劉新宇 陳東雷 張 鑫 等 基于模糊控制算法與 的植物工廠遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 江蘇農(nóng)業(yè)科學 2 2 2 22 22 2 2 2 2 2 基于模糊控制算法與 的植物工廠 遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 劉新宇 陳東雷 張 鑫 蔣 偉 周 凱 葉 騰 揚州大學電氣與能源動力工程學院 江蘇揚州22 摘 要 為解決在植物生長過程中的最優(yōu)環(huán)境自動控制與遠程監(jiān)控等問題 設(shè)計了一種植物工廠系統(tǒng) 該系統(tǒng)通過 傳感器采集環(huán)境參數(shù) 通過單片機控制執(zhí)行模塊 通過 模塊經(jīng)云服務(wù)器在單片機與客戶端之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳 輸 并使用 軟件與易安卓軟件分別設(shè)計了電腦與手機客戶端 采用了矩陣算法與模糊控制算法將輸入環(huán)境 參數(shù)進行模糊化 確認了環(huán)境參數(shù)優(yōu)先級 并查詢規(guī)則庫以采取不同的執(zhí)行措施 通過制作實物模型并對系統(tǒng)進行了 測試 證實該系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集并傳輸?shù)杰浖孙@示 可自動調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)或在電腦端與手機 中手動調(diào)節(jié) 關(guān) 鍵 詞 自動控制 遠程通信 單片機 模糊控制算法 中 圖 分 類 號 27 文 獻 標 志 碼 文 章 編 號 2 2 2 2 2 22 7 收稿日期 2 2 2 基金項目 國家自然科學基金 編號 7 2 揚州市科技計劃 產(chǎn)學研合作專項 編號 2 2 作者簡介 劉新宇 男 山東棗莊人 主要從事電氣工程自動 化 自動控制技術(shù)相關(guān)研究 2 7 7 7 通信作者 陳東雷 博士 講師 主要從事電氣設(shè)備故障診斷與預(yù)測技 術(shù) 計算機遠程智能監(jiān)測與控制技術(shù)等相關(guān)研究 現(xiàn)代信息技術(shù)飛速發(fā)展 而利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與 自動控制技術(shù)來實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息化與智能化已成為 未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢 植物工廠系統(tǒng)智能化程 度高 可節(jié)約大量人力與物資 已成為當前熱門的 農(nóng)業(yè)智能化設(shè)備 張強等設(shè)計了基于 的 植物工廠視頻監(jiān)控系統(tǒng) 可實現(xiàn)植物工廠實時 視頻監(jiān)測 2 魏軼凡等將家用微型植物工廠劃分為 若干子系統(tǒng)分別進行設(shè)計 并進行了生菜栽培試 驗 張樣平等研究了日光型植物工廠綠葉蔬菜軌 道式高效栽培 并做了效益分析 證實這是一種推 廣性很高的栽培方式 光照 溫度 濕度 2 濃度等是影響植物生長 的主要環(huán)境變量 并且隨時受外部因素的干擾 因 此很難維持在植物所需的理想狀態(tài) 植物工廠 可保證作物生長的最佳環(huán)境 實現(xiàn)快速穩(wěn)定生產(chǎn) 并且可以應(yīng)用于細胞工程 基因工程等農(nóng)業(yè)高科技 領(lǐng)域 提供種子培育所需的嚴格環(huán)境 本研究設(shè)計的植物工廠系統(tǒng) 采用單片機作為 主控模塊 各種傳感器用于采集環(huán)境數(shù)據(jù) 