基于多傳感器模糊控制的豬舍環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0引言

隨著高密度集約化的飼養(yǎng)方式發(fā)展，豬舍環(huán)境的問(wèn)題漸漸的弓起人們的重視，由于人們對(duì)健康的重視，對(duì)豬肉及其制品的依賴，很多部門也十分關(guān)注豬只生長(zhǎng)環(huán)境，但豬的生長(zhǎng)及個(gè)體繁殖都受到豬舍空氣環(huán)境的制約。豬舍生長(zhǎng)環(huán)境的監(jiān)控是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，調(diào)控的目標(biāo)是為豬只生長(zhǎng)繁殖提供合理的生活環(huán)境，豬舍環(huán)境氣體成份復(fù)雜，它是一個(gè)典型的非線性多變量系統(tǒng)，傳統(tǒng)的控制方法采用大量傳感器獨(dú)立運(yùn)算和處理，很難實(shí)現(xiàn)精確控制，而模糊控制則為各個(gè)參量的精確測(cè)控提供依據(jù)，有效的解決了自動(dòng)控制的問(wèn)題。

1系統(tǒng)控制原理

豬舍環(huán)境含有很多氣體成份，比重較大的如二氧化碳、氨氣等，這些氣體的光度易受環(huán)境因素的影響，也受豬只個(gè)體數(shù)量及密度有密切關(guān)系，當(dāng)外界氣候是不利于氣體擴(kuò)散時(shí)，豬舍有害氣體成份會(huì)明顯增加，當(dāng)豬只個(gè)體分布密度達(dá)到一定程度時(shí)，局部有害氣體的濃度也會(huì)明顯增加，因此，從理論角度分析，豬舍環(huán)境是一個(gè)具有參數(shù)分布、延時(shí)大、耦合多變量的非線性復(fù)雜對(duì)象，針對(duì)這樣的復(fù)雜多變的環(huán)境，我們要做的主要任務(wù)是能夠完也多目標(biāo)動(dòng)態(tài)的協(xié)調(diào)控制。一般情況下，現(xiàn)有的控制技術(shù)多采用測(cè)量值和設(shè)定值比較的方法來(lái)控制，也有另外一部分是采用自適應(yīng)整定算法，理論上后者也是很容易實(shí)現(xiàn)，但由于調(diào)整實(shí)驗(yàn)實(shí)用的P參數(shù)和I參數(shù)是很困難的,因?yàn)椴煌牡胤?、不同的季?jié)及不同的天氣都會(huì)有很大的影響,故不能取得良好的效果。采用模糊控制原理，正好可以很好的適應(yīng)豬舍控制的特點(diǎn)，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、時(shí)間反應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，更重要的是無(wú)須精確了解控制對(duì)象狀情況，因此，豬舍環(huán)境控制用模糊控制算法更為合適。

模糊控制技術(shù)是以模糊邏輯推理為作為理論基礎(chǔ)，它利用當(dāng)前流行的計(jì)算機(jī)微控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種數(shù)字控制閉環(huán)系統(tǒng)。模糊控制的控制器在進(jìn)行模糊推理時(shí)必須是模糊量,因此如果輸入量是非模糊時(shí)，需要首先轉(zhuǎn)化為模糊量。模糊轉(zhuǎn)化的過(guò)程是把確定的量變成模糊集的過(guò)程。它的主要作用是依據(jù)輸入語(yǔ)言變量的隸屬度函數(shù)來(lái)確定對(duì)應(yīng)的每個(gè)語(yǔ)言值的隸屬度［%根據(jù)模糊規(guī)則的判定以及事先規(guī)定好的推理方法求出模糊輸出量的過(guò)程，模糊輸出量也必須轉(zhuǎn)化為非模糊的輸出，這個(gè)過(guò)程也就是將模糊集轉(zhuǎn)換成確定值的過(guò)程。本系統(tǒng)測(cè)量的參數(shù)由溫濕度、光照、CO2和NH3組成，系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)均以模糊控制原理根據(jù)傳感器參數(shù)來(lái)控制調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)，本系統(tǒng)以溫度為例采用分級(jí)模糊控制，系統(tǒng)控制原理如圖1所示。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)由主控制器、溫濕度傳感器、光照變換模塊、CO2氣體傳感器、NH3氣傳感器等檢測(cè)電路構(gòu)成,控制部分由繼電器、電源電路、LCD顯示電路、通信電路構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

