今日頭條
官方微信
官方抖音
案例頻道
梁永春，劉建業
我國正逐步提高農業的自動控制水平，特別是蔬菜的溫室種植已經在各地被廣泛采用和重視。但現有的溫室大多采用人工控制，無法很好的跟隨蔬菜的生長過程，實時地進行調節。為了提高我國的溫室技術水平，上海和北京等地從荷蘭引進了一些現代化的溫室設備和控制系統。但這些設備和系統價格昂貴、運行成本高，在國內普及困難。另外，為了農業專家研究農作物的生長和發育過程，也需要一套能夠用于研究的自動控制系統。本文將介紹以工控機為核心的溫室模糊控制系統。
1 功能簡介
溫室模糊控制系統具有以下功能：
① 根據農作物的生長要求，實現對溫室空氣溫度、空氣濕度、地表溫度、土壤濕度、光照度、土壤營養液濃度和CO2濃度等參數的實時控制；
② 以數據和圖表的形式顯示溫室內外環境參數，并可查詢歷史記錄；
③ 顯示執行機構的開、閉狀態；
④ 操作人員可以手動控制執行機構；
⑤ 具有開放式平臺，實時查詢、修改溫室控制參數，以便找出最佳控制策略；
2 硬件構成
系統由傳感器及變送器、執行機構、A/D數據采集卡、I/O卡、繼電器輸出卡和工控機等組成，如圖1所示。
圖1 溫室控制系統組成框圖
傳感器及變送器包括空氣溫濕度傳感器、地表溫度傳感濃度傳感器和配套變送器。用于將非電量信號轉換為電量信號。同時轉換為電流環信號，以便遠距離傳輸。
執行機構包括風機、氣泵、水簾、遮陰簾、電磁閥和側窗等設備，用于調節溫室參數。
A/D采集卡采用YLY7202接口板，內含32個通道、12為A/D轉換器。將電流環信號轉換為電壓信號，再轉換為數字量。
I/O卡采用YLY701接口板，內含32路光隔輸入和32路光隔輸出。用于驅動執行機構和反饋執行機構的狀態。
繼電器卡采用固態繼電器，輸入端接I/O卡輸出的直流信號，輸出端接中間繼電器線圈的交流220V信號，通過中間繼電器接通接觸器，驅動各執行機構。
工控機采用研華工控機主機，主要完成對A/D采集卡的控制、根據輸入參數確定輸出、對I/O卡的控制、監測執行機構的動作狀態、實時顯示圖表等功能。
3 控制模式
溫室控制包含溫度、濕度、光照度和濃度等多種參數，又有風機、側窗、氣泵、水簾和燈光等多種調節機構。同時，溫室各參數又沒有準確的傳遞函數。因此，溫室控制是一種多輸入、多輸出的復雜控制。這里采用經過預處理的模糊控制實現對各種參數的實時調節。下面從三個方面說明預處理過程。
(1) 季節不同，調節措施不同。在春季和秋季，溫度、濕度等參數可以通過側窗、風機、水簾、遮陰簾進行調節。在冬季，溫度、濕度參數可以通過暖氣、水簾進行調節，而不能用風機和側窗。因此，將控制分為冬季和其他季節兩種模式。冬季調節措施有：暖氣電磁閥、氣泵、水泵、水簾和補光燈；其他季節調節措施有：側窗、風機、遮陰簾、水簾、氣泵、水泵和補光燈。
(2) 不同生長時期，參數要求不同，控制模式不同。以番茄為例，整個生長過程分為：發芽期、幼苗期、開花期和結果期。番茄不同時期的參數要求見表1。因此，將控制再分為四個生長時期和每天的白天、前半夜、后半夜三個時段。在不同時期采用不同的隸屬函數和調節措施。
(3) 不同參數，調節措施之間的關系。在補充CO2和溫濕度變化不大時，側窗、風機等不能打開。在光照不足時，遮陰簾不能拉上。因此，控制模式采用屏蔽方式。在充CO2時，屏蔽側窗和風機；在光照不足時，屏蔽遮陰簾；在室外溫度較高時，屏蔽側窗。
經過以上處理，模糊控制共有冬季發芽期和其他季發芽等16種控制模式，風機屏蔽、側窗屏蔽和遮陰簾屏蔽等三種屏蔽方式。
表1 番茄生長過程不同時期參數要求對照表
4 控制算法
溫室控制器采用模糊控制，現以其他季發芽期為例介紹控制算法：以溫度為例，番茄發芽期適宜溫度為25～30℃，最低溫度為11℃，最高溫度為35℃，溫度和溫差采用梯形和三角形隸屬函數，隸屬函數如圖2和圖3所示。
根據隸屬函數，溫度和溫差模糊集分為負、較負、零、較正和正5種。根據專家和試驗，得出：
如果 T為負，且△T為負，則風機關，側窗關；
如果 T為正，且△T為正，則風機開，側窗開；
如果 T為零，且△T為正，則風機關，側窗開；
……
等25條控制規則。實際調節過程中，實時采集溫度和溫差信號，計算出溫度和溫差針對不同模糊集的隸屬度，再根據25條控制規則，分別求出風機關、風機開、側窗關、側窗開的隸屬度，取隸屬度高者執行。
其他參數調節算法為：濕度調節同溫度，執行機構加上水簾；光照度調節采取遮陰簾屏蔽措施；如果室外溫度或濕度大于室內，則屏蔽側窗；其他參數調節方式類似。
5 結論
基于模糊控制的溫室智能控制系統能夠對多個參數分別進行實時控制。經過近一年的試運行，控制精度能夠滿足農作物生長的要求。同時，良好的人機界面也促進了農業專家對農作物生長過程的研究。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號