通過模 糊控制算法將輸入數(shù)據(jù)模糊化 7 經(jīng)過模糊推理系 統(tǒng)確定適合的執(zhí)行措施 并采用 通信接口與 進行遠程通信 同時 本研究制作了 實物模型并進行測試 以驗證本系統(tǒng)是否可以長時 間維持適宜的植物生長環(huán)境 是否可在電腦端與手 機端顯示環(huán)境參數(shù) 并手動下達指令 系 統(tǒng) 總 體 設(shè) 計 方 案 整體結(jié)構(gòu) 如圖 所示 植物工廠系統(tǒng)主要由傳感器模塊 主控模塊 執(zhí)行模塊 通信模塊與客戶端模塊組成 傳感器模塊可以準確地采集植物周邊生長環(huán)境的 溫度 2 濃度 土壤濕度 值 光照度等參數(shù) 主控模塊 單片機是控制功能的核心 可 收集傳感器采集的數(shù)據(jù) 通過算法得出參數(shù)值及控 制要求 既可自動控制執(zhí)行模塊改變環(huán)境 也可接 收用戶指令進行控制 執(zhí)行模塊則由電熱絲 微型 空調(diào) 2 小鋼瓶 水泵 加濕器 值調(diào)節(jié)劑 紅藍 補光燈等組成 通信模塊選擇 設(shè)備 將數(shù)據(jù)傳送到云服務(wù)器 并進一步發(fā)送到用戶的電 腦或手機端 同時接收用戶的操作指令 結(jié)合表 可 知 目前僅有 技術(shù)可以較好地實現(xiàn)無距離限制 數(shù)據(jù)傳輸 在客戶端模塊中 電腦端采用組態(tài)軟件 2 2 江蘇農(nóng)業(yè)科學 2 2 年第 卷第2 期 表 無 線 通 信 技 術(shù) 對 比 無線通信技術(shù) 通信距離 傳輸速度 使用成本 無限制 較高 一般 2 低 進行編程 手機端采用易安卓進行 開發(fā) 設(shè)計 各自的用戶操作界面 2 運行過程分析 系統(tǒng)運行過程如下 傳感器實時感測周邊環(huán)境 數(shù)據(jù) 并將模擬信號 數(shù)字信號傳送到單片機內(nèi)部 由模糊控制算法生成被控參數(shù)值并顯示在 液 晶顯示屏上 單片機再根據(jù)設(shè)定好的環(huán)境參數(shù)值進 行偏差判斷 進而控制執(zhí)行模塊 其中 紅藍 補 光燈 水泵 電熱絲 微型空調(diào) 2 小鋼瓶等設(shè)備的 通斷都通過對繼電器的控制來完成 單片機與 模塊采用 串口方式進行連接 實 時進行數(shù)據(jù)輸出與輸入 模塊通過無 線串口軟件進行調(diào)試 可將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器儲存 再在電腦端通過組態(tài)軟件獲取服務(wù)器數(shù)據(jù) 前面板 設(shè)計了顯示部分與控制部分 顯示部分將服務(wù)及接收 的數(shù)據(jù)進行顯示 控制部分可接受用戶指令 再通過 服務(wù)器與 將指令傳回單片機 實 物 模 型 開 發(fā) 通過制作微型植物工廠的實物模型 初步驗證 其中環(huán)境參數(shù)控制過程的可行性 以及利用 模 塊進行遠程通信的效果 2 硬件選擇 主控模塊 考慮到經(jīng)濟性與適用性 采用 作為控制核心 在此基礎(chǔ)上配制 位定 時器 設(shè)置 個中斷源 2個通用輸入 輸出 端口 選擇工作電壓為 并連接外部電路 傳感器模塊 該實物模型可檢測 種環(huán)境參數(shù) 采用 2 溫度傳感器檢測環(huán)境溫度 測量范圍 2 精度為 以 一線總線 方式 傳輸數(shù)字信號 采用 土壤濕度傳感器與 比較器芯片檢測土壤濕度 采用內(nèi)置 7 芯片的數(shù)字光強度傳感器檢測光照度 檢 測范圍 信號為數(shù)字量直出 模塊 選用 公司的 此模塊支持七網(wǎng)通信制 式以及 協(xié)議 具備網(wǎng)口與串口同時通信 能力及虛擬服務(wù)器功能 執(zhí)行模塊 采用了電熱絲對環(huán)境進行加熱 模 擬簡單的控溫過程 采用小型水泵進行澆水 模擬 噴灌過程 