基于物聯(lián)網(wǎng)的大棚溫度聯(lián)合穩(wěn)定控制系統(tǒng)

周新淳(寶雞文理學(xué)院 物理與光電技術(shù)學(xué)院， 寶雞 721016)

基于物聯(lián)網(wǎng)的大棚溫度聯(lián)合穩(wěn)定控制系統(tǒng)

周新淳
(寶雞文理學(xué)院 物理與光電技術(shù)學(xué)院， 寶雞 721016)

溫室大棚是提升農(nóng)業(yè)培育水平的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)，為此設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)的大棚溫度聯(lián)合穩(wěn)定控制系統(tǒng)。系統(tǒng)通過溫度采集模塊采集數(shù)字形式的大棚溫度信息，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊給予溫度信息一個固定的IP地址，以便開展遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸與大棚環(huán)境監(jiān)控，使用聯(lián)合模糊PID控制器處理溫度信息，從誤差波動、超調(diào)量和控制指令響應(yīng)3個方面入手，修正模糊PID控制產(chǎn)生的靜態(tài)誤差，實(shí)現(xiàn)大棚溫度聯(lián)合穩(wěn)定控制。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)，響應(yīng)時間短。

物聯(lián)網(wǎng)； 大棚溫度； 聯(lián)合穩(wěn)定控制； 系統(tǒng)設(shè)計(jì)； 模糊PID

Abstract： Greenhouse is an important turning point to improve the level of agricultural cultivation, therefore, temperature stability control system based on the Internet of things is proposed. Greenhouse temperature information is collected by acquisition module, the network transmission module gives the temperature information a fixed IP address, to facilitate long-distance data transmission and monitor greenhouse environment. A fuzzy PID controller is used to process temperature information, including error fluctuation, overshoot and response. The static error correction of fuzzy PID control is modified to achieve joint control of greenhouse temperature stability. The simulation results show that the designed system has strong practicability and short response time.

Keywords： The Internet of things; Canopy temperature; Joint stability control; System design; Fuzzy PID

0 引言

中國是農(nóng)業(yè)大國，但農(nóng)業(yè)技術(shù)卻較為落后，農(nóng)民主要依靠傳統(tǒng)務(wù)農(nóng)經(jīng)驗(yàn)對農(nóng)作物實(shí)施澆肥灌溉，不利于務(wù)農(nóng)水平的穩(wěn)定提升，務(wù)農(nóng)工作迫切需要使用科學(xué)技術(shù)加以指導(dǎo)，以引領(lǐng)正確的種植和培育方式，減少資源浪費(fèi)。溫室大棚的出現(xiàn)使得我國農(nóng)業(yè)開始向著信息、傳感網(wǎng)絡(luò)一體化的方向發(fā)展，農(nóng)作物培育工作變得簡單、有效，這源于大棚內(nèi)溫度、濕度、氣壓等農(nóng)作物賴以生存的環(huán)境參數(shù)是可控的，可以給予農(nóng)作物最適合的生長環(huán)境，大棚溫度控制系統(tǒng)對我國農(nóng)業(yè)發(fā)展意義非凡。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的大棚溫度聯(lián)合穩(wěn)定控制系統(tǒng)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)概述

感知層、網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層共同組成物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)架構(gòu)，各層之間功能相互獨(dú)立，數(shù)據(jù)卻互通，連接格外緊密，是一種高效能的底層應(yīng)用架構(gòu)[1]，如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用原理

物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)架構(gòu)以網(wǎng)絡(luò)層的網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力為核心，由網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)實(shí)施系統(tǒng)而全面的數(shù)據(jù)交互，通過感知層精準(zhǔn)采集上層設(shè)備信息，為上層設(shè)備提供成熟的解決方案。應(yīng)用層用于展示物聯(lián)網(wǎng)底層應(yīng)用，將上層設(shè)備信息的操作需求與物聯(lián)技術(shù)相互融合，增強(qiáng)設(shè)備整體自動化水平。

