基于模糊控制算法与4G-LTE的植物工厂远程监控系统设计.pdf

刘新宇 陈东雷 张 鑫 等 基于模糊控制算法与 的植物工厂远程监控系统设计 江苏农业科学 2 2 2 22 22 2 2 2 2 2 基于模糊控制算法与 的植物工厂 远程监控系统设计 刘新宇 陈东雷 张 鑫 蒋 伟 周 凯 叶 腾 扬州大学电气与能源动力工程学院 江苏扬州22 摘 要 为解决在植物生长过程中的最优环境自动控制与远程监控等问题 设计了一种植物工厂系统 该系统通过 传感器采集环境参数 通过单片机控制执行模块 通过 模块经云服务器在单片机与客户端之间实现数据传 输 并使用 软件与易安卓软件分别设计了电脑与手机客户端 采用了矩阵算法与模糊控制算法将输入环境 参数进行模糊化 确认了环境参数优先级 并查询规则库以采取不同的执行措施 通过制作实物模型并对系统进行了 测试 证实该系统可以实现数据的实时采集并传输到软件端显示 可自动调节环境参数或在电脑端与手机 中手动调节 关 键 词 自动控制 远程通信 单片机 模糊控制算法 中 图 分 类 号 27 文 献 标 志 码 文 章 编 号 2 2 2 2 2 22 7 收稿日期 2 2 2 基金项目 国家自然科学基金 编号 7 2 扬州市科技计划 产学研合作专项 编号 2 2 作者简介 刘新宇 男 山东枣庄人 主要从事电气工程自动 化 自动控制技术相关研究 2 7 7 7 通信作者 陈东雷 博士 讲师 主要从事电气设备故障诊断与预测技 术 计算机远程智能监测与控制技术等相关研究 现代信息技术飞速发展 而利用互联网技术与 自动控制技术来实现农业信息化与智能化已成为 未来农业的发展趋势 植物工厂系统智能化程 度高 可节约大量人力与物资 已成为当前热门的 农业智能化设备 张强等设计了基于 的 植物工厂视频监控系统 可实现植物工厂实时 视频监测 2 魏轶凡等将家用微型植物工厂划分为 若干子系统分别进行设计 并进行了生菜栽培试 验 张样平等研究了日光型植物工厂绿叶蔬菜轨 道式高效栽培 并做了效益分析 证实这是一种推 广性很高的栽培方式 光照 温度 湿度 2 浓度等是影响植物生长 的主要环境变量 并且随时受外部因素的干扰 因 此很难维持在植物所需的理想状态 植物工厂 可保证作物生长的最佳环境 实现快速稳定生产 并且可以应用于细胞工程 基因工程等农业高科技 领域 提供种子培育所需的严格环境 本研究设计的植物工厂系统 采用单片机作为 主控模块 各种传感器用于采集环境数据 通过模 糊控制算法将输入数据模糊化 7 经过模糊推理系 统确定适合的执行措施 并采用 通信接口与 进行远程通信 同时 本研究制作了 实物模型并进行测试 以验证本系统是否可以长时 间维持适宜的植物生长环境 是否可在电脑端与手 机端显示环境参数 并手动下达指令 系 统 总 体 设 计 方 案 整体结构 如图 所示 植物工厂系统主要由传感器模块 主控模块 执行模块 通信模块与客户端模块组成 传感器模块可以准确地采集植物周边生长环境的 温度 2 浓度 土壤湿度 值 光照度等参数 主控模块 单片机是控制功能的核心 可 收集传感器采集的数据 通过算法得出参数值及控 制要求 既可自动控制执行模块改变环境 也可接 收用户指令进行控制 执行模块则由电热丝 微型 空调 2 小钢瓶 水泵 加湿器 值调节剂 红蓝 补光灯等组成 通信模块选择 设备 将数据传送到云服务器 并进一步发送到用户的电 脑或手机端 同时接收用户的操作指令 结合表 可 知 目前仅有 