日光溫室集中式最優(yōu)化控制通風(fēng)系統(tǒng)牟華 偉a， 王金 星a， 劉雙 喜a， 于蓮 雙b， 范連 祥a， 傅生 輝a( 山 東 農(nóng) 業(yè)大學(xué) a 山東省園藝機械與裝備重點實驗室 ; b 機械與電子工程學(xué)院 ， 山東 泰安 271018)摘 要 : 為實現(xiàn)日光溫室 、智能溫室無人管理下的智能通風(fēng)控溫 ， 設(shè)計一種基于物聯(lián)網(wǎng)的日光溫室集中式最優(yōu)化控制通風(fēng)系統(tǒng) 。用戶根據(jù)不同季節(jié) 、不同作物通過上位機或者物聯(lián)網(wǎng)平臺設(shè)定不同的上下限溫度值 ， 系統(tǒng)也可自動采集圖像 ， 依據(jù)數(shù)據(jù)庫作物生長模型自動控制日光溫室溫度 。該系統(tǒng)可將日光溫室內(nèi)溫差控制在 ± 1 ， 勞動力投入減少 30% ， 顯著降低植物生理病害 。結(jié)果表明 : 該系統(tǒng)對各種日光溫室 、智能溫室適應(yīng)性強 ， 既縮短人工勞動工作時間 ， 又避免了人工控制時溫度的驟升驟降 。關(guān)鍵詞 : 日光溫室 ; 通風(fēng) ; 物聯(lián)網(wǎng) ; 集中式 ; 最優(yōu)化中圖分類號 : S6255 文獻標(biāo)識碼 : A 文章編號 : 1003 188X( 2015) 09 0113 050 引言日光溫室是現(xiàn)代 農(nóng)業(yè)的重要組成部分 ， 而 通風(fēng)又是溫室大棚生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié) 1 4。作物 的 生長與溫室的溫度控制息息相關(guān) ， 目前溫室通風(fēng)口廣泛使用人工操作 ， 工作量大 ， 有的地方還需要工作人員經(jīng)常到溫室頂部手工開關(guān)通風(fēng)口 。國外溫室智能溫度控制系統(tǒng) 5多針對連棟溫室設(shè)計 ， 采用電機控制調(diào)溫窗 ， 安 裝 維護麻煩 ， 難以推廣 ， 不適合我國普通日光溫室的智能通風(fēng) 。國外普通日光溫室多采用風(fēng)機通風(fēng) 6， 成本 太 高 ， 也不符合目前我國倡導(dǎo)節(jié)能型日光溫室的發(fā)展要求 。國內(nèi)機械化日光溫室多采用卷膜通風(fēng) ， 通過電機或者人力帶動卷膜桿打開通風(fēng)口薄膜 ; 但這種通風(fēng)方式導(dǎo)致整棟溫室通風(fēng)口大小必須一致 ， 不能根據(jù)溫室內(nèi)部各處不同溫度控制通風(fēng)口的大小 7 11。因此 ， 研究 低 成本日光溫室集控式智能通風(fēng)系統(tǒng)可以大大降低成本 、減少人力投入 、縮短勞動時間 ， 降低勞動強度 ， 對我國日光溫室未來的發(fā)展具有重要意義 。本文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) 12 14的集 控 式日光溫室通風(fēng)系統(tǒng) ， 實現(xiàn)了日光溫室無人狀態(tài)下的全自動智能通風(fēng) ， 改進了傳統(tǒng)人工通風(fēng)和卷膜通風(fēng)的不足 ， 為現(xiàn)代溫室向著自動化發(fā)展奠定了基礎(chǔ) 。收 稿 日 期 : 2014 09 24基金項目 : 山東省自主創(chuàng)新專項 ( 2012CX90201)作者簡介 : 牟華偉 ( 1989 ) ， 男 ， 山東日照人 ， 碩士研究生 ，( E mail)mouhuawei163 com。通訊作 者 : 劉雙喜 ( 1978 ) ， 男 ， 陜西渭南人 ， 副教授 ， 博士 ，( E mail)lentree sdau edu cn。1 總體結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)指標(biāo)11 總體 結(jié) 構(gòu)該通風(fēng)系統(tǒng)采用總線通信集中控制方式 ， 主要由機械系統(tǒng) 、控制系統(tǒng)和無線通信網(wǎng)絡(luò)組成 。其中 ， 控制系統(tǒng)和機械系統(tǒng)主要負責(zé)采集溫室內(nèi)部環(huán)境信息 ，并由下位機驅(qū)動通風(fēng)口的開合 ， 而 GPS 模塊將上位機中通過移動網(wǎng)絡(luò)并入物聯(lián)網(wǎng) 15溫 室綜 合管理平臺 16?？刂?方 案如圖 1 所示 ， 總體結(jié)構(gòu)如圖 2 所示 。12 工作原理該系統(tǒng)自動工作過程如下 : 設(shè)定上下限溫度和電機工作時間后進入正常工作狀態(tài) ; 上位機通過地址掃描的方式逐個采集下位機上的信息 ， 地址配對成功的下位機將相應(yīng)數(shù)據(jù)上傳 ， 并與用戶提前設(shè)定好的溫度進行比較 ， 并判斷通風(fēng)口的位置 ; 控制下位機驅(qū)動對應(yīng)位置的電機動作 ， 帶動減速器正反轉(zhuǎn) ， 從而啟閉通風(fēng)口 ， 同時上位機采集到的溫濕度會在屏幕上實時顯示 。