農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測及控制的仿真與實現(xiàn)

張海燕，俞曉陽

（甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 甘肅 蘭州 730050）

0 引言

隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的重要性日益突出。 人們對于遠(yuǎn)程監(jiān)測以及控制農(nóng)業(yè)環(huán)境的要求越來越迫切,作為第三次工業(yè)革命代表的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),與現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的融合是一種趨勢［1-3］。

在歐洲及日本,對于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的現(xiàn)代化設(shè)施的統(tǒng)稱提出了“設(shè)施農(nóng)業(yè)(Protected Agriculture)”這一概念,美國則通常用到“可控環(huán)境農(nóng)業(yè)(Controlled Environmental Agriculture)”一詞［4］。 2012 年,我國的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)有很大的突破,最主要體現(xiàn)在我國的設(shè)施農(nóng)業(yè)面積在全世界設(shè)施面積中的占比已經(jīng)達(dá)到了85%以上。 在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)中,聚烯烴溫濕度大棚膜的覆蓋比例達(dá)到了95%以上。 我國的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)對太陽能的利用居于世界首位,我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的數(shù)量優(yōu)勢已經(jīng)隨著量變的積累到了質(zhì)變的轉(zhuǎn)化階段,農(nóng)業(yè)的技術(shù)水平已經(jīng)越來越接近世界的先進(jìn)水平。 設(shè)施栽培以其產(chǎn)量突出、規(guī)模效應(yīng)明顯而在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中占據(jù)優(yōu)勢地位,其產(chǎn)量比傳統(tǒng)露天種植高出2.5 倍［5］。 我國歷來受遠(yuǎn)低于世界的人均耕地制約,糧食產(chǎn)量如何匹配我國糧食需求一直以來都為人們所重視。 發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)是當(dāng)前解決我國人口與耕地矛盾的最行之有效的手段。

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展,溫室大棚氣候環(huán)境監(jiān)測和局部氣候通過技術(shù)手段改變對農(nóng)民增產(chǎn)增收有著重要的意義［6］。 近年來越來越多的學(xué)者開展了關(guān)于農(nóng)業(yè)環(huán)境因素的遠(yuǎn)程監(jiān)控及相關(guān)的工作,監(jiān)控的因素包括溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度等。 本課題采用多種傳感器及嵌入式技術(shù)相結(jié)合,搭建了一個新型便攜式綜合環(huán)境檢測數(shù)據(jù)的采集模塊,其中溫度控制單元可以實現(xiàn)環(huán)境溫度的遠(yuǎn)程控制。 本課題研發(fā)和設(shè)計了一種功能多樣、可靠性高的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)采集及局部氣候改變系統(tǒng),提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)原理和組成

1.1 氣象數(shù)據(jù)的采集與測量系統(tǒng)

氣象數(shù)據(jù)的采集與測量是本課題研究的基礎(chǔ)和重點。 本系統(tǒng)擬采用STM32 為核心處理器,以模塊化編程方式實現(xiàn),將各個數(shù)據(jù)以模塊化方式進(jìn)行采集并通過無線通信及GPRS 透傳進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳與保存。 總體構(gòu)架,如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集與測量系統(tǒng)

1.2 大棚局部氣候遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計

送風(fēng)設(shè)計考慮到環(huán)境中空氣調(diào)節(jié)的均勻性和連續(xù)性,故而采用壓力均勻的送風(fēng)環(huán)節(jié),同時在送風(fēng)管道的選擇上,盡可能選擇柔性管道,使調(diào)控過程中大棚空間中的空氣調(diào)節(jié)更加均勻,同時由于采用了柔性風(fēng)管,大大減小了所占用的空間。 除了送風(fēng)環(huán)節(jié),還采用了中央空調(diào)式的溫度調(diào)節(jié)設(shè)計,同時自然補(bǔ)充環(huán)境中的二氧化碳,這樣的措施可以防止由于二氧化碳濃度的波動所引起的農(nóng)作物早衰的現(xiàn)象。 為了控制環(huán)境濕度,此系統(tǒng)使用濕簾,其他相關(guān)的組成部分包括供水系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)及相關(guān)的配件。 在實際的安裝過程中,濕簾被安裝在溫室大棚的北墻,將風(fēng)扇布置在溫室大棚的南墻,從而避免了濕簾引起的遮光問題,影響溫室中植株的生長。 同時考慮到一旦室外的溫度降低,為了保證室內(nèi)溫度的穩(wěn)定性,在濕簾外側(cè)在加裝一層保溫膜。

