節(jié)能型智能溫室大棚控制系統(tǒng)

引 言

隨著工業(yè) 4.0 時(shí)代的到來(lái)，溫室大棚逐漸向全自動(dòng)化、智能化發(fā)展。對(duì)于溫室大棚來(lái)說(shuō)，最重要的管理因素為溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2 濃度的控制。傳統(tǒng)的控制方法是在溫室大棚內(nèi)放置測(cè)量?jī)x器，根據(jù)讀取的數(shù)值人工調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)。隨著溫室大棚規(guī)模的提高，人工控制很難滿(mǎn)足需求[1]。因此我們結(jié)合溫室栽培的特點(diǎn)對(duì)大棚內(nèi)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集、自動(dòng) PID 控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控以及手機(jī) APP 遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)全天候、集中式、高效的溫室大棚監(jiān)控及管理。

1 溫室大棚的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

“基于 PID 算法的智能溫室大棚”是集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、反饋控制、遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)等功能于一體的軟件和硬件相結(jié)合的系統(tǒng)。系統(tǒng)從功能上主要分為三大子系統(tǒng) ：環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)控制系統(tǒng)、基于云平臺(tái)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及手機(jī) APP 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖 1 所示。

2 環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)控制系統(tǒng)

2.1 自動(dòng)調(diào)光

溫室大棚采用增量式 PID 控制算法，利用光照傳感器采集大棚內(nèi)的光照強(qiáng)度構(gòu)成負(fù)反饋，控制單片機(jī)產(chǎn)生 PWM 波信號(hào)，調(diào)節(jié)植物燈的亮度，使棚內(nèi)的光照強(qiáng)度穩(wěn)定在給定值 [2]。自動(dòng)調(diào)光控制原理如圖 2 所示。

傳統(tǒng)的 PID 算法采用按照偏差的比例 P、積分 I 和微分D 進(jìn)行控制的 PID 調(diào)節(jié)器。算法中的比例系數(shù) kP、積分系數(shù)kI 和微分系數(shù) kD 的整定是影響控制效果的關(guān)鍵 [3]。圖 3 為傳統(tǒng) PID 算法原理。

圖 3 中，r(t) 為給定值，y(t) 為輸出值。PID 算法在計(jì)算時(shí)要對(duì)偏差 e(k) 進(jìn)行累加，運(yùn)算量大，且長(zhǎng)期運(yùn)行容易積分飽和，因此本系統(tǒng)采用增量式 PID 算法。增量式 PID 是通過(guò)對(duì)控制量的增量（本次控制量和上次控制量的差值）進(jìn)行PID 控制的一種控制算法。相對(duì)于普通 PID 控制算法，增量式 PID 的算式中無(wú)需累加，控制器增量 ?u(k) 的確定僅僅和最近的三次采樣值有關(guān)，容易通過(guò)加權(quán)處理獲得比較好的控制性能。增量式 PID 算法公式 [4] ：

式中：TI 為調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間；TD 為調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間；T為采樣周期。根據(jù)公式（2），畫(huà)出增量式 PID 控制算法程序流程，如圖 4 所示。

2.2 精準(zhǔn)滴灌

傳統(tǒng)的灌溉屬于開(kāi)環(huán)方式，很難控制灌溉的水量，造成水資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。而采用精準(zhǔn)滴灌的方式給植物澆水能有效提高水資源的利用率。為達(dá)到精準(zhǔn)滴灌的目的，建立了滴管控制系統(tǒng)，采用分階段滴管控制算法，利用土壤濕度傳感器采集土壤的濕度值構(gòu)成控制的負(fù)反饋，產(chǎn)生 PWM 波信號(hào)控制水泵的開(kāi)啟程度。滴管控制原理如圖 5 所示。

由于溫室大棚采用的是精準(zhǔn)滴管，相對(duì)于灌溉，其水流速很慢，故假設(shè)水閥張開(kāi)角度為特定的 θ 角時(shí)，其滴管水流速恒定為 v1。因此每一個(gè) θ 角都對(duì)應(yīng)一個(gè)滴管水流速 v1，即v1=f (θ)，其中 f 為 θ 到 v1 的映射，該映射關(guān)系與水閥的種類(lèi)有關(guān)，不同的水閥可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得。在本系統(tǒng)中，我們所用的水閥可以精準(zhǔn)控制其張開(kāi)角度 θ，且 θ 和所給 PWM 信號(hào)的占空比 α 成線(xiàn)性關(guān)系，即 θ=kα+b，其中 k 為線(xiàn)性比例系數(shù)，b 為截距，綜上有 ：