物聯(lián)網(wǎng)的可移植能力強(qiáng)，所能提供的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)在于設(shè)備與功能的有機(jī)融合以及資源的合理利用，在如今的大數(shù)據(jù)時代，物聯(lián)網(wǎng)是解決信息交融的重要技術(shù)，它在大棚溫度聯(lián)合穩(wěn)定控制系統(tǒng)中發(fā)揮的作用如下：

增益溫度感知能力。大棚溫度聯(lián)合穩(wěn)定控制系統(tǒng)中使用的溫度傳感器通常采用虛擬信號，物聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬信號和數(shù)字信號的相互轉(zhuǎn)換[2]，減少系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置規(guī)程，以快速辨認(rèn)二進(jìn)制編碼，精確提取大棚溫度信息，有利于溫度控制方案的實(shí)施；

提供遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸能力。采集到的大棚溫度信息被保存在系統(tǒng)寄存器中，大棚內(nèi)的顯示屏可以直接顯示信息。由于控制中心負(fù)責(zé)匯總不同傳感器采集到的信息，因此往往不將溫度控制中心部署在大棚內(nèi)，而是通過物聯(lián)網(wǎng)底層應(yīng)用組網(wǎng)后進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，再將溫度控制方案回傳給大棚內(nèi)部的溫度控制終端，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸提供了解決方案；

進(jìn)行溫度信息的聯(lián)合處理。大棚內(nèi)空間大，不同節(jié)點(diǎn)的溫度有可能不同，如果采用多個溫度控制終端調(diào)節(jié)大棚溫度，農(nóng)作物培育成本過高，因此一般使用2個溫度控制終端，這就需要對不同的溫度信息進(jìn)行聯(lián)合處理[3]，物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)架構(gòu)的嵌入式處理技術(shù)能夠化繁為簡，將現(xiàn)場傳感器、應(yīng)用集成等技術(shù)融為一體，增強(qiáng)溫度控制效果。

圖1是物聯(lián)網(wǎng)在大棚溫度聯(lián)合穩(wěn)定控制系統(tǒng)的應(yīng)用原理，以公共技術(shù)服務(wù)平臺給出的農(nóng)作物培育溫度標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)制定相應(yīng)的大棚溫度控制方案[4]。網(wǎng)絡(luò)層將通用分組無線服務(wù)技術(shù)(General Packet Radio Service，GPRS)與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，給予溫度信息一個固定的IP地址，開展遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。應(yīng)用層進(jìn)行數(shù)據(jù)嵌入式處理工作時將使用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，根據(jù)溫度信息中數(shù)據(jù)傳輸IP地址將大棚溫度控制方案作用到感知層的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

基于物聯(lián)網(wǎng)的大棚溫度聯(lián)合穩(wěn)定控制系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)架構(gòu)上實(shí)施多層模塊化設(shè)計(jì)，具有可修正性和重復(fù)利用性[5]，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案擁有3個模塊，分別是溫度采集模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊和遠(yuǎn)程控制模塊，其功能依次對應(yīng)著物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)架構(gòu)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層。系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分散采集大棚溫度信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向傳輸，通信接口選用RS485，以差分形式和Modbus協(xié)議[6]傳輸數(shù)據(jù)，極大地增強(qiáng)了遠(yuǎn)距離傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

溫度采集模塊的主要硬件包含溫度傳感器和無線網(wǎng)絡(luò)采集器，溫度傳感器依據(jù)特定周期采集信息，通過無線網(wǎng)絡(luò)采集器將原采集信息的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再將數(shù)字信號反饋至網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊以網(wǎng)絡(luò)基站為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)平臺，通過GPRS網(wǎng)關(guān)使溫度信息能夠進(jìn)行安全可靠的傳輸工作，也便于實(shí)時接收用戶設(shè)置的傳輸控制參數(shù)。同時，網(wǎng)絡(luò)基站使用具有高容錯性、低成本的Zigbee協(xié)議[7]連接大棚溫度傳感器，可幫助用戶遠(yuǎn)程監(jiān)控大棚環(huán)境，從而對突發(fā)事件做出快速決策。