技术可以较好地实现无距离限制 数据传输 在客户端模块中 电脑端采用组态软件 2 2 江苏农业科学 2 2 年第 卷第2 期 表 无 线 通 信 技 术 对 比 无线通信技术 通信距离 传输速度 使用成本 无限制 较高 一般 2 低 进行编程 手机端采用易安卓进行 开发 设计 各自的用户操作界面 2 运行过程分析 系统运行过程如下 传感器实时感测周边环境 数据 并将模拟信号 数字信号传送到单片机内部 由模糊控制算法生成被控参数值并显示在 液 晶显示屏上 单片机再根据设定好的环境参数值进 行偏差判断 进而控制执行模块 其中 红蓝 补 光灯 水泵 电热丝 微型空调 2 小钢瓶等设备的 通断都通过对继电器的控制来完成 单片机与 模块采用 串口方式进行连接 实 时进行数据输出与输入 模块通过无 线串口软件进行调试 可将数据上传至服务器储存 再在电脑端通过组态软件获取服务器数据 前面板 设计了显示部分与控制部分 显示部分将服务及接收 的数据进行显示 控制部分可接受用户指令 再通过 服务器与 将指令传回单片机 实 物 模 型 开 发 通过制作微型植物工厂的实物模型 初步验证 其中环境参数控制过程的可行性 以及利用 模 块进行远程通信的效果 2 硬件选择 主控模块 考虑到经济性与适用性 采用 作为控制核心 在此基础上配制 位定 时器 设置 个中断源 2个通用输入 输出 端口 选择工作电压为 并连接外部电路 传感器模块 该实物模型可检测 种环境参数 采用 2 温度传感器检测环境温度 测量范围 2 精度为 以 一线总线 方式 传输数字信号 采用 土壤湿度传感器与 比较器芯片检测土壤湿度 采用内置 7 芯片的数字光强度传感器检测光照度 检 测范围 信号为数字量直出 模块 选用 公司的 此模块支持七网通信制 式以及 协议 具备网口与串口同时通信 能力及虚拟服务器功能 执行模块 采用了电热丝对环境进行加热 模 拟简单的控温过程 采用小型水泵进行浇水 模拟 喷灌过程 采用红 蓝2种 灯串实现对环境的 补光过程 种装置均使用同一 四路继电器控 制通断 2 2 软件开发 编程软件 采用 软件对单片机进行编程 如图2所示 以模块化编程为原则 将传感器检测 液晶屏显示 总线 串口通信等功能分别编为 不同的子程序与子函数 再汇总到主函数中执行 2 2 江苏农业科学 2 2 年第 卷第2 期 提高了程序的可读性与操作性 通信软件 采用 公司无线串口软件 接收 模块数据并保存 同时实现连接云端数据 库功能 图 在电脑端采用 组态软件 进行监控面板的编程与设计 可接收数据与发送指 令 采用易安卓软件进行手机 的开发 此 同样可以从云服务器中获取数据显示在面板上 并 可以发送指令 模 糊 控 制 算 法 分 析 在实物模型可以精确采集并传输数据的基础 上 为了确保对环境参数的控制精度 采用模糊控 制的思想进行系统算法的设计 此方法既可以完善 实物模型 实现相应功能 又可以为植物工厂的设 计方案提供参考 模糊理论 模糊理论是模糊控制算法的基础 其工作原理 如下 不同传感器测量的准确参数通过转换 成为 可用于模糊运算的模糊量 再通过模糊控制器运 算 最后将得到的模糊量结果转换成精确量 进而 控制各种执行单位 模糊控制可分为模糊化 规则 建立 模糊推理 去模糊化四步来执行 图 2 执行模块优先级的评价 在实物模型中 模糊控制系统的输入值即为 种不同传感器检测到的环境参数与植物适宜生长 参数之间的偏差 而为了确定各执行模块指令的时 间 则需要对 