為了控制系統(tǒng)中模擬降雨量的精度要求,本系統(tǒng)采用基于變頻器控制的方式來精確控制水泵的流量,根據(jù)系統(tǒng)所需要的流量來設(shè)定壓力值,在系統(tǒng)中再利用壓力傳感器反饋系統(tǒng)的壓力值,配合變頻器組成電機(jī)的自動調(diào)速的控制系統(tǒng),對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行自動調(diào)節(jié),從而控制溫室內(nèi)模擬降雨所對應(yīng)的不同雨量對應(yīng)的水的壓力值,再根據(jù)反饋的壓力值來進(jìn)行模擬降雨的自動調(diào)節(jié)。 這種調(diào)節(jié)方式的優(yōu)點是響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性強(qiáng)、運(yùn)行效率高。 將上位機(jī)和PLC 實時通信,以監(jiān)控環(huán)境中的各項參數(shù),并實時顯示各項參數(shù)的數(shù)值。

在光照度的調(diào)解方式上,本課題擬實現(xiàn)溫室大棚光照的智能調(diào)節(jié),推進(jìn)我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展。 在本次設(shè)計系統(tǒng)中采用STC89C51 單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心處理芯片,為了實現(xiàn)自動控制,采用光敏電阻實時采集環(huán)境中的光照強(qiáng)度,并且用此信號在單片機(jī)中進(jìn)行處理,設(shè)定一個光照的閾值,一旦光照強(qiáng)度超過此閾值,單片機(jī)控制光簾的電機(jī)來實時地控制光簾的開度。當(dāng)光照強(qiáng)度低于設(shè)定的閾值時,單片機(jī)發(fā)出控制信號兩驅(qū)動控制電機(jī)以實現(xiàn)光簾的收起。 同時,為了方便使用,考慮添加手動使用。 在手動模式中用SC2262 編碼芯片將遙控的信號進(jìn)行編碼,通過無線接收模塊發(fā)送到單片機(jī)當(dāng)中,以實現(xiàn)控制信號的手動輸入目的,從而實現(xiàn)光簾開度的控制［7］。

3 溫度模型的建立

為了建立溫室的溫度模型,根據(jù)溫室內(nèi)的熱平衡方程,將影響溫室中溫度的因素綜合考慮,得到描述溫室中溫度變化率dT/dt 的具體的微分方程,動態(tài)模型如下:

其中,v 表示為溫室的體積(m3),ρ為空氣密度(kg/m3),Cp為空氣中的熱含量(Jkg-1k-1),Qr為太陽光照輻射能,Qheater為加熱能,Qvent為通風(fēng)和滲透的能量,Qc為與外界熱傳導(dǎo)的能量,Ql長波輻射能量,Qleaf為室內(nèi)空氣與作物葉面的熱傳導(dǎo)能量。

為了得到模型中各個能量單元的具體表達(dá)式,分析溫室大棚中其小氣候變化的物理過程,來建立各種能量交換的具體表達(dá)式［8］:

太陽輻射能量Qr表達(dá)式如下:

選擇的主要參數(shù),如表1 所示。

表1 模型參數(shù)

4 溫度模糊控制的仿真

將上述參數(shù)帶入,在matlabb simulink 中建立目標(biāo)溫室的數(shù)學(xué)模型。 采用模糊控制的方法實現(xiàn)溫度控制［9-10］。 模糊PID 控制的仿真原理,如圖2 所示。

