物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2019年 / 第 11期 智能處理與應(yīng)用Intelligent Processing and Application740 引 言隨著工業(yè) 4.0 時代的到來，溫室大棚逐漸向全自動化、智能化發(fā)展。對于溫室大棚來說，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)放置測量儀器，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，人工控制很難滿足需求1。因此我們結(jié)合溫室栽培的特點(diǎn)對大棚內(nèi)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行動態(tài)采集、自動 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)程訪問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)的自動控制系統(tǒng)、基于云平臺的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)以及手機(jī) APP 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。系統(tǒng)整體設(shè)計如圖 1 所示。圖 1 溫室大棚系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2 環(huán)境參數(shù)的自動控制系統(tǒng)2.1 自動調(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，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。自動調(diào)光控制原理如圖 2 所示。圖 2 自動調(diào)光控制原理傳統(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 傳統(tǒng) PID 算法原理圖 3 中，r(t) 為給定值，y(t) 為輸出值。PID 算法在計算時要對偏差 e(k) 進(jìn)行累加，運(yùn)算量大，且長期運(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 是通過對控制量的增量（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。相對于普通 PID 控制算法，增量式 PID 的算式中無需累加，控制器增量 u(k) 的確定僅僅和最近的三次采樣值有關(guān)，容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制性能。增量式 PID 算法公式4：uk uk ukkekkek kekek()= ()()= ()+ ()+ ()()11PID（1）其中： ek yk rkek ek ek()= () ()()= ()() 1節(jié)能型智能溫室大棚控制系統(tǒng)焦鵬邈，李 波，白翠艷，劉 浩，劉禧琛，李林琦（天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，天津 300387）摘 要：針對傳統(tǒng)溫室大棚存在的低效率、高成本、非自動化等問題，圍繞增量式 PID 算法以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出了基于 “檢測、控制、再設(shè)定 ”的參數(shù)改進(jìn)方案。采用增量式 PID 控制算法調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)在給定的范圍內(nèi)波動；采用精準(zhǔn)滴管控制模式，降低滴灌水量；采用 OneNET 云平臺對植物的生長情況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測；采用 TCP/IP 通信，通過手機(jī) APP 的無線參數(shù)輸入進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性和有效性。關(guān)鍵詞：增量式 PID；精準(zhǔn)滴管控制模型；OneNET 云平臺；TCP/IP 通信；環(huán)境參數(shù)；手機(jī) APP中圖分類號：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2019）11-0074-03收稿日期：2019-04-27 修回日期：2019-05-29DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2019.11.0222019年 / 第 11期 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智能處理與應(yīng)用Intelligent Processing and Application75令：AkTTTTBkTTCkTT=+=+=PIDPDPD112因此公式（1）可以化簡為：u(k)=A · e(k)+B · e(k-1)+C · e(k-2) （2）式中：TI為調(diào)節(jié)器的積分時間；TD為調(diào)節(jié)器的微分時間；T為采樣周期。根據(jù)公式（2），畫出增量式 PID 控制算法程序流程，如圖 4 所示。圖 4 增量式 PID 控制算法程序流程2.2 精準(zhǔn)滴灌傳統(tǒng)的灌溉屬于開環(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 波信號控制水泵的開啟程度。滴管控制原理如圖 5 所示。圖 5 滴管控制原理由于溫室大棚采用的是精準(zhǔn)滴管，相對于灌溉，其水流速很慢，故假設(shè)水閥張開角度為特定的 角時，其滴管水流速恒定為 v1。因此每一個 角都對應(yīng)一個滴管水流速 v1，即v1=f()，其中 f 為 到 v1的映射，該映射關(guān)系與水閥的種類有關(guān)，不同的水閥可以通過實(shí)驗(yàn)測得。在本系統(tǒng)中，我們所用的水閥可以精準(zhǔn)控制其張開角度 ，且 和所給 PWM 信號的占空比 成線性關(guān)系，即 =k+b，其中 k 為線性比例系數(shù)，b 為截距，綜上有：v1=f (k+b) （3）在實(shí)際情況中，水的滲透是一個非常復(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化為一個簡單的恒速滲透模型。記水滲透速度為 v2，植物生長箱的土壤面積為 m×n，滴管時間為 t。當(dāng)v2t minm, n，可以認(rèn)為水已經(jīng)第一次滲透到生長箱的所有土壤。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)量就無法通過其他路徑使?jié)穸戎迪陆?。因此溫室大棚采?“分階段滴管控制”，即當(dāng) v2t minm, n 時，采用比例負(fù)反饋控制滴管速度；當(dāng)v2t>minm, n 時，采用恒速滴管。