電子設(shè)計(jì)工程 Electronic Design Engineering 第 27 卷 Vol 27 第 3 期 No 3 2019 年 2 月 Feb 2019 收 稿 日 期 2 0 1 8 0 5 0 4 稿 件 編 號(hào) 2 0 1 8 0 5 0 2 0 作 者 簡 介 牛 犁 青 1 9 9 3 男 湖 北 武 漢 人 碩 士 研 究 生 研 究 方 向 控 制 系 統(tǒng) 隨 著 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 的 不 斷 發(fā) 展 利 用 微 機(jī) 電 系 統(tǒng) M E M S 無 線 傳 感 網(wǎng) 絡(luò) Z i g B e e 無 線 通 信 技 術(shù) 等 構(gòu) 造 的 基 于 物 聯(lián) 網(wǎng) 的 溫 室 大 棚 數(shù) 字 化 管 理 系 統(tǒng) 對 蔬 菜 鮮 花 等 大 棚 溫 濕 度 進(jìn) 行 控 制 與 管 理 不 僅 可 以 提 高 蔬 菜 的 質(zhì) 量 而 且 能 夠 降 低 勞 動(dòng) 強(qiáng) 度 節(jié) 約 勞 動(dòng) 成 本 溫 室 大 棚 是 現(xiàn) 代 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 中 的 一 種 重 要 設(shè) 施 它 可 以 不 受 季 節(jié) 地 域 的 影 響 培 植 出 反 季 農(nóng) 作 物 滿 足 人 們 對 農(nóng) 作 物 多 樣 化 的 需 求 同 時(shí) 溫 室 大 棚 能 夠 提 升 農(nóng) 業(yè) 精 細(xì) 化 生 產(chǎn) 的 水 平 不 僅 提 升 了 農(nóng) 作 物 的 品 質(zhì) 而 且 增 加 了 農(nóng) 民 的 收 入 目 前 溫 室 大 棚 大 部 分 是 需 要 人 工 進(jìn) 行 溫 濕 度 控 制 存 在 溫 度 調(diào) 節(jié) 不 及 時(shí) 不 準(zhǔn) 確 的 問 題 這 導(dǎo) 致 溫 室 大 棚 農(nóng) 作 物 生 長 無 法 達(dá) 到 最 佳 環(huán) 境 狀 態(tài) 隨 著 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 的 飛 速 發(fā) 展 構(gòu) 建 溫 室 大 棚 溫 濕 度 環(huán) 境 采 集 與 控 制 系 統(tǒng) 對 大 棚 環(huán) 境 進(jìn) 行 自 動(dòng) 化 管 理 已 經(jīng) 成 為 溫 室 大 棚 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 的 迫 切 需 求 1 核心技術(shù) 1 1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 無 線 傳 感 網(wǎng) 絡(luò) 技 術(shù) 是 利 用 無 線 通 信 和 傳 感 器 實(shí) 現(xiàn) 對 區(qū) 域 內(nèi) 的 監(jiān) 測 對 象 進(jìn) 行 遠(yuǎn) 程 管 理 傳 感 器 節(jié) 點(diǎn) 能 夠 對 一 定 范 圍 的 空 間 建 立 感 知 區(qū) 區(qū) 域 內(nèi) 的 監(jiān) 測 對 象 信 息 通 過 外 部 網(wǎng) 絡(luò) 連 接 管 理 中 心 用 戶 可 通 過 管 基 于 物 聯(lián) 網(wǎng) 的 溫 室 大 棚 數(shù) 字 化 管 理 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 與 仿 真 牛 犁 青 楊 毅 云 南 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 大 數(shù) 據(jù) 學(xué) 院 云 南 昆 明 6 5 0 1 0 0 摘 要 基 于 溫 室 大 棚 數(shù) 字 化 管 理 為 目 的 采 用 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 進(jìn) 行 溫 室 大 棚 數(shù) 字 化 管 理 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 將 系 統(tǒng) 劃 分 為 兩 部 分 一 部 分 為 安 裝 有 傳 感 器 和 無 線 通 信 網(wǎng) 絡(luò) 的 溫 室 大 棚 溫 濕 度 信 息 采 集 系 統(tǒng) 另 一 部 分 為 進(jìn) 行 溫 濕 度 控 制 的 控 制 系 統(tǒng) 針 對 溫 室 大 棚 不 同 時(shí) 段 溫 濕 度 非 線 性 變 化 的 特 點(diǎn) 設(shè) 計(jì) 基 于 單 神 經(jīng) 元 模 糊 的 P I D 控 制 器 并 進(jìn) 行 控 制 算 法 的 改 進(jìn) 通 過 仿 真 實(shí) 驗(yàn) 得 出 結(jié) 論 單 神 經(jīng) 元 模 糊 P I D 能 夠 使 溫 室 大 棚 溫 濕 度 最 快 達(dá) 到 穩(wěn) 定 值 溫 室 大 棚 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 可 準(zhǔn) 確 采 集 溫 室 大 棚 內(nèi) 的 溫 濕 度 信 息 關(guān) 鍵 詞 溫 室 大 棚 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 無 線 傳 感 網(wǎng) 溫 濕 度 控 制 中 圖 分 類 號(hào) T N 9 2 5 文 獻(xiàn) 標(biāo) 識(shí) 碼 A 