節(jié)能型智能溫室大棚控制系統(tǒng)

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)合溫室栽培的特點對大棚內(nèi)各項參數(shù)進(jìn)行動態(tài)采集、自動 PID 控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控以及手機 APP 遠(yuǎn)程控制，實現(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 APP 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。系統(tǒng)整體設(shè)計如圖 1 所示。

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)的光照強度構(gòu)成負(fù)反饋，控制單片機產(chǎn)生 PWM 波信號，調(diào)節(jié)植物燈的亮度，使棚內(nèi)的光照強度穩(wěn)定在給定值 [2]。自動調(diào)光控制原理如圖 2 所示。

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 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，運算量大，且長期運行容易積分飽和，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] ：

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。

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。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。

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 θ 角時，其滴管水流速恒定為 v1。因此每一個 θ 角都對應(yīng)一個滴管水流速 v1，即v1=f (θ)，其中 f 為 θ 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驗測得。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 θ，且 θ 和所給 PWM 信號的占空比 α 成線性關(guān)系，即 θ=kα+b，其中 k 為線性比例系數(shù)，b 為截距，綜上有 ：

在實際情況中，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 ≥ min{m, 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]。因為濕度一旦有了超調(diào)量就無法通過其他路徑使濕度值下降。因此溫室大棚采用“分階段滴管控制”，即 當(dāng) v2t ≤ min{m, n} 時，采用比例負(fù)反饋控制滴管速度 ；當(dāng) v2t>min{m, 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

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立的特點，每個溫室大棚內(nèi)部的農(nóng)作物生長環(huán)境各自獨立，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， 下位機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.heclouds.com（IP地址 ：183.230.40.33），端口號為 80。

（4）數(shù)據(jù)點上傳。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 濃度以及光照強度等環(huán)境參數(shù)。OneNET 云端上位機顯示如圖 6 所示。

圖 6 OneNET 云端上位機顯示

由圖 6 可知，上位機由兩部分組成，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，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 APP 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

手機 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 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，同時還可通過用戶手機進(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。

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 濃度和光照強度，data5 表示前 4 個數(shù)據(jù)的和，如下 ：

當(dāng)下位機接收到的數(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 APP對溫室大棚進(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。