在實(shí)際情況中，水的滲透是一個(gè)非常復(fù)雜的偏微分模型 [5]，但是在本系統(tǒng)中，由于水的滲透速度非常小，其微小的變化對(duì)系統(tǒng)的控制影響比較小，因此在連續(xù)滴管中可以將水的滲透模型簡(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)單的恒速滲透模型。記水滲透速度為 v2，植物生長(zhǎng)箱的土壤面積為 m×n，滴管時(shí)間為 t。當(dāng) v2t ≥ min{m, n}，可以認(rèn)為水已經(jīng)第一次滲透到生長(zhǎng)箱的所有土壤。

在很多控制系統(tǒng)中都采用 PID 控制算法進(jìn)行精準(zhǔn)控制，但是一個(gè)良好的 PID 控制系統(tǒng)必定需要相應(yīng)的超調(diào)量。在溫室大棚的濕度控制中，具有超調(diào)量的 PID 控制算法不太適用 [6]。因?yàn)闈穸纫坏┯辛顺{(diào)量就無(wú)法通過(guò)其他路徑使濕度值下降。因此溫室大棚采用“分階段滴管控制”，即 當(dāng) v2t ≤ min{m, n} 時(shí)，采用比例負(fù)反饋控制滴管速度 ；當(dāng) v2t>min{m, n} 時(shí)，采用恒速滴管。通過(guò)土壤濕度傳感器時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前的土壤濕度。記當(dāng)前的土壤濕度值為 H1，系統(tǒng)設(shè)置的土壤濕度閾值為 H2，兩者偏差 ?H，即

3 基于云平臺(tái)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)具有分布離散且相互獨(dú)立的特點(diǎn)，每個(gè)溫室大棚內(nèi)部的農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境各自獨(dú)立，數(shù)以百計(jì)的溫室大棚的環(huán)境數(shù)據(jù)需進(jìn)行集中管理 [7]。溫室大棚的上位機(jī)基于OneNET 云平臺(tái)開(kāi)發(fā)。OneNET 是一個(gè)開(kāi)放的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)，用戶(hù)可以免費(fèi)注冊(cè)賬號(hào)并使用此平臺(tái)。OneNET 管理平臺(tái)上的資源包括用戶(hù)、產(chǎn)品、設(shè)備、APIKey、觸發(fā)器、應(yīng)用等。

3.1 OneNET 云平臺(tái)接入

OneNET 作為一個(gè)免費(fèi)開(kāi)放的云平臺(tái)，可被廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域 [8]。在此，將其作為溫室大棚監(jiān)測(cè)平臺(tái)的上位機(jī)， 下位機(jī)與其接入的步驟如下。

（1）創(chuàng)建產(chǎn)品。首先需要在 OneNET云平臺(tái)創(chuàng)建一個(gè)公開(kāi)協(xié)議產(chǎn)品，并且設(shè)備接入?yún)f(xié)議選擇 HTTP，創(chuàng)建產(chǎn)品后， 記錄該產(chǎn)品的產(chǎn)品 ID 和 APIKey。

（2）創(chuàng)建設(shè)備。在創(chuàng)建好的產(chǎn)品下點(diǎn)擊添加設(shè)備，輸入設(shè)備名稱(chēng)和鑒權(quán)信息（即設(shè)備編號(hào)），記錄該設(shè)備 ID。

（3）建立 HTTP 連接。HTTP 服務(wù)器地址域名為 jjfarfapi.heclouds.com（IP地址 ：183.230.40.33），端口號(hào)為 80。

（4）數(shù)據(jù)點(diǎn)上傳。使用 HTTP封裝格式和 SDK中提供的接口函數(shù)將數(shù)據(jù)上傳到平臺(tái)。

（5）查看數(shù)據(jù)流。在 OneNET云平臺(tái)上找到設(shè)備管理 - 數(shù)據(jù)展示，進(jìn)入數(shù)據(jù)展示頁(yè)面，點(diǎn)擊下拉菜單，通過(guò)坐標(biāo)圖可以查看相應(yīng)數(shù)據(jù)流下近期上傳的數(shù)據(jù)值。

（6）應(yīng)用生成。數(shù)據(jù)上傳成功后，可基于這些數(shù)據(jù)所屬的數(shù)據(jù)流進(jìn)行應(yīng)用以及觸發(fā)器的創(chuàng)建。