文 章 編 號(hào) 1 6 7 4 6 2 3 6 2 0 1 9 0 3 0 0 7 6 0 6 D e s i g n a n d S i m u l a t i o n o f d i g i t a l m a n a g e m e n t s y s t e m f o r g r e e n h o u s e b a s e d o n I n t e r n e t o f t h i n g s N I U L I q i n g Y A N G Y i I n s t i t u t e o f B i g D a t a o f Y u n n a n A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y K u n m i n g 6 5 0 1 0 0 C h i n a A b s t r a c t B a s e d o n t h e d i g i t a l m a n a g e m e n t o f g r e e n h o u s e g r e e n h o u s e t h i s p a p e r u s e s t h e I n t e r n e t o f t h i n g s t o d e s i g n t h e g r e e n h o u s e d i g i t a l m a n a g e m e n t s y s t e m d i v i d e s t h e s y s t e m i n t o t w o p a r t s o n e p a r t i s t h e g r e e n h o u s e t e m p e r a t u r e a n d h u m i d i t y i n f o r m a t i o n c o l l e c t i o n s y s t e m w i t h s e n s o r a n d w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n n e t w o r k t h e o t h e r i s d i v i d e d i n t o t h e c o n t r o l s y s t e m o f t e m p e r a t u r e a n d h u m i d i t y c o n t r o l I n v i e w o f t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f n o n l i n e a r v a r i a t i o n o f t e m p e r a t u r e a n d h u m i d i t y i n g r e e n h o u s e a t t h e s a m e t i m e a P I D c o n t r o l l e r b a s e d o n s i n g l e n e u r o n f u z z y i s d e s i g n e d a n d t h e i m p r o v e m e n t o f t h e c o n t r o l a l g o r i t h m i s c a r r i e d o u t T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t s i n g l e n e u r o n f u z z y P I D c a n m a k e t h e g r e e n h o u s e g r e e n h o u s e t e m p e r a t u r e a n d h u m i d i t y r e a c h t h e s t a b l e v a l u e a n d t h e g r e e n h o u s e m o n i t o r i n g s y s t e m c a n a c c u r a t e l y c o l l e c t t e m p e r a t u r e T h e t e m p e r a t u r e a n d h u m i d i t y i n f o r m a t i o n i n t h e g r e e n h o u s e K e y w o r d s g r e e n h o u s e m o n i t o r i n g s y s t e m w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k t e m p e r a t u r e a n d h u m i d i t y c o n t r o l 76 DOI 10 14022 ki dzsjgc 2019 03 017理 中 心 對 遠(yuǎn) 程 任 務(wù) 進(jìn) 行 管 理 體 系 結(jié) 構(gòu) 如 圖 1 所 示 圖 1 體系結(jié)構(gòu) 傳 感 器 類 型 非 常 的 廣 泛 如 溫 度 傳 感 器 濕 度 傳 感 器 空 氣 質(zhì) 量 傳 感 器 二 氧 化 碳 濃 度 傳 感 器 等 等 傳 感 器 由 感 應(yīng) 模 塊 通 信 模 塊 處 理 器 和 能 力 模 塊 所 組 成 各 模 塊 負(fù) 責(zé) 相 應(yīng) 的 功 能 如 感 應(yīng) 模 塊 負(fù) 責(zé) 對 感 知 區(qū) 域 內(nèi) 的 信 息 進(jìn) 行 采 集 無 線 通 信 模 塊 負(fù) 責(zé) 信 息 的 上 傳 處 理 器 模 塊 負(fù) 責(zé) 信 息 的 下 達(dá) 能 量 模 塊 負(fù) 責(zé) 傳 感 器 的 供 能 1 2 無線通信技術(shù) 我 們 常 見 的 近 距 離 無 線 通 信 技 術(shù) 有 很 多 種 如 無 線 局 