王智聰，陳長春

基于模糊控制的大棚溫濕度自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

王智聰，陳長春

（齊齊哈爾大學(xué) 計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

給出大棚生產(chǎn)控制系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)和工作原理，在此基礎(chǔ)上，采用模糊聚類的方法，針對(duì)大棚作物不同生產(chǎn)時(shí)期的溫度、濕度、照度等生產(chǎn)環(huán)境的要求不同、權(quán)重不同、目標(biāo)不同的特點(diǎn)，結(jié)合作物生長規(guī)律，依據(jù)每種設(shè)備功耗、作業(yè)效率、工作時(shí)間等特征值指標(biāo)，分別對(duì)溫度設(shè)備、濕度設(shè)備、光照設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行調(diào)控，得到設(shè)備運(yùn)行時(shí)間圖，結(jié)果比較滿意．

模糊控制；溫度；濕度；照度

智慧大棚，距離精準(zhǔn)、量化、科學(xué)的管理越來越近．設(shè)備的控制與管理，也逐步走向科學(xué)化、智能化．大棚溫、濕度自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，要求能實(shí)時(shí)的根據(jù)作物不同生長階段，最優(yōu)地配置溫度、濕度、照度的生產(chǎn)要素，并能監(jiān)控、優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)．本文重點(diǎn)研究2方面的內(nèi)容：（1）大棚多區(qū)域溫度、濕度、照度的測量電路與構(gòu)成；（2）對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的溫度、濕度、照度設(shè)備進(jìn)行分組，采用模糊控制方法進(jìn)行調(diào)度，依據(jù)功耗、作業(yè)效率等指標(biāo)優(yōu)化設(shè)備的利用率[1]．

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

大棚在線監(jiān)控系統(tǒng)由主機(jī)（PC機(jī)）和若干個(gè)分組構(gòu)成（見圖1），數(shù)據(jù)通信采用基于電力線載波的modbus協(xié)議．

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分機(jī)電路由最小系統(tǒng)電路、光照強(qiáng)度檢測電路、地址編碼電路、電力線載波接口電路、照度控制電路構(gòu)成（見圖2）．其中，最小系統(tǒng)的單片機(jī)采用STC15W408AS，1T時(shí)鐘，頻率22.1184 MHz．設(shè)置串口通信波特率為9 600．

圖2 分機(jī)電路構(gòu)成

2 功能電路設(shè)計(jì)

2.1 最小系統(tǒng)及地址編碼電路

最小系統(tǒng)由復(fù)位電路、震蕩電路構(gòu)成．編碼電路由２組波動(dòng)開關(guān)構(gòu)成（見圖3）．

圖3 最小系統(tǒng)及地址編碼電路

分機(jī)編碼一般有3種：（1）軟件編碼，即在計(jì)算機(jī)程序中指定分機(jī)的編碼，這種編碼的好處是節(jié)省硬件成本，缺點(diǎn)是一旦編碼標(biāo)識(shí)簽丟失很麻煩；（2）運(yùn)用MCU的ID號(hào)唯一的特點(diǎn)，對(duì)分機(jī)進(jìn)行編碼．這種方法的編碼優(yōu)缺點(diǎn)同第１種；（3）硬件編碼方式，由２組8位撥碼開關(guān)構(gòu)成．這里采用第3種編碼方式．分機(jī)編碼采用硬件編碼，分2組：A組用于分區(qū)編碼，假設(shè)有256個(gè)分機(jī)，分成8組，A組編碼分區(qū)地址選擇．B組用于區(qū)內(nèi)分機(jī)編碼，每組有8個(gè)分機(jī)．盡管需要硬件成本，但可以隨時(shí)根據(jù)需要變更分區(qū)和區(qū)內(nèi)編碼，操作簡單、編碼直觀．

2.2 光照強(qiáng)度檢測電路

光照強(qiáng)度檢測電路傳感器采用硅光電池．根據(jù)硅光電池的照度與光生電流、伏安特性的關(guān)系

2.3 控制電路與電流（故障）檢測

2.3.1加熱排風(fēng)控制電路 加熱排風(fēng)控制電路（見圖4）包括2部分：（1）線路電流檢測，霍爾電流傳感器輸出的是比較微弱的電壓信號(hào)，單位為66~185 mV/A，取值越小受溫度影響越?。话銦艟叩墓β识夹∮?00 W，電流小于0.5 A，即傳感器輸出的電壓信號(hào)50 mV以下．為了使電流傳感器輸出的電壓信號(hào)與MCU內(nèi)部的A/D正常匹配，在電流傳感器與MCU之間，要實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的放大．（2）電路中，以燈泡作為假負(fù)載（加熱或者排風(fēng)）電路，電路由過零檢測型光耦MOC3041和雙向可控硅組成．當(dāng)單片機(jī)沒有控制信號(hào)輸出時(shí)，繼電器RL1處于常閉觸點(diǎn)狀態(tài)，雙向可控硅導(dǎo)通，燈泡點(diǎn)亮．反之截止．

圖4 加熱排風(fēng)控制電路

圖5 負(fù)載電流（過流）檢測電路

3 大棚生產(chǎn)資源要素配置分析

3.1 屬性分析與評(píng)價(jià)