遠(yuǎn)程控制模塊接受用戶的直接控制，通過GPRS網(wǎng)關(guān)連接部署在大棚內(nèi)部的控制終端。用戶在這一模塊中可以實(shí)時查詢歷史溫度信息和控制方案、設(shè)定警報參數(shù)、使用物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層提供的軟件與數(shù)據(jù)資源處理溫度信息。控制終端可以接受用戶個人電腦、手機(jī)、Pad等無線終端的控制，實(shí)現(xiàn)真正意義上的物與物之間的遠(yuǎn)程連接。

2.3 大棚溫度聯(lián)合穩(wěn)定控制方案

基于物聯(lián)網(wǎng)的大棚溫度聯(lián)合控制系統(tǒng)使用模糊PID控制器在遠(yuǎn)程控制模塊中聯(lián)合處理溫度信息，設(shè)計(jì)一種能夠減弱靜態(tài)誤差的聯(lián)合模糊PID控制器。模糊PID控制器在處理過程中極易產(chǎn)生靜態(tài)誤差，聯(lián)合模糊PID控制是模糊PID控制的高級溫補(bǔ)方案，它將所產(chǎn)生的靜態(tài)誤差聯(lián)合進(jìn)行實(shí)時調(diào)整，消除超調(diào)量，從而穩(wěn)定大棚溫度控制效果。

模糊PID與聯(lián)合模糊PID的控制器控制原理圖，如圖3、圖4所示。

圖3 模糊PID控制器控制原理

圖4 聯(lián)合模糊PID控制器控制原理

FC指令是嵌入式操作系統(tǒng)用于進(jìn)行控制方案歷史列表調(diào)用的指令[8]，模糊PID控制器使用FC指令調(diào)出歷史控制方案，對其進(jìn)行模糊化，根據(jù)知識庫數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊推理，給出新的控制方案。將模糊PID控制器產(chǎn)生的靜態(tài)誤差負(fù)反饋至聯(lián)合模糊PID控制器，從誤差波動、超調(diào)量和控制指令響應(yīng)三方面入手，聯(lián)合修正靜態(tài)誤差，隨后將控制方案作用于被控對象，也就是大棚溫度。

如果靜態(tài)誤差E和誤差波動EC所對應(yīng)的模糊PID控制器規(guī)則輸出為KP、KI、KD，通過聯(lián)合調(diào)整PID參數(shù)減弱靜態(tài)誤差后得到式(1)，修正后的控制方案能夠快速、穩(wěn)定地進(jìn)行溫度控制，如式(1)。

(1)

式中，KP0、KI0、KD0是聯(lián)合模糊PID控制器的初始規(guī)則，K(E,EC)P、K(E,EC)I、K(E,EC)D表示誤差波動、超調(diào)量和控制指令響應(yīng)的靜態(tài)誤差修正值。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 仿真模型

SIMULINK是Maltab仿真軟件中一項(xiàng)重要的線性狀態(tài)空間系統(tǒng)模型[9]，它可以模擬出一個動態(tài)集成環(huán)境，如圖5所示。

圖5 仿真模型

由于物聯(lián)網(wǎng)各層之間功能相互獨(dú)立，所以模型在對基于物聯(lián)網(wǎng)的大棚溫度聯(lián)合穩(wěn)定控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真時，將直接從感知層獲取溫度采集模塊數(shù)據(jù)，之后調(diào)取其它系統(tǒng)模塊繼續(xù)進(jìn)行相關(guān)溫控工作。PID控制器參數(shù)組成輸入端數(shù)據(jù)，KP、KI、KD通過常量定義指令實(shí)現(xiàn)模糊PID控制的解模糊過程，參數(shù)E和EC經(jīng)過物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層(或遠(yuǎn)程控制模塊)修正后，與KP、KI、KD一同打包輸出，仿真模型數(shù)據(jù)將在計(jì)算機(jī)顯示屏上顯示。