采用紅 藍2種 燈串實現(xiàn)對環(huán)境的 補光過程 種裝置均使用同一 四路繼電器控 制通斷 2 2 軟件開發(fā) 編程軟件 采用 軟件對單片機進行編程 如圖2所示 以模塊化編程為原則 將傳感器檢測 液晶屏顯示 總線 串口通信等功能分別編為 不同的子程序與子函數(shù) 再匯總到主函數(shù)中執(zhí)行 2 2 江蘇農(nóng)業(yè)科學 2 2 年第 卷第2 期 提高了程序的可讀性與操作性 通信軟件 采用 公司無線串口軟件 接收 模塊數(shù)據(jù)并保存 同時實現(xiàn)連接云端數(shù)據(jù) 庫功能 圖 在電腦端采用 組態(tài)軟件 進行監(jiān)控面板的編程與設(shè)計 可接收數(shù)據(jù)與發(fā)送指 令 采用易安卓軟件進行手機 的開發(fā) 此 同樣可以從云服務(wù)器中獲取數(shù)據(jù)顯示在面板上 并 可以發(fā)送指令 模 糊 控 制 算 法 分 析 在實物模型可以精確采集并傳輸數(shù)據(jù)的基礎(chǔ) 上 為了確保對環(huán)境參數(shù)的控制精度 采用模糊控 制的思想進行系統(tǒng)算法的設(shè)計 此方法既可以完善 實物模型 實現(xiàn)相應(yīng)功能 又可以為植物工廠的設(shè) 計方案提供參考 模糊理論 模糊理論是模糊控制算法的基礎(chǔ) 其工作原理 如下 不同傳感器測量的準確參數(shù)通過轉(zhuǎn)換 成為 可用于模糊運算的模糊量 再通過模糊控制器運 算 最后將得到的模糊量結(jié)果轉(zhuǎn)換成精確量 進而 控制各種執(zhí)行單位 模糊控制可分為模糊化 規(guī)則 建立 模糊推理 去模糊化四步來執(zhí)行 圖 2 執(zhí)行模塊優(yōu)先級的評價 在實物模型中 模糊控制系統(tǒng)的輸入值即為 種不同傳感器檢測到的環(huán)境參數(shù)與植物適宜生長 參數(shù)之間的偏差 而為了確定各執(zhí)行模塊指令的時 間 則需要對 種執(zhí)行模塊的動作優(yōu)先級進行確認 以確認模糊控制系統(tǒng)的輸出值 故采用層次分析 法 進行優(yōu)先級確認 分如下2步進行 第 步 輸入值優(yōu)先級確定 本研究選擇辣椒 作為試驗對象 對實物模型中 種環(huán)境參數(shù)做出了 2 2 2 江蘇農(nóng)業(yè)科學 2 2 年第 卷第2 期 重要性評價 表2 并由此得出比較矩陣 即式 表 環(huán) 境 參 數(shù) 重 要 程 度 對 比 環(huán)境參數(shù) 重要程度 溫度 濕度 光強 溫度 2 濕度 2 光照度 2 2 T I I L T I I J 求出矩陣 的最大特征值對應(yīng)的標準化特征 向量 如式 2 所示 此向量反映了輸入值優(yōu)先級 7 2 2 第二步 執(zhí)行模塊對輸入值的優(yōu)先級確定 依 照筆者所在的研究團隊的建議 對各執(zhí)行模塊對輸 入值的重要性做了評價 表 進一步得出不同執(zhí) 行模塊對 種輸入值的比較矩陣 分別求出對應(yīng)的 權(quán)向量 2 及組合權(quán)向量 最后與輸入值優(yōu) 先級權(quán)向量 結(jié)合得出各執(zhí)行模塊的優(yōu)先級評價 表 執(zhí) 行 模 塊 對 環(huán) 境 參 數(shù) 的 重 要 程 度 對 比 環(huán)境參數(shù) 執(zhí)行模塊對環(huán)境參數(shù)的重要程度 加熱 澆水 補光 溫度 2 濕度 光照度 根據(jù)表 可得到執(zhí)行模塊對溫度的重要程度比 較矩陣 即式 并由此得到其最大特征值對應(yīng) 的標準化特征向量 即式 同理可得執(zhí)行模 塊對濕度與光強的權(quán)向量 2 從而得到組合權(quán)向 量 即式 結(jié)合輸入值優(yōu)先級權(quán)向量 得到最 終的執(zhí)行模塊的優(yōu)先度矩陣 加熱 澆水 補光 