种执行模块的动作优先级进行确认 以确认模糊控制系统的输出值 故采用层次分析 法 进行优先级确认 分如下2步进行 第 步 输入值优先级确定 本研究选择辣椒 作为试验对象 对实物模型中 种环境参数做出了 2 2 2 江苏农业科学 2 2 年第 卷第2 期 重要性评价 表2 并由此得出比较矩阵 即式 表 环 境 参 数 重 要 程 度 对 比 环境参数 重要程度 温度 湿度 光强 温度 2 湿度 2 光照度 2 2 T I I L T I I J 求出矩阵 的最大特征值对应的标准化特征 向量 如式 2 所示 此向量反映了输入值优先级 7 2 2 第二步 执行模块对输入值的优先级确定 依 照笔者所在的研究团队的建议 对各执行模块对输 入值的重要性做了评价 表 进一步得出不同执 行模块对 种输入值的比较矩阵 分别求出对应的 权向量 2 及组合权向量 最后与输入值优 先级权向量 结合得出各执行模块的优先级评价 表 执 行 模 块 对 环 境 参 数 的 重 要 程 度 对 比 环境参数 执行模块对环境参数的重要程度 加热 浇水 补光 温度 2 湿度 光照度 根据表 可得到执行模块对温度的重要程度比 较矩阵 即式 并由此得到其最大特征值对应 的标准化特征向量 即式 同理可得执行模 块对湿度与光强的权向量 2 从而得到组合权向 量 即式 结合输入值优先级权向量 得到最 终的执行模块的优先度矩阵 加热 浇水 补光 的优先级系数分别为 7 此优先级列表 可以为模糊控制系统规则制定提供 参考 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 参数的模糊化 规则设计 根据 种环境参数对辣椒生长 的影响程度 将它们各分成 个等级 即负大 负中 中 正中 正大 而模糊控制系统中 种执行模块输 出的执行程度也设为 个等级 根据笔者所在 研究团队的建议及相关资料 温室中辣椒生长过 程中的最适参数如表 所示 以此对输入数值进行 模糊化 表 辣 椒 生 长 过 程 适 宜 参 数 生长时期 温度 白天 黑夜 湿度 光照度 催芽期 27 生长期 2 2 7 2 定植期 27 2 环境参数由精确输入值转化为模糊控制值应 通过量化函数来实现 求得量化函数的规则如下 将精确输入参数与最适值的差值除以量化因子 便得到量化函数 2 输入参数模糊化 以辣椒生长期的温度为 示例进行模糊化过程的分析 当生长期温度为2 时 用模糊值 中 来表示 温度在 2 间时 则用 负中 表示更为合理 温度低于 则为 负大 温度为 则为 正中 高于 用 正大 表示 由此可将温度量化函数以 2 来表示 为温度值 为量化输出 温度便被量化在 的范围内 结合输入参数与 模型复杂程度 确定温度模糊函数图 图 利用上述方法 结合传感器的测量范围与湿 度 光照度的最适参数 将辣椒生长期的湿度与光 强也用量化函数来表示 土壤湿度通常为2 则量化函数为 7 为湿度值 2 2 江苏农业科学 2 2 年第 卷第2 期 为量化输出 湿度同样被量化到 的范围 光照度的量化函数为 2 2 为 光照度 为量化输出 光照度也被量化到 的范围内 三者函数图相同 在此不进一步展开 输出参数模糊化 以湿度补偿模块为示例 结合上文的分析方法来进行输出参数的模糊化 首 先将水泵的执行动作分为 个等级 分别是不动作 动作 秒 动作2秒 动作 秒 动作 秒 并将量化 区间设置在 之间 选取与输入同样的函数模 型 得到湿度补偿模糊函数图 图 总结 上述模糊控制方法 