圖2 仿真原理

4.1 模糊控制器的設(shè)計

該系統(tǒng)為兩輸入單輸出系統(tǒng),輸入量是溫度的誤差及其微分,輸出為加熱器的控制信號,如圖2 所示。將模糊控制器的兩輸入范圍分為元素為7 個的模糊集合,從負(fù)最大到正最大,將輸出也分為元素為7 個的模糊集合,也是從負(fù)最大到正最大。 隸屬度函數(shù)選擇簡單高效的三角形函數(shù)。

自整定規(guī)律如下:

(1) 系統(tǒng)誤差及其微分信號通過建立模糊規(guī)則輸出一定的控制信號,當(dāng)誤差比較大且誤差的微分比較大時輸出的控制信號比較激進(jìn),目的是使系統(tǒng)的誤差盡快減小。

(2) 當(dāng)誤差進(jìn)入比較小的閾值輸出的控制信號比較緩和,目的是使系統(tǒng)的誤差不會產(chǎn)生劇烈的震蕩。

解模糊采用重心法。 通過模糊控制器的自整定規(guī)律,再結(jié)合解模糊,就可以實現(xiàn)從模糊集合到實際輸出的變換。

4.2 系統(tǒng)仿真

仿真的溫度給定值設(shè)定為28 ℃,在經(jīng)過120 s的穩(wěn)定時間后,將溫度設(shè)定值升高5 ℃觀察輸出的溫度波形,如圖3 所示。 在Matlab 中對此模糊溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真,同時將此結(jié)果和傳統(tǒng)PID 控制算法的仿真結(jié)果進(jìn)行比較,可以得出如下結(jié)論:模糊控制算法成功降低了溫室大棚溫度控制的超調(diào)并且大大減小了溫度的響應(yīng)時間。

圖3 溫度調(diào)節(jié)波形

5 環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實現(xiàn)

項目運(yùn)用傳感器及嵌入式技術(shù)設(shè)計了一種新型便攜式綜合環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)采集儀。 通過實驗結(jié)果和誤差分析的研究、分析可實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集和顯示功能,并保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可信度,可應(yīng)用于空氣質(zhì)量監(jiān)測、室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測、煤氣、天然氣及有毒氣體監(jiān)測等場景［11-12］。遠(yuǎn)程環(huán)境數(shù)據(jù)采集儀1.0 電路,如圖4 所示。

圖4 遠(yuǎn)程環(huán)境數(shù)據(jù)采集儀1.0 電路

遠(yuǎn)程環(huán)境數(shù)據(jù)采集儀PC 界面:系統(tǒng)使用ONENET 移動物聯(lián)網(wǎng)平臺做PC 及手機(jī)端界面,可實時在PC 端與手機(jī)端觀測所有數(shù)據(jù)及其變化,并可以查詢?nèi)我鈺r刻的數(shù)據(jù)信息,方便針對具體情況進(jìn)行相應(yīng)的處理措施［13-15］。 遠(yuǎn)程環(huán)境數(shù)據(jù)采集儀PC 界面,如圖5 所示。

圖5 遠(yuǎn)程環(huán)境數(shù)據(jù)采集儀PC 界面

6 結(jié)語

本文通過建立溫室大棚環(huán)境綜合控制的整體架構(gòu),得到了一個較完整的溫室環(huán)境綜合控制的實現(xiàn)途徑,并確定了方案中的具體實現(xiàn)方式。 通過分析得出溫室大棚的溫度模型,由此確定了本次課題中所采用的控制算法,設(shè)計了相應(yīng)的模糊算法,并經(jīng)過Matlab仿真測試,得出該控制器具有良好的動態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能,輸出超調(diào)小,響應(yīng)速度快,可以作為溫室大棚環(huán)境控制的實現(xiàn)方式。