通過土壤濕度傳感器時時監(jiān)測當(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H=H1-H2（4）所以當(dāng) v2t minm, n 時，=kPH=kP(H1-H2)。為了使系統(tǒng)無超調(diào)，當(dāng) v2t>minm, n 時，以一個恒定較小的速度v1s滴灌，求出對應(yīng) v1s的占空比 為fv bk()11s。精準(zhǔn)滴管的控制模型如下：=() =()> =kH Hvtmnfv bkvt mnHHP1s1221210,min ,min ,20（5）3 基于云平臺的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測具有分布離散且相互獨(dú)立的特點(diǎn)，每個溫室大棚內(nèi)部的農(nóng)作物生長環(huán)境各自獨(dú)立，數(shù)以百計的溫室大棚的環(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 云平臺開發(fā)。OneNET 是一個開放的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺，用戶可以免費(fèi)注冊賬號并使用此平臺。OneNET 管理平臺上的資源包括用戶、產(chǎn)品、設(shè)備、APIKey、觸發(fā)器、應(yīng)用等。3.1 OneNET 云平臺接入OneNET 作為一個免費(fèi)開放的云平臺，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)測平臺的上位機(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 云平臺創(chuàng)建一個公開協(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)備名稱和鑒權(quán)信息（即設(shè)備編號），記錄該設(shè)備 ID。（3）建立 HTTP 連接。HTTP 服務(wù)器地址域名為 jjfarfapi.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2019年 / 第 11期 智能處理與應(yīng)用Intelligent Processing and Application76heclouds.com（IP 地址：183.230.40.33），端口號為 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。（5）查看數(shù)據(jù)流。在 OneNET 云平臺上找到設(shè)備管理 -數(shù)據(jù)展示，進(jìn)入數(shù)據(jù)展示頁面，點(diǎn)擊下拉菜單，通過坐標(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 云平臺上位機(jī)展示本植物生長箱系統(tǒng)的主要功能在于監(jiān)測生長箱內(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 個圖像顯示生長箱的溫度、濕度、CO2濃度以及光照強(qiáng)度。下方一排表盤是這 4 個環(huán)境參數(shù)的設(shè)置閾值。通過云平臺上位機(jī)，使用者可以隨時遠(yuǎn)程監(jiān)測生長箱內(nèi)的生長情況。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10開發(fā)，使用者僅通過手機(jī) APP 就能夠?qū)厥掖笈锏慕o定參數(shù)進(jìn)行無線輸入，極大地簡化了用戶操作。溫室大棚采用無線路由器作為中間連接裝置，手機(jī)客戶端采用Android Java 開發(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，對比傳統(tǒng)的按鍵輸入，其具有不受環(huán)境、時間、地域、距離等因素影響的特點(diǎn)，同時還可通過用戶手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，操作方便靈活。用戶端設(shè)計算法流程如圖 7 所示。當(dāng)用戶打開客戶端 APP 時，程序先進(jìn)行界面初始化，然后用戶輸入服務(wù)器的 IP 地址及端口號。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”，說明客戶端與服務(wù)器連接成功。接著用戶在對應(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”，則說明用戶設(shè)置的給定參數(shù)已成功輸入下位機(jī)。圖 7 用戶端設(shè)計算法流程本系統(tǒng)主要包含 2 個 Activity 和 3 個 XML 腳本文件。我們可以根據(jù)不同的底層協(xié)議來實(shí)現(xiàn)，選用基于 TCP/IP 協(xié)議的 Socket 通信方式。同時為了提高系統(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，“%”表示兩個數(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 個數(shù)據(jù)的和，如下：data data514= ii（6）當(dāng)下位機(jī)接收到的數(shù)據(jù)滿足上述等式時，則認(rèn)為數(shù)據(jù)接收無誤，否則視為無效接收，舍去接收到的數(shù)據(jù)。用戶端界面如圖 8 所示。圖 8 用戶端界面5 結(jié) 語節(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增量式 PID 算法對溫室大棚環(huán)境進(jìn)行自動控制；結(jié)合 OneNET 云平臺進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)管；采用手機(jī) APP 對（下轉(zhuǎn)第 79 頁）2019年 / 第 11期 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智能處理與應(yīng)用Intelligent Processing and Application79備類型、生產(chǎn)批次等），結(jié)合制造企業(yè)的生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng) （Manufacturing Execution System，MES），對應(yīng)硬件設(shè)備的元器件廠家批次、生產(chǎn)人員、生產(chǎn)工藝等信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，有利于成品不良率的分析。此外，在做半成品檢測時，設(shè)備 ID已經(jīng)生成，因此結(jié)合自動化工裝，可自動生產(chǎn)對應(yīng)信息，無需人員手工錄入，從而提升了生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量。