域 網(wǎng) W I F I 藍(lán) 牙 B l u e t o o t h 紅 外 線 I r D A 射 頻 R F 等 各 種 技 術(shù) 擁 有 不 同 的 頻 率 傳 輸 距 離 傳 輸 速 度 和 功 耗 無 線 通 信 技 術(shù) 性 能 比 較 如 表 1 所 示 表 1 無線通信技術(shù)性能比較 技術(shù)名稱 WIFI Bluetooth IrDA ZigBee 傳輸頻率 2 4 GHz 2 4 GHz 980 mm 2 4 GHz 傳輸距離 100 m 10 m 1 m 75 m 傳輸速率 54 Mbps 1 Mbps 16 Mbps 250 kbps 功耗 500 mW 60 mW 1 10 mW 30 mW 通 過 以 上 無 線 通 信 技 術(shù) 性 能 對 比 可 以 看 出 在 溫 室 大 棚 數(shù) 字 化 管 理 系 統(tǒng) 傳 感 通 信 方 面 采 用 Z i g B e e 具 有 很 好 的 適 用 性 1 3 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與協(xié)議?？蚣?構(gòu) 成 Z i g B e e 網(wǎng) 絡(luò) 的 元 件 包 括 終 端 節(jié) 點(diǎn) 協(xié) 調(diào) 器 和 路 由 器 終 端 節(jié) 點(diǎn) 設(shè) 備 的 功 能 主 要 用 來 采 集 外 部 環(huán) 境 信 息 協(xié) 調(diào) 器 是 用 來 調(diào) 節(jié) 和 維 護(hù) 無 線 網(wǎng) 絡(luò) 功 能 路 由 器 是 用 來 接 收 和 轉(zhuǎn) 發(fā) 數(shù) 據(jù) 表 包 它 是 任 務(wù) 執(zhí) 行 的 支 持 者 根 據(jù) 終 端 設(shè) 備 協(xié) 調(diào) 器 路 由 器 的 組 合 方 式 可 將 Z i g B e e 網(wǎng) 絡(luò) 拓 撲 結(jié) 構(gòu) 可 以 劃 分 為 星 形 結(jié) 構(gòu) 樹 形 結(jié) 構(gòu) 和 網(wǎng) 狀 結(jié) 構(gòu) 3 種 Z i g B e e 協(xié) 議 棧 基 于 I E E E 8 0 2 1 5 4 協(xié) 議 框 架 劃 分 為 應(yīng) 用 支 持 子 層 A P S 網(wǎng) 絡(luò) 層 N W K 和 安 全 層 S e c u r i t y 介 質(zhì) 訪 問 控 制 層 M A C 物 理 層 Z i g B e e 協(xié) 議 棧 框 架 如 圖 2 所 示 圖 2 ZigBee 協(xié)議?？蚣?應(yīng) 用 支 持 子 層 提 供 A P S 安 全 管 理 A p s 信 息 中 間 者 和 反 射 器 管 理 網(wǎng) 絡(luò) 層 和 安 全 層 提 供 路 由 管 理 N W K 安 全 管 理 和 網(wǎng) 絡(luò) 管 理 介 質(zhì) 訪 問 控 制 層 基 于 I E E E 8 0 2 1 5 4 協(xié) 議 進(jìn) 行 通 信 物 理 層 提 供 數(shù) 據(jù) 的 傳 輸 2 溫室大棚數(shù)字化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 1 無線采集子系統(tǒng)設(shè)計(jì) 溫 室 大 棚 的 采 集 系 統(tǒng) 是 對 溫 室 大 棚 內(nèi) 的 溫 濕 度 進(jìn) 行 信 息 采 集 本 文 采 用 Z i g B e e 無 線 通 信 技 術(shù) 網(wǎng) 狀 結(jié) 構(gòu) 進(jìn) 行 設(shè) 計(jì) 通 過 Z i g B e e 采 集 節(jié) 點(diǎn) 對 溫 室 大 棚 內(nèi) 的 溫 濕 度 信 息 進(jìn) 行 采 集 無 線 采 集 子 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 如 圖 3 所 示 圖 3 無線采集子系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 每 個(gè) 溫 度 傳 感 器 感 應(yīng) 其 在 溫 室 大 棚 內(nèi) 可 感 應(yīng) 到 的 范 圍 內(nèi) 的 溫 度 信 息 濕 度 傳 感 器 感 應(yīng) 范 圍 內(nèi) 的 濕 度 信 息 通 過 Z i g B e e 采 集 點(diǎn) 將 各 個(gè) 傳 感 器 的 信 息 傳 遞 給 路 由 器 并 發(fā) 送 到 Z i g B e e 網(wǎng) 絡(luò) 協(xié) 調(diào) 器 上 通 過 對 信 息 數(shù) 據(jù) 的 綜 合 加 工 傳 遞 給 上 位 機(jī) 顯 示 溫 室 大 棚 內(nèi) 的 溫 濕 度 信 息 當(dāng) 需 要 對 溫 室 大 棚 進(jìn) 行 溫 濕 度 調(diào) 節(jié) 時(shí) 通 過 上 位 機(jī) 下 發(fā) 指 令 有 協(xié) 調(diào) 器 將 指 令 進(jìn) 行 分 解 通 過 路 由 器 傳 遞 到 Z i g B e e 采 集 點(diǎn) 上 控 制 傳 感 器 的 調(diào) 整 范 圍 同 時(shí) 由 控 制 器 對 溫 濕 度 設(shè) 備 進(jìn) 行 控 制 調(diào) 節(jié) 溫 度 和 濕 度 的 供 給 范 圍 使 溫 室 大 棚 內(nèi) 的 溫 濕 度 與 用 戶 需 求 相 符 合 牛犁青 等 基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚數(shù)字化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 