基于模糊控制的蔬菜大棚環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計

牛甲，熊剛，郭東平

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程分院，陜西 楊凌 712100）

基于模糊控制的蔬菜大棚環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計

牛甲，熊剛，郭東平

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程分院，陜西 楊凌 712100）

本研究針對楊凌地區(qū)蔬菜大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題，應(yīng)用傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、模糊控制和自動控制技術(shù)，設(shè)計制作了以單片機(jī)為控制核心的大棚環(huán)境控制系統(tǒng)，能根據(jù)作物生長需要，實現(xiàn)蔬菜大棚環(huán)境中的溫度、濕度、光照、CO2濃度等環(huán)境參數(shù)的測控。測試結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)有上升時間快、調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)量小等優(yōu)點，在實際運行中取得了較好的控制效果，具有較高的應(yīng)用價值。

蔬菜大棚；模糊控制；單片機(jī)；傳感器

陜西楊凌是我國唯一的高新農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)示范區(qū)，在我國農(nóng)業(yè)發(fā)展中占有重要的地位。截至2011年5月，楊凌現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)共投入6.3億元用于發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)，僅201O年建成的標(biāo)準(zhǔn)化日光溫室就達(dá)2 759座、共391.3公頃，其中大部分是薄膜塑料大棚，相比以前新增蔬菜產(chǎn)量8萬余噸，預(yù)計2011年上半年農(nóng)民人均純收入可達(dá)到6 300元，比2010年增長9.7%［1］。蔬菜大棚環(huán)境的調(diào)節(jié)可以提高作物的質(zhì)量和產(chǎn)量，而目前楊凌地區(qū)溫室環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測和控制仍以人工為主，導(dǎo)致勞動強(qiáng)度大，效果差、調(diào)控麻煩，影響農(nóng)民的種植收益。

蔬菜大棚環(huán)境控制，即根據(jù)滿足植物生長發(fā)育需要，自動完成大棚內(nèi)溫度、濕度、光照、CO2濃度、水分等環(huán)境條件調(diào)節(jié)的總稱，實現(xiàn)作物早熟、增質(zhì)、增產(chǎn)的目的［2］。蔬菜大棚所涉及的環(huán)境控制是一個復(fù)雜、龐大、多變量的非線性系統(tǒng)，很難對這類系統(tǒng)建立準(zhǔn)確、統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型，而模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，不需要建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，適合于非線性系統(tǒng)的控制。因此，本文介紹了一種以C8051F340單片機(jī)為控制核心，使用模糊控制算法的蔬菜大棚環(huán)境控制系統(tǒng)。

1 整體結(jié)構(gòu)

本控制系統(tǒng)采用自動模式與手動模式相結(jié)合的方式實現(xiàn)蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)的控制。自動控制模式以單片機(jī)為控制核心，使用溫度、濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等傳感器對溫室環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實時采集，并且把采集的信息傳送給單片機(jī)，單片機(jī)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息分析處理后通過液晶顯示器實時顯示出來，然后經(jīng)過模糊控制運算，輸出相應(yīng)的控制信號給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過通風(fēng)機(jī)、噴灌泵、補(bǔ)光設(shè)備、加熱設(shè)備等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作，實現(xiàn)對溫室內(nèi)溫、濕度等環(huán)境參數(shù)的調(diào)節(jié)，滿足植物生長需要。在自動控制模式出現(xiàn)故障時，手動模式啟動人工控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 模糊控制器的設(shè)計

蔬菜大棚環(huán)境條件主要是溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等，考慮到成本的問題，對于CO2只是檢測不控制，因此該模糊控制器的輸入是三變量，分別是溫度Tem、濕度Hum、光照Lux，輸出有4個變量，包括ua、ub、uc、ud，分別用于控制加熱設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備、補(bǔ)光設(shè)備、噴灌設(shè)備等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