将 种环境参数的精确输 入值分别量化为 个等级 共建立了辣椒生长的 2 种环境情况 并与相应 2 种执行动作一一对 应 建立了包含 2 条规则的规则库 在单片机执行 模糊推理过程时 首先将采集到的 种环境参数代 入模糊函数中进行量化 再查询规则库进行动作匹 配 最后得出相应的执行动作 测 试 结 果 控制组件测试 首先将传感器模块 单片机与执行 模块组成的控制系统连接 测试系统的数据采集与 显示功能以及自动控制执行模块的功能是否完善 部分结果如图7所示 结果表明 液晶屏可以随时显 示周边环境参数 并且执行模块可以在达到设定阈 值时自动动作 2 通信测试 在通信测试中 采用将单片机通过 串口 连接到 的方式实现数据传输 并在电 脑端通过 无线串口助手接收数据 在手 机端通过 服务器获取云端数据 结果表明 软 件可以实现实时接收单片机数据 并通过中断传回 操作指令的功能 在电脑端通过 页面显 示各种参数 如图 所示 并设计了手机 以提 供更加灵活的服务 如图 所示 系统整体试验测试 为了验证实物模型能否初步实现维持植物适 宜的生长环境的功能 本研究选择了在江苏省扬州 市 月的某2 对系统进行了连续 的测试 将 系统的控制组件与通信设备全部进行组合 选择全 程录像的方式对 2液晶屏上的传感器数据 进行记录 并且每隔 采集 次环境参数 分 别将温度 土壤湿度 光照度数据制成折线图 图 可知辣椒生长环境得到了极大的改善 试验全 程基本处于适宜的生长环境中 2 2 江苏农业科学 2 2 年第 卷第2 期 测试时 由于光照度会变化 为了防止系统在 亮度低于阈值打开 灯时又瞬间检测到亮度高 于阈值 从而执行反复亮暗的错误动作 对补光阈 值设定采用了滞回曲线的形式 同时 考虑到植物 的生物特性 在温度高于27 时 浇水动作将被禁 止 以防止植物受到损伤 结 论 基于 单片机与 模块 设计出的可远程监控植物工厂系统 采用模糊控制 的思想处理收集到的环境参数 并自动控制周边环 境 利用 无线串口通信与云服务器实现单片机 与电脑 手机端的数据传输 为了初步验证系统设计 的可行性 制作了实物模型并成功实现自动控制与远 程通信功能 经过 的数据测试 表明实物模型可 以基本实现维持植物生长环境稳定的功能 此设计 顺应了农业现代化与信息化的趋势 对于智能农业设 备的设计与制造具有一定的参考价值 参 考 文 献 徐海斌 王鸿翔 杨晓琳 等 现代农业中物联网应用现状与展望 江苏农业科学 2 2 2 江苏农业科学 2 2 年第 卷第2 期 2 张 强 田海涛 张浩伟 基于 的 植物工厂视频监 控系统设计与实现 中国照明电器 2 2 魏轶凡 毛罕平 左志宇 等 家用微型植物工厂结构设计与生菜 栽培试验 农机化研究 2 张样平 常丽英 黄丹枫 等 日光型植物工厂绿叶蔬菜轨道式高 效栽培与效益分析 中国蔬菜 2 2 徐少承 嵌入式植物工厂智能监控系统的设计与开发 广 州 华南理工大学 2 7 2 2 7 7 卞和营 薛亚许 王军敏 温室大棚温湿度模糊控制系统及 程序设计 农机化研究 2 7 邢希君 宋建成 吝伶艳 等 设施农业温室大棚智能控制技术的 现状与展望 江苏农业科学 2 7 2 刘 枚 崔卫花 基于模糊层次分析法的一体化物流风险评价 物流技术 2 2 7 2 陈少伟 基于 平台的植物生长信息采集与分析系统的 开发 西安 西安理工大学 2 计 桥 温室辣椒栽培技术 吉林农业 2 7 2 2 江苏农业科学 2 2 年第 卷第2 期