77 電子設(shè)計(jì)工程 2019 年第 3 期 由 于 溫 室 大 棚 空 間 有 限 所 以 使 用 的 傳 感 網(wǎng) 絡(luò) 節(jié) 點(diǎn) 盡 可 能 的 小 微 化 這 也 導(dǎo) 致 各 個(gè) 節(jié) 點(diǎn) 在 能 量 供 給 計(jì) 算 能 力 等 方 面 要 求 盡 可 能 的 滿 足 需 求 情 況 下 要 做 到 精 致 無 線 采 集 網(wǎng) 絡(luò) 節(jié) 點(diǎn) 的 操 作 系 統(tǒng) 選 擇 T i n y O S 系 統(tǒng) 該 系 統(tǒng) 可 以 滿 足 低 功 能 并 發(fā) 性 設(shè) 計(jì) 并 且 具 有 模 塊 化 代 碼 量 小 等 特 點(diǎn) 適 合 嵌 入 式 無 線 傳 感 網(wǎng) 的 設(shè) 計(jì) T i n y O S 操 作 系 統(tǒng) 主 要 由 3 種 類 型 的 組 件 構(gòu) 成 一 是 硬 件 抽 象 組 件 該 組 件 可 以 對 物 力 設(shè) 備 進(jìn) 行 組 件 化 將 每 一 個(gè) 硬 件 資 源 都 抽 象 為 乳 尖 并 賦 予 相 應(yīng) 的 功 能 接 口 二 是 合 成 硬 件 組 件 該 組 件 可 以 將 硬 件 的 抽 象 組 件 與 軟 件 組 件 進(jìn) 行 合 成 使 其 能 夠 滿 足 消 息 的 發(fā) 送 與 接 收 三 是 軟 件 組 件 該 組 件 可 以 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 傳 輸 任 務(wù) 和 硬 件 控 制 T i n y O S 組 件 結(jié) 構(gòu) 如 圖 4 所 示 圖 4 TinyOS 組件結(jié)構(gòu) 在 使 用 T i n y O S 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 無 線 采 集 網(wǎng) 絡(luò) 軟 件 設(shè) 計(jì) 時(shí) 通 過 任 務(wù) 與 事 件 的 調(diào) 度 完 成 軟 件 功 能 的 實(shí) 施 T i n y O S 提 供 了 兩 級(jí) 調(diào) 度 機(jī) 制 即 將 任 務(wù) 平 行 化 的 進(jìn) 行 實(shí) 施 采 用 按 順 序 進(jìn) 行 調(diào) 度 的 方 式 進(jìn) 行 操 作 調(diào) 度 模 式 非 常 簡 單 T i n y O S 的 調(diào) 度 具 有 連 貫 性 當(dāng) 一 個(gè) 事 件 被 觸 發(fā) 其 所 關(guān) 聯(lián) 的 任 務(wù) 都 會(huì) 迅 速 被 執(zhí) 行 直 至 完 成 該 事 件 任 務(wù) 再 進(jìn) 行 下 一 個(gè) 事 件 的 處 理 當(dāng) 無 事 件 處 理 時(shí) C P U 進(jìn) 入 休 眠 狀 態(tài) 有 新 的 事 件 發(fā) 生 則 C P U 再 次 進(jìn) 入 工 作 狀 態(tài) 2 2 無線控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì) 在 進(jìn) 行 控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 前 首 先 分 析 煙 葉 烘 烤 在 不 同 階 段 時(shí) 對 溫 濕 度 的 要 求 根 據(jù) 不 同 烘 烤 階 段 確 定 溫 室 大 棚 溫 濕 度 控 制 范 圍 溫 濕 度 傳 感 器 采 集 到 的 溫 室 大 棚 溫 濕 度 數(shù) 據(jù) 會(huì) 通 過 C C 2 5 3 0 芯 片 的 信 號(hào) 處 理 判 斷 溫 室 大 棚 是 否 需 加 熱 加 濕 或 者 是 通 風(fēng) 使 其 保 證 溫 室 大 棚 在 的 溫 度 滿 足 各 階 段 的 大 棚 溫 濕 度 需 求 控 制 系 統(tǒng) 針 對 Z i g B e e 無 線 網(wǎng) 絡(luò) 采 集 的 溫 濕 度 信 息 進(jìn) 行 分 析 和 比 較 控 制 部 分 采 用 了 S 3 C 2 4 1 0 芯 片 控 制 器 作 為 核 心 進(jìn) 行 人 機(jī) 交 互 和 命 令 執(zhí) 行 采 用 S 3 C 2 4 1 0 型 控 制 芯 片 進(jìn) 行 計(jì) 算 輸 出 數(shù) 字 信 號(hào) 到 L C D 顯 示 屏 中 可 自 動(dòng) 控 制 溫 室 大 棚 溫 度 驅(qū) 動(dòng) 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 對 溫 室 大 棚 進(jìn) 行 控 溫 控 制 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 如 圖 5 所 示 圖 5 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 此 次 芯 片 采 用 的 A R M S 3 C 2 4 1 0 芯 片 該 芯 片 輔 助 電 路 包 括 電 源 模 塊 數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 模 塊 接 口 電 路 和 程 序 存 儲(chǔ) 器 接 口 通 過 芯 片 連 接 鍵 盤 L C D 聲 光 報(bào) 警 可 通 過 驅(qū) 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 操 控 加 熱 設(shè) 備 或 者 是 加 濕 設(shè) 備 