的優(yōu)先級系數(shù)分別為 7 此優(yōu)先級列表 可以為模糊控制系統(tǒng)規(guī)則制定提供 參考 2 T I I L T I I J 2 7 2 7 2 7 2 T I I L T I I J 2 7 參數(shù)的模糊化 規(guī)則設(shè)計 根據(jù) 種環(huán)境參數(shù)對辣椒生長 的影響程度 將它們各分成 個等級 即負大 負中 中 正中 正大 而模糊控制系統(tǒng)中 種執(zhí)行模塊輸 出的執(zhí)行程度也設(shè)為 個等級 根據(jù)筆者所在 研究團隊的建議及相關(guān)資料 溫室中辣椒生長過 程中的最適參數(shù)如表 所示 以此對輸入數(shù)值進行 模糊化 表 辣 椒 生 長 過 程 適 宜 參 數(shù) 生長時期 溫度 白天 黑夜 濕度 光照度 催芽期 27 生長期 2 2 7 2 定植期 27 2 環(huán)境參數(shù)由精確輸入值轉(zhuǎn)化為模糊控制值應(yīng) 通過量化函數(shù)來實現(xiàn) 求得量化函數(shù)的規(guī)則如下 將精確輸入?yún)?shù)與最適值的差值除以量化因子 便得到量化函數(shù) 2 輸入?yún)?shù)模糊化 以辣椒生長期的溫度為 示例進行模糊化過程的分析 當生長期溫度為2 時 用模糊值 中 來表示 溫度在 2 間時 則用 負中 表示更為合理 溫度低于 則為 負大 溫度為 則為 正中 高于 用 正大 表示 由此可將溫度量化函數(shù)以 2 來表示 為溫度值 為量化輸出 溫度便被量化在 的范圍內(nèi) 結(jié)合輸入?yún)?shù)與 模型復雜程度 確定溫度模糊函數(shù)圖 圖 利用上述方法 結(jié)合傳感器的測量范圍與濕 度 光照度的最適參數(shù) 將辣椒生長期的濕度與光 強也用量化函數(shù)來表示 土壤濕度通常為2 則量化函數(shù)為 7 為濕度值 2 2 江蘇農(nóng)業(yè)科學 2 2 年第 卷第2 期 為量化輸出 濕度同樣被量化到 的范圍 光照度的量化函數(shù)為 2 2 為 光照度 為量化輸出 光照度也被量化到 的范圍內(nèi) 三者函數(shù)圖相同 在此不進一步展開 輸出參數(shù)模糊化 以濕度補償模塊為示例 結(jié)合上文的分析方法來進行輸出參數(shù)的模糊化 首 先將水泵的執(zhí)行動作分為 個等級 分別是不動作 動作 秒 動作2秒 動作 秒 動作 秒 并將量化 區(qū)間設(shè)置在 之間 選取與輸入同樣的函數(shù)模 型 得到濕度補償模糊函數(shù)圖 圖 總結(jié) 上述模糊控制方法 將 種環(huán)境參數(shù)的精確輸 入值分別量化為 個等級 共建立了辣椒生長的 2 種環(huán)境情況 并與相應(yīng) 2 種執(zhí)行動作一一對 應(yīng) 建立了包含 2 條規(guī)則的規(guī)則庫 在單片機執(zhí)行 模糊推理過程時 首先將采集到的 種環(huán)境參數(shù)代 入模糊函數(shù)中進行量化 再查詢規(guī)則庫進行動作匹 配 最后得出相應(yīng)的執(zhí)行動作 測 試 結(jié) 果 控制組件測試 首先將傳感器模塊 單片機與執(zhí)行 模塊組成的控制系統(tǒng)連接 測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與 顯示功能以及自動控制執(zhí)行模塊的功能是否完善 部分結(jié)果如圖7所示 結(jié)果表明 液晶屏可以隨時顯 示周邊環(huán)境參數(shù) 并且執(zhí)行模塊可以在達到設(shè)定閾 值時自動動作 2 通信測試 在通信測試中 采用將單片機通過 串口 連接到 的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸 并在電 腦端通過 無線串口助手接收數(shù)據(jù) 在手 機端通過 服務(wù)器獲取云端數(shù)據(jù) 結(jié)果表明 