為滿足用戶特定要求 ， 該系統(tǒng)設(shè)置手動工作 : 用戶選擇手動模式 ， 此時下位機上的無線接收模塊開始工作 ， 當(dāng)接收到對應(yīng)編碼遙控器的控制信號時 ， 下位機根據(jù)不同按鍵的鍵值控制電機的正反轉(zhuǎn) 。該系統(tǒng)手機客戶端和物聯(lián)網(wǎng)平臺控制過程如下 :根據(jù)物聯(lián)網(wǎng) M2M 設(shè)備與平臺通訊協(xié)議 ， 通過平臺發(fā)送控制信號給對應(yīng)地址的上位機 ， 或者通過手機客戶端發(fā)送控制信號給平臺 ， 再由平臺發(fā)送給對應(yīng)地址的上位機 ， 從而完成通風(fēng)口的開合 。系統(tǒng)也可自動采集圖像 ， 通過小波特征提取 ， 依據(jù)數(shù)據(jù)庫作物生長模型自動控制日光溫室溫度 。同時 ， 上位機可以通過鏈路·311·2015 年 9 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 9 期DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.09.025心跳 、狀態(tài) 心跳和數(shù)據(jù)上報實現(xiàn)永不掉線 、時鐘同步 、實時環(huán)境數(shù)據(jù)等功能 ， 用戶可通過物聯(lián)網(wǎng)平臺分析各處溫室的環(huán)境變化趨勢 ， 對溫室實現(xiàn)更好控制 。圖 1 控制方 案圖Fig1 Control scheme圖 2 總體結(jié) 構(gòu)簡圖Fig2 The overall structure diagram2 機 械 系 統(tǒng)設(shè)計21 機械系 統(tǒng)組成機械系統(tǒng)主要由減速機 、卷膜桿 、滑輪及拉繩等組成 。根據(jù)實地測量知 : 溫室最大通風(fēng)口寬度為 0 8m，冬季最大常用通風(fēng)寬度為 0 3m， 通風(fēng)口開關(guān)拉力約為 50N。22 傳動方案設(shè)計因通風(fēng)口的開關(guān)需要較大力矩 ， 且速度應(yīng)該較慢 ， 所以需要較大的減速比 ， 故選定兩級蝸輪蝸桿減速和一級齒輪減速 。這樣不但能實現(xiàn)較大的傳動比 ，而且結(jié)構(gòu)緊湊 ， 最重要的是使系統(tǒng)能夠自鎖 ， 防止通風(fēng)口因外部風(fēng)力等因素而關(guān)閉 。根據(jù)要求選定直流電機的額定轉(zhuǎn)速 nm和工 作 機轉(zhuǎn)速 nw0 5， 總傳 動 比為ia=nmnw( 1)分配傳動裝置各級傳動比 i1= 41， i2= 41， i3=522， 則各 軸 轉(zhuǎn)速如表 1 所示 ( 其中 0 軸為電機輸出軸 ， 1 軸為一級蝸輪軸 ， 2 軸為二級蝸輪軸 ， 3 軸為輸出軸 ) 。表 1 減速機各軸轉(zhuǎn)速及傳動比Table 1 The rotation speed of reducer each shaft軸 號轉(zhuǎn)速 N/r·min1傳動 比 i0 軸 3300 411 軸 8049 412 軸 196 5223 軸 0383 通信 系 統(tǒng)設(shè)計31 上位機與下位機通信S485 采用 平衡發(fā)送和差分接收方式來實現(xiàn)通信 : 在 發(fā)送端 TXD 將串行口的 TTL 電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號 A、B 兩路輸出 ， 經(jīng)傳輸后在接收端將差分信號還原成 TTL 電平信號 ， 如圖 3、圖 4 所示 ?？煽啃源胧┤缦?: 復(fù)位時 ， 主從機都應(yīng)該處于接收狀態(tài) ; 控制端 、DE 的信號的有效脈寬應(yīng)該大于發(fā)送或接收一幀信號的寬度 ， 同時將 A 和 B 端之間加匹配電阻 ， 選 120 的電阻 ， 吸收總線上的反射信號 ， 保證正常傳輸信號干凈 、無毛刺 。圖 3 上位機與下位機通信Fig3 The communication of upper computer and lower computer·411·2015 年 9 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 9 期圖 4 通信流 程圖Fig4 The flowchart of communication32 上位機與物聯(lián)網(wǎng)平臺通信通信系統(tǒng)按溫室 位置對上位機進行編碼 ， 通 過命令轉(zhuǎn)發(fā)和狀態(tài)返回實現(xiàn) “手拉手 ”通信 ; 上位機經(jīng)GPS 將溫度 、濕度 、風(fēng)口位置等信息上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺 ， 平臺根據(jù)事先設(shè)定的農(nóng)藝要求監(jiān)測和控制通風(fēng)口的開關(guān) ， 自動調(diào)節(jié)至作物的最適溫度 。物聯(lián)網(wǎng)平臺主要有大屏幕 、服務(wù)器 、中央控制系統(tǒng) ， 同時物聯(lián)網(wǎng)還支持手機用戶通過客戶端登陸 ， 查詢和控制日光溫室的溫度 ， 操作界面如圖 5 所示 。