3 溫室大棚數(shù)字化管理系統(tǒng)優(yōu)化 溫 室 大 棚 溫 濕 度 控 制 各 階 段 的 變 化 頻 率 較 大 是 一 個(gè) 非 線 性 時(shí) 變 性 的 復(fù) 雜 系 統(tǒng) 并 且 受 自 然 環(huán) 境 等 影 響 溫 濕 度 之 前 存 在 一 定 的 耦 合 性 要 實(shí) 現(xiàn) 對 溫 室 大 棚 內(nèi) 的 溫 濕 度 實(shí) 施 精 準(zhǔn) 控 制 必 須 要 采 用 科 學(xué) 的 先 進(jìn) 的 控 制 策 略 因 此 本 文 提 出 基 于 單 神 經(jīng) 元 模 糊 P I D 控 制 策 略 其 具 有 模 糊 控 制 的 靈 活 性 控 制 精 度 高 適 用 于 溫 室 大 棚 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 的 控 制 應(yīng) 用 3 1 PID 控制 P I D 是 一 種 成 熟 的 工 業(yè) 控 制 策 略 它 的 算 法 非 常 簡 單 并 且 可 靠 性 高 P I D 的 經(jīng) 典 控 制 原 理 如 圖 6 所 示 圖 6 PID 的經(jīng)典控制原理 控 制 表 達(dá) 如 下 u t K p e t 1 T I 0 t e t d t T D d e t d t 1 r t 為 給 定 值 e t 是 r t 與 反 饋 值 f t 之 間 的 偏 差 信 號(hào) e t r t f t u t 是 控 制 器 輸 出 的 控 制 量 f t 為 輸 出 值 78傳 統(tǒng) 的 P I D 算 法 應(yīng) 用 在 非 時(shí) 變 系 統(tǒng) 中 具 有 較 好 的 應(yīng) 用 但 是 當(dāng) 其 應(yīng) 用 于 需 要 P I D 參 數(shù) 進(jìn) 行 整 定 的 溫 室 大 棚 溫 濕 度 參 數(shù) 調(diào) 節(jié) 中 其 控 制 效 果 就 并 不 理 想 當(dāng) 一 個(gè) P I D 控 制 器 參 數(shù) 整 定 好 后 需 要 對 其 變 化 到 另 一 個(gè) 系 統(tǒng) 時(shí) 則 會(huì) 出 現(xiàn) 變 差 導(dǎo) 致 對 溫 室 大 棚 溫 濕 度 監(jiān) 控 出 現(xiàn) 不 準(zhǔn) 確 問 題 因 此 文 中 提 出 一 種 針 對 傳 統(tǒng) P I D 算 法 的 改 進(jìn) 算 法 即 基 于 單 神 經(jīng) 元 模 糊 P I D 控 制 算 法 讓 其 符 合 溫 室 大 棚 復(fù) 雜 的 溫 濕 度 控 制 3 2 單神經(jīng)元模糊 PID 控制 在 溫 室 大 棚 的 溫 濕 度 控 制 過 程 中 由 于 溫 室 大 棚 密 閉 性 通 風(fēng) 性 能 等 因 素 的 影 響 對 其 進(jìn) 行 數(shù) 學(xué) 建 模 難 度 較 大 并 且 由 于 對 溫 室 大 棚 進(jìn) 行 控 制 時(shí) 會(huì) 進(jìn) 行 非 線 性 的 溫 度 變 化 控 制 這 使 得 原 本 可 以 正 常 運(yùn) 轉(zhuǎn) 的 P I D 參 數(shù) 需 要 不 斷 的 發(fā) 生 變 動(dòng) 因 此 必 須 根 據(jù) 溫 室 大 棚 內(nèi) 的 環(huán) 境 特 征 和 溫 濕 度 變 化 過 程 進(jìn) 行 動(dòng) 態(tài) 的 調(diào) 整 溫 室 大 棚 內(nèi) 的 溫 濕 度 控 制 過 程 較 為 復(fù) 雜 不 同 時(shí) 間 段 的 環(huán) 境 溫 濕 度 不 同 所 以 對 溫 室 大 棚 溫 濕 度 保 持 穩(wěn) 定 性 具 有 較 大 的 影 響 所 以 文 中 提 出 基 于 模 糊 控 制 的 算 法 思 想 加 入 P I D 控 制 中 模 糊 控 制 算 法 是 一 種 具 有 模 糊 性 質(zhì) 的 動(dòng) 態(tài) 判 斷 算 法 啊 它 可 針 對 于 過 程 的 參 數(shù) 變 化 非 線 性 特 性 和 時(shí) 變 性 因 素 在 一 定 范 圍 內(nèi) 自 適 應(yīng) 除 了 模 糊 控 制 之 外 單 神 經(jīng) 元 控 制 具 有 非 線 性 逼 近 能 力 自 學(xué) 能 力 和 自 適 應(yīng) 能 力 其 與 模 糊 控 制 符 合 溫 室 大 棚 內(nèi) 的 溫 濕 度 控 制 要 求 能 夠 做 出 準(zhǔn) 確 的 溫 室 大 棚 溫 濕 度 控 制 判 斷 為 了 加 快 溫 室 大 棚 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 的 調(diào) 節(jié) 時(shí) 間 和 減 少 系 統(tǒng) 超 調(diào) 量 文 中 結(jié) 合 模 糊 控 制 和 單 神 經(jīng) 元 的 特 點(diǎn) 提 出 了 以 模 糊 控 制 與 單 神 經(jīng) 元 相 結(jié) 合 的 P I D 控 制 算 法 將 溫 室 大 棚 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 的 可 使 用 一 階 慣 性 滯 后 環(huán) 節(jié) 近 似 代 替 傳 遞 函 數(shù) G s K T s 1 e s 2 傳 統(tǒng) 增 量 式 P I D 控 制 算 法 公 式 如 下 u k u k 1 K p e k e k 1 K I e k K D e k 2 e k 1 e k 2 3 e k 為 第 k 次 采 樣 時(shí) 的 偏 差 值 u k 為 第 k 次 采 樣 時(shí) 的 控 制 器 輸 出 單 神 經(jīng) 元 