軟 件可以實現(xiàn)實時接收單片機數(shù)據(jù) 并通過中斷傳回 操作指令的功能 在電腦端通過 頁面顯 示各種參數(shù) 如圖 所示 并設(shè)計了手機 以提 供更加靈活的服務(wù) 如圖 所示 系統(tǒng)整體試驗測試 為了驗證實物模型能否初步實現(xiàn)維持植物適 宜的生長環(huán)境的功能 本研究選擇了在江蘇省揚州 市 月的某2 對系統(tǒng)進行了連續(xù) 的測試 將 系統(tǒng)的控制組件與通信設(shè)備全部進行組合 選擇全 程錄像的方式對 2液晶屏上的傳感器數(shù)據(jù) 進行記錄 并且每隔 采集 次環(huán)境參數(shù) 分 別將溫度 土壤濕度 光照度數(shù)據(jù)制成折線圖 圖 可知辣椒生長環(huán)境得到了極大的改善 試驗全 程基本處于適宜的生長環(huán)境中 2 2 江蘇農(nóng)業(yè)科學 2 2 年第 卷第2 期 測試時 由于光照度會變化 為了防止系統(tǒng)在 亮度低于閾值打開 燈時又瞬間檢測到亮度高 于閾值 從而執(zhí)行反復亮暗的錯誤動作 對補光閾 值設(shè)定采用了滯回曲線的形式 同時 考慮到植物 的生物特性 在溫度高于27 時 澆水動作將被禁 止 以防止植物受到損傷 結(jié) 論 基于 單片機與 模塊 設(shè)計出的可遠程監(jiān)控植物工廠系統(tǒng) 采用模糊控制 的思想處理收集到的環(huán)境參數(shù) 并自動控制周邊環(huán) 境 利用 無線串口通信與云服務(wù)器實現(xiàn)單片機 與電腦 手機端的數(shù)據(jù)傳輸 為了初步驗證系統(tǒng)設(shè)計 的可行性 制作了實物模型并成功實現(xiàn)自動控制與遠 程通信功能 經(jīng)過 的數(shù)據(jù)測試 表明實物模型可 以基本實現(xiàn)維持植物生長環(huán)境穩(wěn)定的功能 此設(shè)計 順應(yīng)了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化與信息化的趨勢 對于智能農(nóng)業(yè)設(shè) 備的設(shè)計與制造具有一定的參考價值 參 考 文 獻 徐海斌 王鴻翔 楊曉琳 等 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀與展望 江蘇農(nóng)業(yè)科學 2 2 2 江蘇農(nóng)業(yè)科學 2 2 年第 卷第2 期 2 張 強 田海濤 張浩偉 基于 的 植物工廠視頻監(jiān) 控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 中國照明電器 2 2 魏軼凡 毛罕平 左志宇 等 家用微型植物工廠結(jié)構(gòu)設(shè)計與生菜 栽培試驗 農(nóng)機化研究 2 張樣平 常麗英 黃丹楓 等 日光型植物工廠綠葉蔬菜軌道式高 效栽培與效益分析 中國蔬菜 2 2 徐少承 嵌入式植物工廠智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā) 廣 州 華南理工大學 2 7 2 2 7 7 卞和營 薛亞許 王軍敏 溫室大棚溫濕度模糊控制系統(tǒng)及 程序設(shè)計 農(nóng)機化研究 2 7 邢希君 宋建成 吝伶艷 等 設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚智能控制技術(shù)的 現(xiàn)狀與展望 江蘇農(nóng)業(yè)科學 2 7 2 劉 枚 崔衛(wèi)花 基于模糊層次分析法的一體化物流風險評價 物流技術(shù) 2 2 7 2 陳少偉 基于 平臺的植物生長信息采集與分析系統(tǒng)的 開發(fā) 西安 西安理工大學 2 計 橋 溫室辣椒栽培技術(shù) 吉林農(nóng)業(yè) 2 7 2 2 江蘇農(nóng)業(yè)科學 2 2 年第 卷第2 期