在Maltab仿真軟件中輸入大棚溫控仿真模型，運(yùn)行基于物聯(lián)網(wǎng)的大棚溫度聯(lián)合穩(wěn)定控制系統(tǒng)進(jìn)行大棚溫控，使用控制矩陣表示溫度聯(lián)合控制方案。大棚溫控仿真模型是一個二階模型，將系統(tǒng)采集到的溫度信號以階躍信號[10]輸入仿真模型，將模型輸出分成三個支路，依次輸出系統(tǒng)在聯(lián)合模糊PID控制中的超調(diào)量、溫控響應(yīng)時間以及控制數(shù)據(jù)，并將控制數(shù)據(jù)繪制成控制效果曲線。

3.2 結(jié)果分析

圖6是基于物聯(lián)網(wǎng)的大棚溫度聯(lián)合穩(wěn)定控制系統(tǒng)的控制效果曲線，表1是控制性能對比表。由于系統(tǒng)在處理大棚溫度數(shù)據(jù)時同時使用模糊PID控制和聯(lián)合模糊PID控制，所以將模糊PID控制過程復(fù)制并提取出來，將其單獨(dú)繪制成一條控制效果曲線，以便更好地展示出聯(lián)合模糊PID控制相關(guān)性能?？刂贫鹊挠?jì)算如式(2)。

(2)

式中，Ts0、Ts1是溫控后溫度控制終端節(jié)點(diǎn)處的大棚溫度，T00、T01是聯(lián)合穩(wěn)定溫控方案中的理想溫度值。對于兩個2個溫度控制終端節(jié)點(diǎn)處的溫度，T00與Ts0相對，T01與Ts1相對，如圖6和表1所示。

圖6 控制效果曲線

由圖6、表1可知，基于物聯(lián)網(wǎng)的大棚溫度聯(lián)合穩(wěn)定控制系統(tǒng)能夠在很短的時間內(nèi)以最穩(wěn)定的控制狀態(tài)得到理想溫控效果，期間只會產(chǎn)生很少的超調(diào)量和振蕩次數(shù)，具有很高的應(yīng)用價值，而且溫控響應(yīng)時間短于模糊PID控制3.634s，這與物聯(lián)網(wǎng)為本文系統(tǒng)提供的溫度信息的聯(lián)合處理能力是分不開的。

仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)置的大棚溫度環(huán)境比較簡單，真實(shí)情況有可能復(fù)雜得多，將高階大棚溫度數(shù)據(jù)輸入大棚溫控仿真模型中，獲取聯(lián)合模糊PID控制中KP、KI、KD的暫態(tài)特性，如圖7～9所示。

圖7 KP暫態(tài)特性

圖8 KI暫態(tài)特性

圖9 KD暫態(tài)特性

本文系統(tǒng)對大棚溫度控制方案的響應(yīng)能力依舊很強(qiáng)，對于高階數(shù)據(jù)的普遍波動情況并未出現(xiàn)嚴(yán)重振蕩現(xiàn)象，展示出很強(qiáng)的實(shí)用性。

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)的大棚溫度聯(lián)合穩(wěn)定控制系統(tǒng)，探討了物聯(lián)網(wǎng)感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層在大棚溫度聯(lián)合控制中的具體應(yīng)用，包括增益溫度感知能力、提供遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸能力以及進(jìn)行溫度信息的聯(lián)合處理。在模糊PID控制器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種能夠減弱靜態(tài)誤差的聯(lián)合模糊PID控制器，將系統(tǒng)的實(shí)用性和溫控響應(yīng)能力推向新的高潮，令系統(tǒng)在仿真實(shí)驗(yàn)中取得了優(yōu)異的仿真效果。

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GreenhouseTemperatureStabilityControlSystemDesignBasedontheInternetofThings

Zhou Xinchun
(Institute of Physics & Optoelectronics Technology, Baoji University of Arts and Sciences, Baoji 721016, China)

TP277

A

2017.05.30)

寶雞市科技局農(nóng)業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目(14NYGG-5-7)

周新淳(1983-)，男，寶雞人，碩士研究生，講師，研究方向：通信技術(shù)，單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)研究。

1007-757X(2017)09-0027-04