圖 5 物聯(lián)網(wǎng)平臺操作界面Fig5 The operation interface of Internet of Things4 控制 系 統(tǒng)設(shè)計41 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成集控式日光溫室智能通風(fēng)裝置控制系統(tǒng)下位機主要由單片機最小系 統(tǒng) 、溫濕度傳感器 、電機驅(qū)動模塊 、MAX485 通信模塊 、手動無線遙控模塊 。上位機主要由單片機最小系統(tǒng) 、MAX485 通信模塊 、GPS 無線通信模塊 。上位機中 GPS 模塊和 MAX485 都用串口通信 ， 故采用串行通信接口分時復(fù)用 。電機驅(qū)動控制采用 BTS7960 芯片 ， 組成大電流半橋驅(qū)動電路 ， 最大驅(qū)動電流為 43A。T = 9550P/n ( 2)W入= U·I ( 3)W出= T·n ( 4)式 中 T轉(zhuǎn) 矩 ;n轉(zhuǎn) 速 ;U施加的電壓 ;I產(chǎn)生的電流 。直流電機的轉(zhuǎn)換效率取 70% ， 電機驅(qū)動電壓為24V， 所以該電路滿足電機工作要求 。為防止電機堵轉(zhuǎn) ( 見圖 6) 而損壞電機和通風(fēng)口 ，該系統(tǒng)設(shè)置了過載保護電路 。引腳 IS 做電流采樣 ， 正常模式下 ， 從 IS 引腳流出的電流與流經(jīng)高邊 MOS 管的電流成正比 。則IS= ILead/8 5 ( 5)取 IS=1k， 在故 障 條件下 ， 從 IS 引腳流出的電流約 4 5mA， 最后的效果是 IS 為高電平 ， 將該信號返回單片機 ， 從而停止電機工作并報警 。圖 6 電機堵轉(zhuǎn)檢測電路Fig6 Motor stall detection circuit42 以作物模型為核心的最優(yōu)化控制該系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成了智能控制中模糊控制 18、作物 生 長模型 、預(yù)測控制技術(shù)和優(yōu)化算法 ， 在高產(chǎn)出 、高質(zhì)量 、低投入的約束條件下 ， 實現(xiàn)對日光溫室的智能控制 19 21， 最優(yōu)化控制實現(xiàn)框圖如圖 7 所示 。采 用 作物生長模型和環(huán)境預(yù)測模型相結(jié)合的方法 ， 把該技術(shù)嵌入到物聯(lián)網(wǎng)自動控制系統(tǒng)中 ， 以達到對作物環(huán)境的最佳控制 。這種方法充分利用了作物生長的機理模型 ， 又利用了預(yù)測學(xué)方法 ， 與目前的日光溫室環(huán)境控制方法相比具有跨越式的進步 。·511·2015 年 9 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 9 期圖 7 最優(yōu)化控制實現(xiàn)框圖Fig7 The optimal control system diagram5 試驗 與 分析該系統(tǒng)在壽光市進行安裝調(diào)試 ， 安裝環(huán)境為普通110m 日光溫室 ， 共安裝 3 套通風(fēng)設(shè)備 。51 試驗 1試驗環(huán)境 : 西紅柿實驗區(qū) ; 測量時間 : 11: 00 14:00; 測量設(shè)備 : 電子溫度計 。溫度測試結(jié)果如表 2 所示 。表 2 不同方 案溫度測試結(jié)果Table 2 The temperature test results of different schemes據(jù)南邊緣距離/m人工通風(fēng)最低溫度/最高溫度/智能 通 風(fēng)最低溫度/最高溫度/10 275 293 279 28730 298 316 301 31250 278 303 284 296從表 2 中 可 以看出 : 日光溫室南北方向上溫度分布為中間高 、兩頭低 ， 且靠近通風(fēng)口位置溫差相對較大 。采用智能通風(fēng)設(shè)備能夠在日光溫室不同位置不同程度的減小溫差 ， 多處溫差可控制在 ± 1 范圍內(nèi) ， 使植物營養(yǎng)生長和生殖生長更合理 ， 積溫和養(yǎng)分同化達到最佳效果 22。52 試驗 2試 驗 環(huán)境 : 黃瓜實驗區(qū) ; 最適溫度 : 26 30; 智能溫控器設(shè)置參數(shù) : 上限 30， 下限 26， 電機工作時間 1min; 人工控制 : 11: 00 開風(fēng)口 ， 13: 50 關(guān)風(fēng)口 ; 測量時間 : 2014 年 4 月 2 日 ; 測試設(shè)備 : 物聯(lián)網(wǎng)溫度采集平臺 。溫度測試結(jié)果如圖 8 所示 。圖 8 不同方案一日內(nèi)溫 度變 化曲線Fig 8 The temperature variation curve in a day of different schemes從圖 8 中 可 以看出 : 人工控制和智能控制 8: 00 10: 00 的升溫過程基本吻合 ; 但隨著日光的照射 ， 智能控制器開始自動調(diào)節(jié)風(fēng)口 ， 能夠較長時間將日光溫室內(nèi)的溫度控制在最適合植物生長的范圍 。但是 ， 人工控制波動較大 ， 中午未開風(fēng)口時溫度較高 ， 下午未關(guān)風(fēng)口時溫度下降迅速 ， 且之后溫度一直低于智能控制的溫室 。