P I D 控 制 器 從 增 量 式 P I D 算 法 由 來 所 以 三 個(gè) 神 經(jīng) 元 輸 入 分 別 為 x 1 k e k x 2 k e k e k 1 x 3 k e k 2 e k 1 e k 2 4 其 連 接 權(quán) 值 為 比 例 積 分 微 分 3 個(gè) 系 數(shù) 使 用 H e b b 學(xué) 習(xí) 規(guī) 則 獲 得 結(jié) 果 w 1 k w 1 k 1 I e k u k x 1 k w 2 k w 2 k 1 p e k u k x 2 k w 3 k w 3 k 1 D e k u k x 3 k 5 w 1 k 為 積 分 第 k 次 采 樣 時(shí) 的 權(quán) 值 系 數(shù) w 2 k 為 比 例 第 k 次 采 樣 時(shí) 的 權(quán) 值 系 數(shù) w 3 k 為 微 分 第 k 次 采 樣 時(shí) 的 權(quán) 值 系 數(shù) I 為 積 分 的 學(xué) 習(xí) 速 率 p 為 比 例 的 學(xué) 習(xí) 速 率 D 為 微 分 的 學(xué) 習(xí) 速 率 積 分 I 比 例 P 微 分 D 的 學(xué) 習(xí) 速 率 調(diào) 整 便 是 對 不 同 的 權(quán) 系 數(shù) 進(jìn) 行 調(diào) 整 使 其 具 有 了 連 接 權(quán) 值 和 神 經(jīng) 元 輸 入 單 神 經(jīng) 元 P I D 控 制 器 輸 出 結(jié) 果 u k u k 1 K i 1 3 w i k x i k w i k w i k i 1 3 w i k 6 將 w i k 進(jìn) 行 歸 一 化 處 理 其 中 K 為 神 經(jīng) 元 比 例 系 數(shù) K 0 P I D 的 3 個(gè) 參 數(shù) 與 e k 和 e k 有 關(guān) 得 到 新 的 算 法 w i k w i k 1 i e k u k e k e k w i k w i k i 1 3 w i k u k u k 1 K i 1 3 w i k x i k 7 e k e k e k 1 學(xué) 習(xí) 速 率 1 I 2 p 3 D 其 根 據(jù) 實(shí) 際 經(jīng) 驗(yàn) 制 定 其 中 K 值 越 大 則 快 速 性 高 但 當(dāng) 超 調(diào) 量 大 則 可 能 影 響 系 統(tǒng) 的 穩(wěn) 定 性 K 值 尋 找 過 小 調(diào) 節(jié) 時(shí) 間 過 程 系 統(tǒng) 快 速 性 變 差 因 此 對 于 w 1 0 w 2 0 w 3 0 選 擇 尤 為 重 要 單 神 經(jīng) 元 模 糊 P I D 控 制 器 引 入 了 模 糊 算 法 動(dòng) 態(tài) 調(diào) 整 K 值 將 式 7 3 個(gè) 輸 入 增 加 積 分 比 例 微 分 系 數(shù) 得 到 公 式 u k u k 1 K i 1 3 i w i k x i k 8 其 中 i k 為 比 例 積 分 和 微 分 的 因 子 1 k k i 2 k k p 3 k k D 分 別 采 用 模 糊 推 理 獲 得 k i k p 和 k D 的 值 模 糊 控 制 器 通 過 迭 代 檢 測 偏 差 e k 和 偏 差 變 化 率 e k 調(diào) 整 k i k p 和 k D 的 值 使 其 快 速 接 近 設(shè) 定 值 3 3 單神經(jīng)元模糊 PID 協(xié)調(diào)器優(yōu)化設(shè)計(jì) 根 據(jù) 單 神 經(jīng) 元 模 糊 P I D 控 制 思 想 k i k p 和 k D 的 值 是 通 過 模 糊 推 理 獲 得 模 糊 協(xié) 調(diào) 器 通 過 不 斷 監(jiān) 測 輸 入 變 量 e 和 e c 確 定 溫 室 大 棚 溫 濕 度 值 再 根 據(jù) 模 糊 控 制 原 理 對 輸 出 變 量 k i k p 和 k D 3 個(gè) 參 數(shù) 進(jìn) 行 動(dòng) 態(tài) 調(diào) 整 使 其 滿 足 溫 室 大 棚 不 同 烘 烤 階 段 對 溫 度 監(jiān) 控 的 需 求 牛犁青 等 基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚數(shù)字化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 79 電子設(shè)計(jì)工程 2019 年第 3 期 在 對 輸 出 變 量 k i k p 和 k D 3 個(gè) 參 數(shù) 進(jìn) 行 動(dòng) 態(tài) 調(diào) 整 時(shí) 需 要 滿 足 以 下 條 件 1 當(dāng) 出 現(xiàn) 控 制 偏 差 值 e 較 大 時(shí) 要 保 證 控 制 系 統(tǒng) 對 溫 室 大 棚 溫 濕 度 值 具 有 快 速 的 跟 蹤 性 能 避 免 模 糊 控 制 過 程 中 的 微 分 過 程 飽 和 使 控 制 超 出 設(shè) 定 閾 值 范 圍 所 以 對 k p 值 和 k D 值 調(diào) 小 對 積 分 進(jìn) 行 限 制 避 免 控 制 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 大 范 圍 的 監(jiān) 控 值 調(diào) 整 2 當(dāng) 出 現(xiàn) 控 制 偏 差 值 e 為 中 等 大 小 時(shí) 為 了 保 證 控 制 系 統(tǒng) 具 有 較 小 的 超 調(diào) 效 果 對 k p 值 取 小 對 k i 和 k D 取 適 中 此 過 程 中 k D 對 控 制 效 果 的 影 響 較 大 所 以 要 對 k D 