大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)是在一定的區(qū)域范圍內(nèi)，通過對(duì)區(qū)域內(nèi)的相應(yīng)資源和要素的重新組合、設(shè)計(jì)，創(chuàng)造出更為有效地利于生物生長的環(huán)境．為達(dá)到這個(gè)目的，從幾個(gè)方面的配置，作為生產(chǎn)輔助系統(tǒng)的衡量要素，即空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度、光照強(qiáng)度、光照時(shí)間．在綜合分析的基礎(chǔ)上，建立大棚生產(chǎn)能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系．要素關(guān)系見表1．

表1 大棚設(shè)備要素

3.2 基于權(quán)重矩陣的多維反饋調(diào)度模型的建立

大棚作物在不同的生長期，在資源配置要素不變的情況下，每種要素的權(quán)重是不同的．例如：在發(fā)芽期、開花期、果實(shí)發(fā)育期等不同時(shí)期，對(duì)土壤濕度、光照時(shí)間、光照強(qiáng)度的要求不同[2]，在對(duì)多目標(biāo)多維度決策時(shí)，不同的目標(biāo)、要素的作用程度不同，按照一個(gè)目標(biāo)權(quán)重向量的表達(dá)形式，就會(huì)具有局限性[3]．因此，需要多目標(biāo)多維度對(duì)大棚生產(chǎn)環(huán)境的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，做統(tǒng)一的、利于設(shè)備長期使用的方式調(diào)度．

對(duì)目標(biāo)函數(shù)（4）求偏導(dǎo)并令其導(dǎo)數(shù)等于0，整理得

3.2.4 控制與實(shí)驗(yàn) 以番茄為例，建立大棚生產(chǎn)的指標(biāo)體系，并將評(píng)價(jià)指標(biāo)劃分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和因子層（見表1）．溫度控制上，番茄是喜溫性蔬菜，在正常條件下，其最適宜的生長發(fā)育溫度為15~29 ℃，光合作用適宜溫度為20~25 ℃[7]．

對(duì)每種設(shè)備，依據(jù)設(shè)備功耗、作業(yè)效率、工作時(shí)間為特征值指標(biāo)，建立特征值矩陣（見表2）．

表2 指標(biāo)規(guī)格化值及權(quán)重

表3 最優(yōu)權(quán)重迭代計(jì)算結(jié)果

圖6 溫度設(shè)備運(yùn)行時(shí)間

溫度設(shè)備11，12，14在15 d內(nèi)運(yùn)行時(shí)間為37~40 h，差別不大．溫度設(shè)備13有異常，僅僅運(yùn)行16 h．經(jīng)檢查，加熱設(shè)備13的加熱棒老化，單位時(shí)間溫升低，導(dǎo)致加熱效率低，模糊控制器與電流檢測傳感器電路同時(shí)檢測到設(shè)備故障，被系統(tǒng)掛起，使運(yùn)行邊緣化，并報(bào)警．

4 結(jié)語

[1] 劉合香．模糊數(shù)學(xué)理論及其應(yīng)用[M]．北京：科學(xué)出版社，2012：104-125

[2] 劉曉英，徐志剛，常濤濤，等．不同光質(zhì)LED弱光對(duì)櫻桃番茄植株形態(tài)和光合性能的影響[J]．西北植物學(xué)報(bào)，2010，30（4）：725-732

[3] 王艷，張綿．結(jié)縷草和早熟禾解剖結(jié)構(gòu)與其抗旱性、耐踐踏性和彈性關(guān)系的對(duì)比研究[J]．遼寧大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，27（4）：371-375

[4] 王印松，商丹丹，宋凱兵，等．基于改進(jìn)模糊聚類的控制系統(tǒng)故障檢測[J]．信息與控制，2017，46（1）：41-45

[5] 鄧一杰，劉克勝，趙軍，等．基于狀態(tài)聚類的分布式模糊測試技術(shù)[J]．計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2019，40（9）：2428-2434

[6] 張寶峰，張燿，朱均超，等．基于模糊 PID 的高精度溫度控制系統(tǒng)[J]．傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2019，32（9）：1425-1429

[7] 陳俊祥，于繼東，耿華運(yùn)，等．多孔材料的溫度和壓強(qiáng)計(jì)算[J]．物理學(xué)報(bào)，2017，66（5）：257-264

Automatic monitoring system of greenhouse temperature and humidity based on fuzzy control

WANG Zhicong，CHEN Changchun

（School of Computer and Control Engineering，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China）

Gives the circuit structure and working principle of the greenhouse production control system. Based on this，a fuzzy clustering method is used to address different production conditions such as temperature，humidity，and illumination of greenhouse crops during different production periods，with different requirements，weights，and goals．Based on the characteristics of crops and the characteristics of power consumption，operating efficiency，and working hours of each type of equipment，the operation of temperature equipment，humidity equipment，and lighting equipment was adjusted to obtain the equipment operation time chart，and the results were satisfactory.

fuzzy control；temperature；humidity；illumination

TP273

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.03.009

1007-9831（2020）03-0051-06

2019-12-10

2019年（黑龍江?。┐髮W(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃重點(diǎn)資助項(xiàng)目（201910232020）

王智聰（1996-），男，北京人，在讀本科生．

陳長春（1965-），男，黑龍江雙鴨山人，副教授，從事嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用研究．E-mail：qqhrchen@163.com