系統(tǒng)工作原理如下：光照傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器采用數(shù)字接口，直接接到單片機(jī)I。口上，二氧化碳?xì)鈧鞲衅骱桶睔鈧鞲衅鞑捎媚M接口，采集氣體信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)運(yùn)放放大，再經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換輸入微控制器，LCD液晶屏顯示當(dāng)前測(cè)量的環(huán)境參數(shù)值。驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)開(kāi)關(guān)繼電器和報(bào)警器指示。根據(jù)環(huán)境的控制需要事先把報(bào)警和各參數(shù)的控制閥值存儲(chǔ)在EEPROM內(nèi)部，系統(tǒng)用無(wú)線通信模塊經(jīng)由計(jì)算機(jī)來(lái)下達(dá)各種命令，如實(shí)時(shí)查詢各測(cè)量值，控制繼電器動(dòng)作等，來(lái)達(dá)到對(duì)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控叫由于豬舍環(huán)境中氣體的腐蝕性較大，采用一般的空氣傳感器壽命是個(gè)問(wèn)題,所以采用土壤型專用傳感器，它采用I2C總線的數(shù)據(jù)接口，與微控制器的接口及電路設(shè)計(jì)都十分簡(jiǎn)單。這種傳感器的突出優(yōu)點(diǎn)是把信號(hào)處理和傳感元件集成起來(lái)，直接輸出全標(biāo)定的,能夠被直接讀出數(shù)字信號(hào)。具有極高的穩(wěn)定性卓越的可靠性,在同一集成單元內(nèi)部，集成有14位的A/D轉(zhuǎn)換器和串行總線接口，具有超強(qiáng)的抗干擾能力。

氨氣濃度檢測(cè)采用MQ-系列氣體傳感器，這種傳感器的特點(diǎn)是采用在干凈空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫做氣敏材料,MQ-系列氣體傳感器對(duì)氨氣的靈敏度高，反應(yīng)很快，它還可以同時(shí)檢測(cè)多種混合有含氨的氣體要樣，對(duì)有機(jī)胺的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)也十分理想，另外它的成本也很低，是理想的氨氣濃度檢測(cè)選擇。換氣風(fēng)扇使用大功率的輪轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)，它的物理結(jié)構(gòu)采用先進(jìn)的前凸形彎狀葉片、低噪音的轉(zhuǎn)子采用與電機(jī)直連系統(tǒng),可置于墻壁邊或平放于地面上，風(fēng)扇電機(jī)由于功率較大，工作電壓一般為380V,普通的單片機(jī)一般工作在TTL電平，強(qiáng)電和弱電無(wú)法直接連接，因此系統(tǒng)通過(guò)繼電器來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)開(kāi)關(guān)控制風(fēng)扇，這是一種常用的典型以小電流去控制大電流運(yùn)作的驅(qū)動(dòng)電路。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是STC12C5A60S2單片機(jī)，它具有運(yùn)行速度高、指令周期短、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的8051單片機(jī)無(wú)論從硬件引腳上，還是指令代碼上完全兼容，內(nèi)容集成有專用的復(fù)位電路，內(nèi)部資源有PWM、ADC控制器、兩個(gè)串行口，通過(guò)配置可以動(dòng)態(tài)的增加RAM的大小，STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)部就自帶高達(dá)60KBFLASHROM,盡管ROM的空間很大，但對(duì)它的擦除改寫一點(diǎn)也不受影響，STC系列單片機(jī)支持串口程序燒寫。所以只需有一個(gè)MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片即實(shí)現(xiàn)在線下載，無(wú)需另外購(gòu)置下載器,因而開(kāi)發(fā)成本大大降低，開(kāi)發(fā)時(shí)間也大大縮短田。

光照傳感器采用BH1750,BH1750單元內(nèi)部集成有一個(gè)16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它能對(duì)環(huán)境光進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后能夠直接輸出一個(gè)數(shù)字信號(hào)，不需要做復(fù)雜的計(jì)算，只需要按照輸出的數(shù)據(jù)格式組合就得到光強(qiáng)值，更為突出的是它量個(gè)兩線制的I2C接口，可以和單片機(jī)直接相連，無(wú)需額外的驅(qū)動(dòng)電路，使用起來(lái)非常方便。

3模糊控制參數(shù)的設(shè)計(jì)

豬舍環(huán)境控制系統(tǒng)的參數(shù)檢測(cè)比較多，本設(shè)計(jì)以溫度監(jiān)控為例，把溫度設(shè)定值與測(cè)量值的誤差e和誤差變化率e°作為模糊控制器的輸入量，出量為閥門開(kāi)通時(shí)間T,其模糊控制器框圖如圖3所示。