進(jìn) 行 限 制 保 證 控 制 系 統(tǒng) 響 應(yīng) 速 度 滿 足 溫 室 大 棚 溫 濕 度 要 求 3 當(dāng) 出 現(xiàn) 控 制 偏 差 值 e 較 小 時(shí) 則 對 k D 值 可 取 大 一 些 反 之 則 取 小 一 些 根 據(jù) k p 的 模 糊 控 制 規(guī) 則 模 糊 子 集 為 N B N M N S Z E P S P M P B 得 到 子 集 中 元 素 表 示 為 負(fù) 大 負(fù) 中 負(fù) 小 零 正 小 正 中 正 大 得 到 輸 入 變 量 e e c 和 輸 入 變 量 k i k p k D 的 隸 屬 函 數(shù) 曲 線 如 圖 7 所 示 圖 7 輸入變量和輸入標(biāo)量的隸屬函數(shù)曲線 4 溫室大棚數(shù)字化管理系統(tǒng)仿真 4 1 控制系統(tǒng)仿真 建 立 基 于 無 線 傳 感 網(wǎng) 的 溫 室 大 棚 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 數(shù) 學(xué) 模 型 通 過 階 躍 相 應(yīng) 的 飛 升 曲 線 法 得 到 公 式 為 G s 1 1 0 0 s 1 e 80s 9 利 用 M a t l a b 對 溫 室 大 棚 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 仿 真 將 單 神 經(jīng) 元 模 糊 P I D 控 制 單 神 經(jīng) 元 P I D 控 制 與 傳 統(tǒng) P I D 控 制 3 種 算 法 進(jìn) 行 比 對 分 析 忽 略 干 擾 得 到 單 神 經(jīng) 元 模 糊 P I D 控 制 單 神 經(jīng) 元 P I D 控 制 與 傳 統(tǒng) P I D 控 制 3 種 算 法 在 階 躍 相 應(yīng) 下 的 響 應(yīng) 曲 線 仿 真 實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 如 圖 8 所 示 從 響 應(yīng) 曲 線 結(jié) 果 對 比 結(jié) 果 上 來 看 單 神 經(jīng) 元 模 糊 P I D 控 制 的 超 調(diào) 量 0 調(diào) 節(jié) 時(shí) 間 為 2 1 0 s 左 右 用 時(shí) 最 短 在 控 制 效 率 和 準(zhǔn) 確 性 方 面 都 要 相 比 單 神 經(jīng) 元 P I D 控 制 和 傳 統(tǒng) P I D 控 制 要 好 圖 8 響應(yīng)曲線結(jié)果對比 當(dāng) 系 統(tǒng) 穩(wěn) 定 后 在 1 5 0 0 s 的 時(shí) 候 加 入 擾 動(dòng) 量 控 制 擾 動(dòng) 溫 度 在 5 范 圍 內(nèi) 得 到 3 種 控 制 算 法 的 抗 干 擾 能 力 結(jié) 果 如 圖 9 所 示 圖 9 抗干擾能力對比 從 抗 干 擾 能 力 對 比 結(jié) 果 來 看 單 神 經(jīng) 元 模 糊 P I D 的 調(diào) 節(jié) 能 力 和 適 應(yīng) 能 力 都 要 比 單 神 經(jīng) 元 P I D 控 制 器 和 傳 統(tǒng) P I D 控 制 器 要 好 能 夠 使 溫 室 大 棚 溫 濕 度 最 快 達(dá) 到 穩(wěn) 定 值 提 高 溫 室 大 棚 溫 濕 度 控 制 的 準(zhǔn) 確 性 4 2 采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 溫 室 大 棚 溫 濕 度 信 息 的 采 集 軟 件 模 塊 組 件 主 要 包 括 采 集 模 塊 組 件 S e r i a l D e b u g M n c 配 置 組 件 P P M n c 編 譯 規(guī) 則 描 述 組 件 M a k e f i l e 鏈 路 層 重 發(fā) 對 接 收 節(jié) 點(diǎn) 信 息 失 敗 的 操 作 執(zhí) 行 重 發(fā) 命 令 提 高 數(shù) 據(jù) 的 接 收 效 率 重 復(fù) 包 判 斷 功 能 利 用 判 斷 機(jī) 制 判 斷 發(fā) 送 的 數(shù) 據(jù) 包 D S N 域 與 源 節(jié) 點(diǎn) 地 址 數(shù) 據(jù) 包 是 否 重 復(fù) 用 T i n y O S 系 統(tǒng) 活 動(dòng) 消 息 模 型 提 供 了 A M S e n d 數(shù) 據(jù) 發(fā) 送 接 口 R e c e i v e 數(shù) 據(jù) 接 收 接 口 A M P a c k e t 設(shè) 置 和 提 取 數(shù) 據(jù) 包 源 節(jié) 點(diǎn) 地 址 接 口 P a c k e t 獲 取 數(shù) 據(jù) 包 有 效 長 度 接 口 S n o o p 參 數(shù) 接 口 將 溫 室 大 棚 采 集 到 的 數(shù) 據(jù) 實(shí) 時(shí) 的 通 過 串 口 傳 遞 到 上 位 機(jī) 串 口 的 配 置 波 特 率 設(shè) 置 為 9 6 0 0 數(shù) 據(jù) 比 特 8 b i t 溫 度 和 濕 度 信 息 每 次 發(fā) 送 實(shí) 際 那 間 隔 設(shè) 置 80為 1 0 0 0 m s 溫 濕 度 采 集 結(jié) 果 如 圖 1 0 所 示 圖 10 溫濕度采集結(jié)果界面 通 過 溫 濕 度 采 集 結(jié) 果 可 以 看 出 基 于 無 線 傳 感 網(wǎng) 的 溫 室 大 棚 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 可 準(zhǔn) 確 采 集 溫 室 