiān)控設(shè)備以及監(jiān)測節(jié)點(diǎn)處安裝溫度傳感器，與監(jiān)測系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，完成對測試系統(tǒng)環(huán)境的搭建。核查測試的設(shè)備與裝置是否處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，確保不存在影響最終測試結(jié)果的外部因素，核查無誤后，開始具體的系統(tǒng)測試。

3.2 測試過程及結(jié)果分析

在上述所搭建的測試環(huán)境之下，進(jìn)行更為具體的系統(tǒng)測試?？梢韵阮A(yù)設(shè)幾個(gè)溫度層級的測試點(diǎn)，分別設(shè)定為-10、0、10、16、20、25 ℃，在不同的測試環(huán)境之下，測定系統(tǒng)的警示反應(yīng)情況。可以結(jié)合模糊控制算法，先計(jì)算出具體的監(jiān)測交互系數(shù)，具體如式（3）所示。

式中：M為監(jiān)測交互系數(shù)；δ為實(shí)際的監(jiān)測范圍，m；為監(jiān)控可調(diào)節(jié)范圍，m3；α為監(jiān)測節(jié)點(diǎn)變化距離，m。

通過式（3），最終可以得出實(shí)際的監(jiān)測交互系數(shù)。將其設(shè)定在系統(tǒng)的交互控制區(qū)域之中，再利用溫度監(jiān)控系統(tǒng)與溫度傳感器，來獲取相應(yīng)的測試數(shù)據(jù)線信息，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入控制設(shè)備之中，形成相對應(yīng)的處理協(xié)議。但是需要注意的是，對于本文所測定的小型糧食倉庫，可以通過設(shè)定控制執(zhí)行指令的方式來完成溫度監(jiān)測，進(jìn)一步確保最終監(jiān)測結(jié)果的可靠性，也可以提升系統(tǒng)的整體應(yīng)用能力，降低溫度監(jiān)測失誤性。在上述的背景環(huán)境之下，依據(jù)設(shè)定的順序，進(jìn)行溫度的調(diào)節(jié)與變化，同時(shí)測定6組目標(biāo)，最終計(jì)算出溫度監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)際丟包率，具體如式（4）所示。

式中：Y為溫度監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)際丟包率，%；μ為糧食倉庫溫度變化比；d為模糊接收率。

通過式（4），最終可以得出溫度監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)際丟包率，根據(jù)得出的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行具體的分析與驗(yàn)證，如表1所示。

表1 系統(tǒng)測試結(jié)構(gòu)分析

由表1可知：在試驗(yàn)設(shè)定的6個(gè)溫度下，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有更強(qiáng)的靈活性與穩(wěn)定性，而且溫度監(jiān)測丟包率隨溫度升高呈下降趨勢，表明系統(tǒng)對于溫度的控制逐漸趨于穩(wěn)定，同時(shí)監(jiān)測的范圍也在不斷擴(kuò)大延伸，效果更佳，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié) 語

與傳統(tǒng)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)相比，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)更加靈活多變，具有較強(qiáng)的可操控性，在穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境之下，與GSM網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)后，形成可控終端，同時(shí)營造貼合實(shí)際的監(jiān)控環(huán)境，通過溫度調(diào)節(jié)指令的編制與處理，形成對糧食倉庫的控制區(qū)域，打破傳統(tǒng)監(jiān)測限制的同時(shí)，增強(qiáng)了穩(wěn)定性。與此同時(shí)，還可以預(yù)設(shè)相應(yīng)的警示功能，加強(qiáng)對糧食倉庫的內(nèi)部環(huán)境的監(jiān)控，一旦溫度發(fā)生較大的變化，系統(tǒng)會即刻感知到異常，作出警示，進(jìn)而確保最終的監(jiān)測結(jié)果，最大程度提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。