工作過(guò)程如下：控制器定時(shí)采樣溫度值和溫度變化率，再與設(shè)定值進(jìn)行比較，進(jìn)而得到誤差E和誤差變化率Ec，把E和Ec作為模糊控制器的輸入量，而控制繼電器的開(kāi)通時(shí)間作這模糊控制器的輸出[5]。實(shí)現(xiàn)模糊控制就是要實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入量模糊化，做模糊推理和把模糊量變?yōu)榫_量。e和ec模糊化后的模糊量分別為E和Ec，U為模糊控制量，去模糊化后的精確量為T。根據(jù)模糊理論的控制要求，輸入變量要進(jìn)行模糊化加工，輸出變量要進(jìn)行去模糊化也就是精確化處理。把E的詞集分為七檔，記做{NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}，含義分別是負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大，變化率ec及輸出控制量u的量化等級(jí)都為13級(jí)，論域?yàn)閧－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}。E的初值表如表1所列。

室內(nèi)溫制受天氣及風(fēng)速流動(dòng)因素的影響很大，依據(jù)室溫控制經(jīng)驗(yàn)及外界不同季節(jié)天氣影響的特點(diǎn)，如果e變化較大時(shí),控制量選擇以平均法來(lái)克服消除誤差；當(dāng)室內(nèi)溫度誤差變化不大時(shí)，把控制的精度作為主要方面，控制的目標(biāo)是平穩(wěn)，不過(guò)沖，得出模糊控制規(guī)則如表2所列。表1變量的E賦值表和表2模糊控制規(guī)則表從輸出U的隸屬函數(shù)取出與NB0對(duì)應(yīng)的向量，可求得與另外34條模糊控制語(yǔ)句相對(duì)應(yīng)的模糊關(guān)系矩陣R，氏，，，氏5，最后根據(jù)已知的R，(i=1,2,,,35),再通過(guò)矩陣運(yùn)算得到模糊關(guān)系矩陣，這與模糊控制規(guī)則表相對(duì)應(yīng)，矩陣運(yùn)算是由微處理器來(lái)完成的，在35條規(guī)則中，有一部分是可以合并的，這樣計(jì)算機(jī)的計(jì)算量可以減少。為了得到精確輸出，需要先對(duì)E求出對(duì)應(yīng)的模糊向量，對(duì)Ec求出對(duì)應(yīng)的最大隸屬度，最后進(jìn)再利用和反模糊化，得出確定的輸出。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制變量輸出信號(hào)為控制信號(hào)的持續(xù)時(shí)間，是由于豬舍環(huán)境控制對(duì)象為開(kāi)關(guān)控制機(jī)構(gòu)。

表2模糊控制規(guī)則表

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)幼豬的100m2小屋內(nèi)用模糊控制溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，用一周的時(shí)間進(jìn)行測(cè)量分析，把每天分為四個(gè)階段,8:00?12:00、13:00?17:00、18:00?22:00、23:00?3:00,每次3個(gè)小時(shí)的連續(xù)監(jiān)測(cè)，隨機(jī)抽取一組，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)如圖4所示。

從圖中可以看出，控制精度很高，基本上沒(méi)有過(guò)沖的問(wèn)題,而采用傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制方法，溫度波動(dòng)很大，過(guò)沖量也很大,系統(tǒng)用電量明顯增加，用模糊控制器來(lái)控制溫度，響應(yīng)速度快,溫室內(nèi)溫度變化小，有利于豬只的生長(zhǎng)，適合規(guī)模化養(yǎng)殖的需要。

5結(jié)語(yǔ)

本文以幼豬生活環(huán)境的溫度應(yīng)用系統(tǒng)的為基礎(chǔ)，采用模糊控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究，從開(kāi)關(guān)量簡(jiǎn)控制和模糊控制的實(shí)驗(yàn)對(duì)比來(lái)看，表明了模糊控制器在運(yùn)行時(shí)波運(yùn)性很小，對(duì)豬舍環(huán)境溫度來(lái)說(shuō)，過(guò)部量基本上可以忽略，模糊控制的精髓是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)根據(jù)被控制對(duì)象設(shè)計(jì)模糊控制方案，可以靈活的改變實(shí)驗(yàn)數(shù)值，也可以建立模糊經(jīng)驗(yàn)值數(shù)據(jù)庫(kù)，供不同條件和環(huán)境下查表使用，可提供更加靈活精確的控制，它被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型沒(méi)有關(guān)系，簡(jiǎn)單易行。本項(xiàng)目在對(duì)其它量的測(cè)量上，如氨氣、二氧化碳?xì)怏w的濃度等的控制也采用類似的模糊控制算法，也得到良好效果，從而驗(yàn)證了模糊控制技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用上的優(yōu)越性。

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