大 棚 內(nèi) 的 溫 濕 度 信 息 在 基 于 無 線 傳 感 網(wǎng) 的 溫 室 大 棚 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 中 為 了 避 免 無 線 傳 感 器 節(jié) 點(diǎn) 因 長 時(shí) 間 工 作 而 導(dǎo) 致 的 傳 感 器 節(jié) 點(diǎn) 供 電 不 足 問 題 需 要 在 節(jié) 點(diǎn) 的 能 耗 控 制 方 面 進(jìn) 行 有 效 的 方 案 實(shí) 施 使 其 滿 足 溫 室 大 棚 完 整 一 次 或 者 多 次 大 棚 過 程 傳 感 器 正 常 工 作 在 基 于 無 線 傳 感 網(wǎng) 的 溫 室 大 棚 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 傳 感 器 采 集 節(jié) 點(diǎn) 組 網(wǎng) 過 程 中 采 用 低 能 耗 設(shè) 計(jì) 方 案 從 軟 件 設(shè) 計(jì) 實(shí) 施 和 硬 件 配 置 實(shí) 施 方 面 進(jìn) 行 合 理 規(guī) 劃 使 其 達(dá) 到 最 低 能 耗 標(biāo) 準(zhǔn) 在 硬 件 能 耗 表 現(xiàn) 方 面 C C 2 5 3 0 單 片 機(jī) 和 S H T 1 5 數(shù) 字 溫 濕 度 傳 感 器 芯 片 都 是 具 有 較 低 能 耗 的 硬 件 設(shè) 備 可 滿 足 了 基 于 無 線 傳 感 網(wǎng) 的 溫 室 大 棚 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 對 低 功 耗 的 要 求 利 用 硬 件 快 速 響 應(yīng) 的 能 力 在 完 成 一 次 溫 濕 度 采 集 后 即 可 進(jìn) 人 休 眠 狀 態(tài) 由 此 可 提 高 傳 感 器 采 集 節(jié) 點(diǎn) 的 工 作 效 率 降 低 節(jié) 點(diǎn) 的 電 能 消 耗 并 且 根 據(jù) 溫 室 大 棚 煙 葉 的 不 同 階 段 對 大 棚 溫 濕 度 的 精 準(zhǔn) 度 需 求 可 控 制 傳 感 器 工 作 數(shù) 量 上 的 開 啟 與 關(guān) 閉 使 其 滿 足 溫 室 大 棚 溫 濕 度 感 知 即 可 5 結(jié) 論 文 中 對 基 于 物 聯(lián) 網(wǎng) 的 溫 室 大 棚 數(shù) 字 化 管 理 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 設(shè) 計(jì) 與 實(shí) 現(xiàn) 針 對 溫 室 大 棚 溫 濕 度 控 制 過 程 中 出 現(xiàn) 的 諸 多 不 確 定 性 和 調(diào) 節(jié) 溫 濕 度 的 非 線 性 時(shí) 變 性 和 滯 后 性 等 特 點(diǎn) 進(jìn) 行 優(yōu) 化 通 過 實(shí) 驗(yàn) 得 知 優(yōu) 化 后 的 控 制 器 具 有 更 好 的 抗 干 擾 性 能 夠 更 加 精 準(zhǔn) 的 提 供 溫 室 大 棚 的 溫 濕 度 信 息 保 證 大 棚 時(shí) 間 范 圍 內(nèi) 的 溫 濕 度 控 制 能 力 滿 足 溫 室 大 棚 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 的 實(shí) 際 需 求 對 主 要 部 分 采 集 部 分 的 網(wǎng) 絡(luò) 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 編 碼 實(shí) 現(xiàn) 并 對 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 調(diào) 試 使 其 滿 足 涼 山 州 溫 室 大 棚 監(jiān) 控 需 求 結(jié) 果 證 實(shí) 該 系 統(tǒng) 具 有 良 好 的 可 靠 性 和 穩(wěn) 定 性 并 且 在 監(jiān) 控 效 果 上 具 有 一 定 的 先 進(jìn) 性 參考文獻(xiàn) 1 付 友 生 劉 雪 麗 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 在 溫 室 大 棚 中 的 應(yīng) 用 J 現(xiàn)代化農(nóng)業(yè) 2018 3 365 2 秦 亮 周 洲 徐 大 治 基 于 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 的 智 能 大 棚 構(gòu)建 J 通訊世界 2017 24 131 3 MHD Internet of Things Objectives and Scientific Challenges J Journal of Computer Science Technology 2016 6 54 4 Juma Makweba Ruteri The Impact of Supply Chain Contracts under VMI on SMEs Food Processing Industries in Tanzania D HDUN 2016 4 445 5 李 道 亮 楊 昊 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 研 究 進(jìn) 展 與 發(fā) 展 趨勢分析 J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2018 1 1 20 6 張 得 龍 基 于 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 的 智 慧 溫 室 監(jiān) 控