3.2 云平臺(tái)上位機(jī)展示

本植物生長(zhǎng)箱系統(tǒng)的主要功能在于監(jiān)測(cè)生長(zhǎng)箱內(nèi)的溫度、濕度、CO2 濃度以及光照強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)。OneNET 云端上位機(jī)顯示如圖 6 所示。

圖 6 OneNET 云端上位機(jī)顯示

由圖 6 可知，上位機(jī)由兩部分組成，上方 4 個(gè)圖像顯示生長(zhǎng)箱的溫度、濕度、CO2 濃度以及光照強(qiáng)度。下方一排表盤(pán)是這 4 個(gè)環(huán)境參數(shù)的設(shè)置閾值。通過(guò)云平臺(tái)上位機(jī)，使用者可以隨時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)生長(zhǎng)箱內(nèi)的生長(zhǎng)情況。

4 手機(jī) APP 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

手機(jī) APP 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)基于 TCP/IP 通信 [9] 與 Android 平臺(tái) [10] 開(kāi)發(fā)，使用者僅通過(guò)手機(jī) APP 就能夠?qū)厥掖笈锏慕o定參數(shù)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)輸入，極大地簡(jiǎn)化了用戶(hù)操作。溫室大棚采用無(wú)線(xiàn)路由器作為中間連接裝置，手機(jī)客戶(hù)端采用Android Java 開(kāi)發(fā)，結(jié)合 Socket 完成網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)交互。最終編譯后打包生成 APK 安裝文件在 Android 手機(jī)上安裝， 對(duì)比傳統(tǒng)的按鍵輸入，其具有不受環(huán)境、時(shí)間、地域、距離等因素影響的特點(diǎn)，同時(shí)還可通過(guò)用戶(hù)手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制， 操作方便靈活。用戶(hù)端設(shè)計(jì)算法流程如圖 7 所示。

當(dāng)用戶(hù)打開(kāi)客戶(hù)端 APP 時(shí)，程序先進(jìn)行界面初始化，然后用戶(hù)輸入服務(wù)器的 IP 地址及端口號(hào)。點(diǎn)擊“連接”按鈕， 若“設(shè)置”按鈕激活，且系統(tǒng)提示“連接成功”，說(shuō)明客戶(hù)端與服務(wù)器連接成功。接著用戶(hù)在對(duì)應(yīng)地方輸入給定參數(shù)， 最后點(diǎn)擊“設(shè)置”按鈕。若系統(tǒng)提示“設(shè)置成功”，則說(shuō)明用戶(hù)設(shè)置的給定參數(shù)已成功輸入下位機(jī)。

本系統(tǒng)主要包含 2 個(gè) Activity 和 3 個(gè) XML 腳本文件。我們可以根據(jù)不同的底層協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)，選用基于 TCP/IP 協(xié)議的 Socket 通信方式。同時(shí)為了提高系統(tǒng)的通信效率，將Socket 通信的接收部分放在獨(dú)立線(xiàn)程 Thread 中執(zhí)行，以保證系統(tǒng)的快速性。

為了避免通信中出現(xiàn)偶然因素導(dǎo)致接收的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，采用“自定義通信協(xié)議”，發(fā)送數(shù)據(jù)格式 ：# data1 % data2 %data3 % data4 % data5。其中“#”表示起始信號(hào)，“%”表示兩個(gè)數(shù)據(jù)的間隔，data1，data2，data3，data4 分別表示溫度、濕度、CO2 濃度和光照強(qiáng)度，data5 表示前 4 個(gè)數(shù)據(jù)的和，如下 ：

當(dāng)下位機(jī)接收到的數(shù)據(jù)滿(mǎn)足上述等式時(shí)，則認(rèn)為數(shù)據(jù)接收無(wú)誤，否則視為無(wú)效接收，舍去接收到的數(shù)據(jù)。用戶(hù)端界面如圖 8 所示。

圖 8 用戶(hù)端界面

5 結(jié) 語(yǔ)

節(jié)能型智能溫室大棚控制系統(tǒng)在傳統(tǒng)的溫室大棚控制策略上提出了通過(guò)增量式 PID算法對(duì)溫室大棚環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)控制 ；結(jié)合 OneNET云平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)管 ；采用手機(jī) APP對(duì)溫室大棚進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，讓農(nóng)業(yè)大棚的控制更加便捷，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和能源利用率。