蔣興加

(廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系 廣西 南寧 530007)

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)應(yīng)用的日益普及，我國(guó)經(jīng)濟(jì)加速邁入數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代，同時(shí)也催生著各產(chǎn)業(yè)中“物聯(lián)網(wǎng)”的升級(jí)換代。根據(jù)溫室大棚生產(chǎn)精細(xì)管控內(nèi)在需求，在溫室大棚中引入智能管控平臺(tái)勢(shì)在必行。智能采集節(jié)點(diǎn)裝置作為“物聯(lián)網(wǎng)”的基礎(chǔ)層，可實(shí)現(xiàn)信息采集、控制決策執(zhí)行、報(bào)警和通訊功能，為提升溫室大棚生產(chǎn)系統(tǒng)的安全、高效、實(shí)用性提供有效支撐。

1 系統(tǒng)方案分析

為提升溫室大棚管控和數(shù)據(jù)通訊性能，基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，引入分布式計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，溫室大棚管控系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 溫室大棚管控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

控制系統(tǒng)分為管理應(yīng)用層、控制層和現(xiàn)場(chǎng)感應(yīng)執(zhí)行層[1]，充分發(fā)揮了分布式系統(tǒng)集中管理、監(jiān)視、操作和分散控制的優(yōu)勢(shì)。將計(jì)算機(jī)作為管理應(yīng)用層具有資源豐富、功能完善等優(yōu)點(diǎn)，便于系統(tǒng)的操作、管理、監(jiān)視。設(shè)計(jì)管理應(yīng)用層與控制層之間的通訊時(shí)，采用快速可靠的 TCP/IP方式?？刂茖拥膮R聚節(jié)點(diǎn)作為管理應(yīng)用層和感應(yīng)執(zhí)行層的中轉(zhuǎn)站，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳下達(dá)。感應(yīng)執(zhí)行層可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和控制動(dòng)作的具體執(zhí)行，提升系統(tǒng)的安全可靠性。設(shè)計(jì)匯聚節(jié)點(diǎn)和采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通訊時(shí)選用LoRa無線通訊技術(shù)。該技術(shù)具有低功耗、遠(yuǎn)距離、成本低等優(yōu)點(diǎn)，特別適合溫室大棚系統(tǒng)。

2 采集節(jié)點(diǎn)裝置硬件設(shè)計(jì)

溫室大棚的主要作用是確保作物的高效、高品質(zhì)生長(zhǎng)，除了監(jiān)控常規(guī)的水、肥、土壤等基本要素外，還需要對(duì)溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控。根據(jù)采集和控制的功能要求，智能采集節(jié)點(diǎn)裝置以微處理器為核心，實(shí)現(xiàn)溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度的檢測(cè)，以及水、加熱、光照、排氣的控制。采集節(jié)點(diǎn)模塊的硬件構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 采集節(jié)點(diǎn)模塊方框示意圖

該模塊選用Microchip SAMD21微處理器，采用基于Arduino開源電子原型平臺(tái)，具有跨平臺(tái)、開發(fā)簡(jiǎn)便高效等特點(diǎn)。SAMD21微處理器主頻為48 MHz，有256KB flash和32KB SRAM，有20個(gè)通用GPIO以及通訊接口，能滿足采集節(jié)點(diǎn)的功能和性能要求。選用遠(yuǎn)洋科技開發(fā)的LoRa通訊模組為L(zhǎng)oRa模塊，具有體積小、功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可方便快速、靈活地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

選用基于數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)開發(fā)的DHT11為空氣溫濕度傳感器，具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。選用YL69[2]土壤濕度傳感器，有數(shù)字比較輸出和模擬信號(hào)輸出兩種方式，方便實(shí)用。選用HA2003光照傳感器，利用先進(jìn)光電模塊，將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)輸出。選用韓國(guó)SOHA生產(chǎn)的SH-300-DS型二氧化碳傳感器，具有適應(yīng)高濕度環(huán)境等特點(diǎn)，可輸出模擬和數(shù)字兩種信號(hào)。選用固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)開關(guān)或PWM控制輸出，完成水、肥、光照、排氣對(duì)應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。

3 采集節(jié)點(diǎn)裝置軟件開發(fā)

3.1 控制方案

采集節(jié)點(diǎn)裝置的軟件主程序開發(fā)流程如圖3所示，先將系統(tǒng)進(jìn)行初始化配置，然后不斷采集數(shù)據(jù)，經(jīng)MCU處理之后通過LoRa無線模塊發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)，同時(shí)根據(jù)檢測(cè)的數(shù)據(jù)結(jié)果，按照溫室大棚生產(chǎn)條件，輸出控制和報(bào)警信號(hào)，確保溫室大棚各指標(biāo)性能良好。

圖3 主程序開發(fā)流程圖

為提高系統(tǒng)抗干擾能力，將溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度采集的數(shù)據(jù)基于3次平均濾波處理，以提高數(shù)據(jù)精度。匯聚節(jié)點(diǎn)基于LoRa通訊協(xié)議控制多個(gè)采集節(jié)點(diǎn)。將數(shù)據(jù)傳輸方式設(shè)置為透明傳輸模式。在該模式下，只要模塊的地址相同、信道相同、無線速率相同，就可高效地實(shí)現(xiàn)無線通訊。由于模糊控制具有適應(yīng)性強(qiáng)、容錯(cuò)能力高、采用自然語言開發(fā)等特點(diǎn)[3]。為提升控制精度，將控制方案由傳統(tǒng)的通、斷兩位控制改進(jìn)為模糊控制算法(FCS)。