輸入變量的基本域分別取為 ［tem1，tem2］，［hum1，hum2］，［Lux1，Lux2］以及輸出控制量的基本域［ua1，ua2］，［ub1，ub2］，［uc1，uc2］，［ud1，ud2］。同時設(shè)置三種狀態(tài)對應(yīng)的語言變量，如溫度對應(yīng)的是｛冷，正常，熱｝，模糊子集設(shè)置為｛cold，normal，warm｝；濕度對應(yīng)的是｛干，正常，濕｝，模糊子集設(shè)置為｛dry， normal，wet｝；光照強(qiáng)度對應(yīng)的是｛暗，正常，亮｝，模糊子集設(shè)置為｛dark，normal，dazzle｝，執(zhí)行機(jī)構(gòu)對應(yīng)的是｛開，關(guān)｝，模糊子集設(shè)置為｛on，off｝。溫度、濕度、光照以及所有輸出控制量的基本論域分別取為［0，50］，［0，100］，［0，50000］，和［0，1］。

然后以專家和工作人員的知識和經(jīng)驗以及專家和工作人員的實際控制過程為基礎(chǔ)，得到的模糊語句的集合，形成模糊控制規(guī)則表。例如，當(dāng)溫度tem為low的情況下，濕度hum 為low、normal、high時，需要盡快消除偏差，此時控制加熱設(shè)備工作ua取on，當(dāng)溫度tem為normal的情況下，為防止系統(tǒng)超調(diào)，首先要考慮穩(wěn)定性，然后再明確輸出的控制量ub。在系統(tǒng)實際的運行過程中，大棚環(huán)境條件溫濕度、光照等輸入量的組合都是利用模糊推理計算模糊控制器的輸出控制量，即可生成制規(guī)則表［3］，如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則表Tab.1 Fuzzy control rules

對蔬菜大棚進(jìn)行實時控制，必須把模糊量轉(zhuǎn)化為精確量才能去驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。為達(dá)到精確、靈敏的控制要求，本系統(tǒng)采用最大隸屬度法計算出模糊控制的輸出控制量。如果輸出量的模糊集合C′的隸屬度函數(shù)只有一個峰值，則取隸屬度函數(shù)的最大值為清晰值［4］，即：

如果輸出量的隸屬度函數(shù)有多個極值，則取這些極值的平均值為清晰值。該方法是最具有實時性的計算機(jī)去模糊化方法，它只取模糊子集中隸屬度最大的元素作為模糊控制輸出量，能夠突出主要信息，簡單易行。

上述過程是離線計算的，所以可以將最終的計算結(jié)果燒寫到單片機(jī)的存儲器中，在單片機(jī)運行時，根據(jù)傳感器采集的環(huán)境條件信息，通過查表的方式獲得被控對象的模糊輸出量。

2.2 硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)硬件電路采用模塊化設(shè)計方法，包括單片機(jī)控制模塊、環(huán)境檢測模塊、顯示器模塊、鍵盤模塊等，主要硬件電路如圖2所示。

控制系統(tǒng)采用C8051F340單片機(jī)為主控制芯片，該單片機(jī)完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，具有與 8051兼容的微控制器內(nèi)核，集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設(shè)及功能部件。MCU中的外設(shè)或功能部件包括模擬多路選擇器、電壓基準(zhǔn)、SMBus/I2C、定時器、數(shù)字I/O、看門狗定時器（WDT）和時鐘振蕩器等。所有器件都有內(nèi)置的FLASH程序存儲器和256字節(jié)的內(nèi)部RAM，有些器件內(nèi)部還有位于外部數(shù)據(jù)存儲器空間的RAM，在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計中使用較為靈活方便［5-6］。

圖2 主要硬件電路圖Fig.2 Circuit diagram of the main hardware

環(huán)境監(jiān)測模塊中，溫濕度傳感器采用AM2301數(shù)字溫濕度傳感器，該傳感器是一款采用專用數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感元件的復(fù)合傳感器，包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件，，可以與8位單片機(jī)直接連接［7-8］；CO2的測量，采用MG811二氧化碳?xì)怏w感應(yīng)探頭，經(jīng)過電壓放大器CA3140處理后與PCF8591連接，光照強(qiáng)度的測量采用光敏電阻作為感光部分，經(jīng)過電阻分壓后與 PCF8591連接，PCF8591是多通道輸入AD/DA轉(zhuǎn)換芯片，可以將電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，單片機(jī)與PCF8591通過I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，采集輸入的模擬信號。