4.2 售后管理在智慧水務(wù)領(lǐng)域，硬件設(shè)備的數(shù)量基數(shù)較大且設(shè)備種類較多，因此給售后人員的設(shè)備維護(hù)工作造成了較大壓力。通過引入設(shè)備 ID 管理系統(tǒng)，售后人員利用手持設(shè)備掃描外殼二維碼或直接讀取設(shè)備 ID，就可獲取到相應(yīng)的設(shè)備信息，并將售后信息導(dǎo)入售后系統(tǒng)。而售后系統(tǒng)與研發(fā)系統(tǒng)掛鉤，研發(fā)人員將第一時間獲取設(shè)備情況，并通過生產(chǎn) MEX 系統(tǒng)調(diào)閱該設(shè)備相關(guān)生產(chǎn)信息，從而獲取到完整的設(shè)備信息。在多維信息的支撐下，研發(fā)人員可迅速定位問題點(diǎn)，進(jìn)而快速配合售后人員解決相關(guān)問題，從而有效降低售后維護(hù)成本，同時提高售后響應(yīng)速度。4.3 設(shè)備管控通過硬件設(shè)備的 ID，設(shè)備管控平臺有了抓力點(diǎn)，可對設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行全生命周期的管控與調(diào)度。智慧水務(wù)領(lǐng)域的設(shè)備基數(shù)大且種類多，在沒有設(shè)備 ID 的情況下無法對數(shù)據(jù)快速篩選，通常都是發(fā)現(xiàn)一個，標(biāo)記一個，篩選一個，當(dāng)數(shù)據(jù)量大時工作效率很低。利用本文設(shè)計的設(shè)備 ID管理系統(tǒng)，設(shè)備管理平臺可根據(jù)相應(yīng)的規(guī)則自動對數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾、分類和篩選，真正為大數(shù)據(jù)分析提供強(qiáng)有力的信息支撐。5 結(jié) 語在智慧水務(wù)領(lǐng)域，硬件設(shè)備數(shù)量基數(shù)大且種類多的特性給企業(yè)帶來了管理上的難題。本文設(shè)計的設(shè)備 ID 管理系統(tǒng)在不增加硬件成本的前提下，通過修改硬件設(shè)備，軟件配合現(xiàn)有硬件資源，即可高效完成設(shè)備 ID 管理，且該 ID 具有規(guī)律性、唯一性與可追溯性，利用其可打通研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)管理、售后維護(hù)及設(shè)備管控等環(huán)節(jié)的信息壁壘，使所有管理環(huán)節(jié)信息對稱，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低售后成本，并提升數(shù)據(jù)分析能力。參 考 文 獻(xiàn)1 熊建功，沈秀紅 . 智慧水務(wù)生產(chǎn)運(yùn)營大數(shù)據(jù)平臺新構(gòu)想 J. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2019，9（5）： 43-45. 2 謝麗芳，邵煜，馬琦，等 . 國內(nèi)外智慧水務(wù)信息化建設(shè)與發(fā)展 J.給水排水，2018，11（44）：135-139.3 馬洪連，吳振宇 . 電子系統(tǒng)設(shè)計面向嵌入式硬件電路 M. 北京：電子工業(yè)出版社， 2018.4 譚浩強(qiáng) . C 程序設(shè)計 M.4 版 . 北京：清華大學(xué)出版社，2010.5 彭偉 . 單片機(jī) C 語言程序設(shè)計實(shí)訓(xùn) 100 例 M. 北京：電子工業(yè)出版社，2015.6 宛如意，李震 . 基于 NB-IoT 的智慧水務(wù)建設(shè)探討 J. 電子測試，2017（12）：72-73.7 張善亮 . 智慧水務(wù)綜合信息管理平臺的智慧化應(yīng)用 J. 中國建設(shè)信息化，2017（4）：67-69.8 常亞林 . 關(guān)于 “智慧水務(wù) ”平臺系統(tǒng)的構(gòu)建及關(guān)鍵技術(shù)分析 J.山東工業(yè)技術(shù)，2018（9）：146-147.9 丁承君，田軍強(qiáng) . 面向水務(wù)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理單元設(shè)計與實(shí)現(xiàn)J. 制造業(yè)自動化，2019，41（6）：4-7.10 謝善斌，袁杰，侯金霞 . 智慧水務(wù)信息化系統(tǒng)建設(shè)與實(shí)踐 J. 給水排水，2018，44（4）：134-140.作者簡介：鄭文輝（1985），男，福建連江人，本科，工程師，主要從事智慧水務(wù)領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究。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，同時也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和能源利用率。 參 考 文 獻(xiàn)1 章智杰 . 莒南縣溫室大棚發(fā)展現(xiàn)狀及對策研究 J. 農(nóng)村經(jīng)濟(jì)與科技，2019（3）：201-203.2 劉亞偉 . 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能溫室大棚控制系統(tǒng)研究 D. 長春：長春工業(yè)大學(xué)，2018.3 唐玉紅 .PID 控制方法研究 J. 電子世界，2019（7）：65-66.4 嚴(yán)曉照 . 增量式 PID 控制在溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用 J. 南通大學(xué)學(xué)報，2006，5（4）：48-51.5 蔣瑋，沙愛民，肖晶晶，等 . 透水瀝青路面的儲水滲透模型與效能 J. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報，2013，41（1）：72-77.6 譚志君 . 基于多變量控制的智能溫室控制系統(tǒng) D. 上海：東華大學(xué)，2015.7 宋俊慷 . 農(nóng)業(yè)溫室大棚遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺設(shè)計 J. 民營科技，2018（7）：147-149.8 侯杰林，張青春，符駿 . 基于 OneNET 平臺的水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 J. 淮陰工學(xué)院學(xué)報，2016，25（3）：10-13.9 龔峰文 . 嵌入式 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn) J. 硅谷，2008（24）：53.10 高南虎 . 基于安卓的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) J. 科技風(fēng)，2018（2）：77.（上接第 76 頁）