3.2 模糊控制算法

模糊控制算法(FCS)是指從輸入的連續(xù)精確量中，利用模糊推理，求出相應(yīng)輸出清晰值的控制算法。選用適用于實(shí)時(shí)控制的Mamdani推理方法，模糊控制算法步驟為：輸入精確量的模糊化處理；模糊規(guī)則及模糊控制規(guī)則表的確定；模糊輸出控制量的清晰化。由于一維模糊控制具有簡(jiǎn)便、高效、實(shí)用特性，因此將智能采集節(jié)點(diǎn)有關(guān)指標(biāo)的控制方案設(shè)計(jì)思路確定為基于一維模糊控制。

3.2.1 清晰量模糊化

(1)語言變量和語言變量值。一維模糊控制器輸入語言變量為誤差信號(hào)e，輸出語言為光照、排氣、灌溉所需的控制量。為兼顧控制精度和效率，模糊語言的子集均由“正大”(PB)、“正中”(PM)、“正小”(PS)、“零”(Z)、“負(fù)大”(NB)、“負(fù)中”(NM)、“負(fù)小”(NS)7個(gè)模糊詞集組成。

(2)語言變量隸屬函數(shù)的設(shè)定。由于三角形隸屬函數(shù)具有高分辨率、高靈敏度的控制特性，適合系統(tǒng)控制高性能的需要。采用三角隸屬函數(shù)的模糊控制，其三角隸屬函數(shù)變量的隸屬度計(jì)算如式(1)所示：式中的a、b、c為模糊變量集的論域范圍，由三角隸屬函數(shù)曲線確定。

(3)清晰量轉(zhuǎn)換為模糊量。誤差e和控制量都需從基本論域通過量化轉(zhuǎn)換到離散論域，即連續(xù)的隸屬函數(shù)轉(zhuǎn)換為離散點(diǎn)的隸屬值，采用賦值表的形式揭示清晰量和模糊量的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

3.2.2 模糊控制規(guī)則

Mamdani推理的CRI法，其控制規(guī)則形式為：If E=AiThen U=Cj,其中i=1,2,…m，j=1,2,….n，規(guī)則由專家和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)確定，得到模糊關(guān)系R。模糊控制規(guī)則利用模糊控制響應(yīng)表(FCT)揭示輸入與輸出之間的關(guān)系，再根據(jù)已知的輸入模糊量Ai，通過模糊關(guān)系R，求出對(duì)應(yīng)的控制量。

3.2.3 模糊控制規(guī)則響應(yīng)表(FCT)

FCS有多種實(shí)現(xiàn)形式，主要有合成推理的查表法、合成推理的解析公式法、合成推理的關(guān)系矩陣法。由于查表法能大大提高模糊控制的實(shí)時(shí)效果，又能節(jié)省內(nèi)存，因此選用查表法為模糊控制算法,將基于專家知識(shí)和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)的運(yùn)行規(guī)律作為模糊控制規(guī)則。

3.2.4 模糊量清晰化

將從模糊控制器FCT表所得的模糊量清晰化，可得到精確輸出值。清晰化方法有重心法(centroid)、最大隸屬度法(Mom)、中位值法(bisector)。選用簡(jiǎn)單實(shí)用的Mom法進(jìn)行反模糊化處理。

3.3 程序開發(fā)

將模糊輸入、輸出變量的模糊關(guān)系、模糊規(guī)則和控制響應(yīng)表事先離線存放于微處理器的存儲(chǔ)器中。選用查表法為模糊算法不僅能提升系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，還能降低系統(tǒng)對(duì)硬件的要求。模糊查表算法流程如圖4所示。

圖4 模糊查表算法流程圖

程序基于ArduinoIDE平臺(tái)及wiring語言開發(fā)，核心子程序主要包括系統(tǒng)初始化、參數(shù)采集、數(shù)據(jù)處理、模糊控制算法(FCS)和LoRa通訊代碼。初始化子程序主要用于設(shè)置通訊參數(shù)、指標(biāo)給定值、參數(shù)采集、模糊控制表；參數(shù)采集子程序主要完成周期性獲取溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度的實(shí)際值；數(shù)據(jù)處理子程序主要完成采集參數(shù)的抗干擾處理和模糊化處理；模糊控制算法子程序主要完成模糊決策、指導(dǎo)執(zhí)行機(jī)構(gòu)相應(yīng)動(dòng)作及報(bào)警；LoRa通訊子程序主要完成采集節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)的雙向數(shù)據(jù)傳輸，為系統(tǒng)監(jiān)控提供橋梁。

4 結(jié)論

為提升傳統(tǒng)溫室大棚的管控和通訊性能，筆者基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)開發(fā)了智能采集節(jié)點(diǎn)裝置，該裝置通過對(duì)溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度數(shù)據(jù)的采集，進(jìn)行抗干擾處理，提高了所采集數(shù)據(jù)的精度。將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的通、斷兩位控制改進(jìn)為模糊控制后，具有良好的抗干擾性和優(yōu)越的動(dòng)、靜態(tài)性能。將有線通訊調(diào)整為L(zhǎng)oRa無線通訊，減少了布線并提了高效率。試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置有效提升了工作對(duì)象的性能，有較好的自適應(yīng)性和實(shí)用價(jià)值。