顯示器采用低電壓、低功耗、內(nèi)含中文字庫的12864液晶模塊，用于顯示環(huán)境參數(shù)等信息，該模塊顯示分辨率為128×64，內(nèi)置8192個16*16點漢字，和128個16*8點ASCII字符集。具有硬件電路結(jié)構(gòu)簡單、顯示程序簡潔等特點，與單片機(jī)I/O直接連接進(jìn)行數(shù)據(jù)及命令的傳遞，構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面［9-10］。

2.3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，將多功能的、復(fù)雜的程序劃分為若干個簡單的、功能相對較少的功能模塊，每個功能模塊又由相應(yīng)的若干個子程序組成，實現(xiàn)特定的功能。程序模塊主要包括主程序模塊、鍵盤模塊、顯示模塊、環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊等，主程序主要用于協(xié)調(diào)各個功能模塊之間的工作，使各個模塊工作有序，保證程序的流程周而復(fù)始的可靠運行，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化運行，控制系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖Fig.3 Flow chart of the main program

系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化，然后判斷有無鍵盤標(biāo)志位，有鍵盤標(biāo)志位則進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置環(huán)節(jié)，接收鍵盤輸入的鍵值，設(shè)置完后進(jìn)入主界面；接著系統(tǒng)通過與溫濕度傳感器AM2301進(jìn)行通信采集溫濕度信息，采集完后調(diào)用AD轉(zhuǎn)換程序與PCF8591通信，采集CO2及光照強(qiáng)度信息，數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，在液晶模塊顯示出來，然后再經(jīng)過智能判斷，輸出控制信號，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)對蔬菜大棚環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足作物生長需要。

3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)設(shè)計完成后，制作調(diào)試樣機(jī)，如圖4所示，調(diào)試完畢后進(jìn)行測試，測試場地選擇陜西楊凌某閑置蔬菜大棚。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Chart of the system test

測試時設(shè)定溫度為 20℃、濕度為 70%RH（室外溫度15℃、濕度為48%RH），選擇兩塊測試區(qū)域A區(qū)、B區(qū)，A區(qū)采用傳統(tǒng)的控制方式，B區(qū)采用加模糊控制器的方式，，每隔5 s記錄一次數(shù)據(jù)，整理數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)測試結(jié)果Tab.2 Test result of system data

根據(jù)測試的數(shù)據(jù)，A區(qū)、B區(qū)的穩(wěn)態(tài)誤差差別較小，但是B區(qū)調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量明顯比A區(qū)降低許多，調(diào)節(jié)時間也減少了很多。采用模糊控制算法的控制系統(tǒng)縮短了過渡時間，提高了勞動效率，具有上升時間快、調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)量小、穩(wěn)態(tài)誤差小等優(yōu)點，達(dá)到了控制要求。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)楊凌地區(qū)蔬菜大棚實際情況，結(jié)合單片機(jī)技術(shù)和檢測技術(shù)，采用模糊控制方法，設(shè)計了蔬菜大棚環(huán)境控制系統(tǒng)，用于改善大棚蔬菜溫度、濕度、光照等環(huán)境因子調(diào)控的問題，減少了人工操作的主觀性和隨意性，縮短了調(diào)節(jié)時間，提高了蔬菜大棚運行的自動化、智能化水平，在實地測試中取得了較好的控制效果，具有較高的應(yīng)用價值。

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Design of environment control for greenhouse based on fuzzy control

NIU Jia，XIONG Gang，GUO Dong-ping
（Department of Electromechanical，Yangling Vocational and Technical College，Yangling 712100，China）

The study for vegetable greenhouses problems of environmental monitoring systems in Yangling，application of sensor technology，chip technology，fuzzy control and automatic control technology，designed and manufactured to the Single Chip which is the core of the greenhouse environment control system，it could achieve intelligent operation according to the environmental parameters of the greenhouse，such as temperature，humidity，light，CO2concentration and so on.The test results show that the control system virtues of rapid rising time，short adjusting time and small surplus，has achieved preferable control effect in actual operation.

vegetables greenhouse；fuzzy control；single chip microcomputer；sensor

TN876

A

1674－6236（2016）04-0087-04

2015-04-08 稿件編號：201504080

牛 甲（1984—），男，陜西武功人，碩士研究生，講師。研究方向：電氣自動化控制技術(shù)。