關(guān)鍵原因在于集控式智能通風(fēng)設(shè)備能夠根據(jù)用戶設(shè)定的溫度范圍 ， 及時多次 、小量開關(guān)通風(fēng)口 ，避免人工控制時溫度的驟升驟降 。6 結(jié)論日光溫室集中式最優(yōu)化控制通風(fēng)系統(tǒng)不但能較好控制日光溫室內(nèi)溫度 、降低 溫差 ， 更有助于植物的生長 ， 還能節(jié)約大量的人力物力 。對于日光溫室集中區(qū) ， 基于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的日光溫室集控式通風(fēng)系統(tǒng)能夠有效解決各種溫度控制問題 ， 通過手機客戶端 ， 更能隨時隨地掌握日光溫室內(nèi)的情況 。同時 ， 該物聯(lián)網(wǎng)平臺還能分析溫度變化曲線 ， 便于研究日光溫室不同作物的最適溫度 。·611·2015 年 9 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 9 期參考文 獻 : 1 Zhou Changji， Yang Zhensheng Discussion on a precisedefinition ofsunlight greenhouse J Transactions of theChinese Society of Agricultural Engineering， 2002， 18( 6) :200 202 ( in Chinese with English abstract) 2 齊 飛 我國溫室及配套設(shè)備產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 J 上 海農(nóng)業(yè)學(xué)報 ， 2005， 21( 1) : 53 57 3 張紅萍 ， 張 法瑞 中國設(shè)施園藝的歷史回顧與思考 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 ， 2004， 20( 6) : 291 295 4 齊飛 ， 周新 群 ， 張躍峰 ， 等 世界現(xiàn)代化溫室裝備技術(shù)發(fā)展及對中國的啟示 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 ， 2008， 24( 10) :279 285 5 余 欣榮 關(guān)于發(fā)展農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的 幾點認(rèn)識 J 中國科學(xué)院院刊 ， 2013， 28( 6) : 679 685 6 杜 尚豐 ， 李 迎霞 ， 馬承偉 ， 等 中國溫室環(huán)境控制硬件系統(tǒng)研究進展 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 ， 2004， 20( 1) : 7 12 7 方 憲法 ， 陳 志 ， 蘇文鳳 ， 等 中國農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 ， 2007， 23( 2) : 267 272 8 陳國輝 ， 郭 艷玲 ， 宋文龍 溫室發(fā)展現(xiàn)狀及我國溫室需要解決的主要問題 J 林業(yè)機械與木工設(shè)備 ， 2004( 2) : 1112 9 Bot G， Van de Braak N， Challa H， et al The solar green-house: state of the art in energy saving and sustainable energysupply J Acta Horticulture， 2005， 691( 2) : 501 503 10 陳 威 ， 郭書 普 中國農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 ， 2013， 29( 22) : 196 205 11 程秀花 ， 毛 罕平 ， 伍德林 ， 等 溫室自然通風(fēng)研究進展 J 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) ， 2009， 37( 8) : 3803 3805 12 唐珂 國外 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展及對我國的啟示 J 中國科學(xué)院院刊 ， 2013， 28( 6) : 700 707 13 趙璐 ， 楊印 生 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展 J 農(nóng)機化研究 ， 2011， 33( 8) : 226 229 14 何 勇 ， 聶鵬 程 ， 劉飛 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與傳感器研究進展 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 ， 2013， 44( 10) : 216 223 15 孫忠富 ， 曹 洪太 ， 李洪亮 ， 等 基于 GPS 和 WEB 的溫室環(huán)境信息采集系統(tǒng)的實現(xiàn) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 ， 2006， 22( 6) : 131 134 16 閻曉軍 ， 王 維瑞 ， 梁建平 北京市設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模式構(gòu)建 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 ， 2012， 28( 4) : 149 154 17 馬慶功 ， 莫 玉華 ， 鄭恩興 基于 S485 多機通信系統(tǒng)設(shè)計 J 電子世界 ， 2012( 12) : 132 133 18 余 泳昌 ， 胡 建東 ， 毛鵬軍 現(xiàn)代化溫室環(huán)境參數(shù)的模糊控制 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 ， 2002， 18( 2) : 72 75 19 蔣國振 ， 胡 耀華 ， 劉玉鳳 ， 等 基于 CFD 的下沉式日光溫室保溫性能分析 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 ， 2011， 12( 12) : 275280 20 張起勛 ， 于 海業(yè) ， 張忠元 ， 等 基于 CFD 模型研究日光溫室內(nèi)的空氣流動 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 ， 2012， 8( 16) : 166171 21 Hu Hongjie， Er Lianjie， Liu Qiang， et al Stable and a-daptive PID control based on neural network J Journal ofBeijing University of Aeronautics and Astronautics， 2001，27( 2) : 153 156 22 付 衛(wèi)紅 ， 由 世俊 自然通風(fēng)條件下草莓日光溫室風(fēng)口尺寸對溫室微氣候影響的實驗研究 J 河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報 ， 2013， 42( 3) : 52 56Greenhouse Centralized Optimization Control Ventilation SystemMou Huaweia， Wang Jinxinga， Liu Shuangxia， Yu Lianshuangb， Fan Lianxianga， Fu Shenghuia( a Shandong Provincial Key Laboratory of Horticultural Machineries and Equipments; b College of Mechanical and En-gineering， Shandong Agricultural University， Taian 271018， China)Abstract: In order to control the temperature of the greenhouse without people， a greenhouse centralized optimizationcontrol ventilation system based on the internet of things was introduced To accurately control the temperature， user ac-cording to different seasons and crops set different upper and lower temperature and motor working time， also the systemcan automatically control temperature according to the crop growth model of automatic The system is able to control thedifference in temperature between the actual temperature and the most suitable temperature， significantly reduce plantphysiological disease The test results showed that: the system can adapt to various greenhouse It is not only shortenworking hours of manual labor， but also to avoid large temperature changes when the manual controlKey words: greenhouse; ventilation; internet of things; concentration; optimization·711·2015 年 9 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 9 期