基于模糊控制的糧倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳越超

(長春師范大學(xué)工程學(xué)院，吉林長春 130032)

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基于模糊控制的糧倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳越超

(長春師范大學(xué)工程學(xué)院，吉林長春 130032)

本文介紹了一種基于模糊控制的糧倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該監(jiān)控系統(tǒng)以FPGA為核心，利用溫度傳感器和濕度傳感器對(duì)糧倉溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，利用FPGA計(jì)算溫濕度偏差及其偏差變化率，通過調(diào)用模糊控制算法對(duì)糧倉溫濕度進(jìn)行模糊控制。

溫度傳感器；濕度傳感器；FPGA；模糊控制

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，糧食存儲(chǔ)顯得越來越重要。溫度和濕度是糧倉存儲(chǔ)糧食的兩個(gè)關(guān)鍵因素，更好地進(jìn)行糧倉的溫濕度監(jiān)控，是提高糧倉存儲(chǔ)的效率的重要保障。本文設(shè)計(jì)的糧倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)能夠提高糧食的存儲(chǔ)效率，避免造成糧食的浪費(fèi)。

本糧倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)以模糊邏輯控制(簡稱模糊控制)理論為基礎(chǔ)，模糊控制器使用二階模型方法，以變化量偏差和偏差變化量(溫濕度偏差、溫濕度偏差變化量)為輸入，以控制量(加濕、除濕、升溫、降溫)為輸出。模糊控制電路以FPGA為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用Verilog HDL進(jìn)行模糊控制器的硬件語言描述，完成信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理和環(huán)境控制等。濕度傳感器選用HS1101，溫度傳感器選用DS1820。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是在FPGA上實(shí)現(xiàn)模糊控制器的設(shè)計(jì)。

1 模糊控制規(guī)則設(shè)計(jì)

模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心，其性能的好壞直接影響系統(tǒng)的性能。主要包括輸入量模糊化、知識(shí)庫、模糊推理、輸出解模糊四部分。模糊控制系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 模糊控制系統(tǒng)組成圖

輸入量模糊化：將溫度(或濕度)的偏差分為正大、正中、正小、零、負(fù)小、負(fù)中、負(fù)大七個(gè)模糊子集，分別用PL、PM、PS、O、NS、NM、NL表示，模糊控制中L代表大、M代表中、S代表小、O代表零、P代表正、N代表負(fù)。

知識(shí)庫：輸入輸出空間如何模糊分割，各個(gè)子集如何進(jìn)行劃分、偏差多大為大、偏差多大為中，需要以專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)為依據(jù)，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行劃分。

模糊推理：它是模糊控制器的核心，模糊控制的基本原則是使系統(tǒng)輸出響應(yīng)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性達(dá)到最優(yōu)，即當(dāng)溫度(或濕度)偏差為小時(shí)，選用控制量要以防止超調(diào)為主；當(dāng)溫度(或濕度)偏差為大或中時(shí)，則選用控制量要以盡快消除偏差為主，一切以系統(tǒng)穩(wěn)定性為出發(fā)點(diǎn)。

輸出解模糊：在一個(gè)控制周期內(nèi)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作具有唯一性，因此，需要將模糊推理得到的模糊控制量變換成實(shí)際用于控制的清晰量，用于控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行升溫/降溫等。在這里，同樣用P、N、L、M、S、O分別表示正、負(fù)、大、中、小和零，以溫度控制為例，如輸出U是PS，則表示需要緩慢加溫；如果輸出U是O，則表示當(dāng)前溫度為預(yù)定值，執(zhí)行機(jī)構(gòu)停止動(dòng)作；如果輸出U是NL，則表示需要加速降溫。表1所示為模糊控制規(guī)則。

表1 模糊控制規(guī)則表

2 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)主要由控制電路、顯示電路、時(shí)鐘電路、鍵盤輸入電路、濕度傳感器、溫度傳感器、上位機(jī)、串口通訊電路、執(zhí)行裝置等部分構(gòu)成。控制電路選用FPGA對(duì)溫濕度信號(hào)進(jìn)行采集和模糊控制，并對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。糧倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2 糧倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖

3 溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

糧倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的溫度傳感器采用美國DALLAS公司的DS1820，它是一種單總線數(shù)字溫度傳感器，具有可組網(wǎng)、抗干擾能力強(qiáng)、低功耗、微型化等優(yōu)點(diǎn)。DS1820檢測(cè)電路簡單，它可以將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為串行數(shù)字信號(hào)直接傳送給微處理器進(jìn)行處理。DS1820特別適合多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，每片DS1820的ROM中都保存芯片唯一的產(chǎn)品號(hào)，方便系統(tǒng)組網(wǎng)，可以在單總線上掛接多個(gè)芯片。測(cè)量范圍：-55℃～+125℃，測(cè)量分辨率：±0.5℃。

在使用傳感器DS1820進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)時(shí)，可以利用控制器來讀取傳感器的序列號(hào)，序列號(hào)的讀取過程需要逐步完成，首先由控制器發(fā)出一個(gè)數(shù)字脈沖，這時(shí)傳感器DS1820就會(huì)進(jìn)行自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在經(jīng)過一個(gè)周期后，也就是經(jīng)過480us，控制器就會(huì)重新接收數(shù)據(jù)，然后主機(jī)每隔15us就會(huì)發(fā)出一個(gè)數(shù)字脈沖，這樣就可以將每一個(gè)溫度傳感器DS1820的序列號(hào)讀取出來，單線點(diǎn)的測(cè)溫電路如圖3所示。

圖3 DS1820傳感器的單線點(diǎn)溫度電路圖

4 濕度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

糧倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的濕度傳感器采用HS1101傳感器，其工作原理類似于一個(gè)電容，電容值與空氣中的濕度值成正比，溫度越大，其電容值也就越大。HS1101傳感器的特殊點(diǎn)在于其只有兩個(gè)引腳，又因?yàn)樵搨鞲衅鳛殡娙菪裕圆荒懿捎弥绷鞴╇姡虼宋覀冃枰玫?55定時(shí)器，直接與控制器的I/O口對(duì)接。這樣就可以進(jìn)行測(cè)量，設(shè)置時(shí)間間隔為8s，同時(shí)每次測(cè)量時(shí)間大約持續(xù)1s，通過將測(cè)得的脈沖數(shù)與相對(duì)濕度和頻率的對(duì)比(表2)對(duì)照，就可以得出相對(duì)濕度的大小。

表2 相對(duì)濕度與頻率的對(duì)比表

在本次設(shè)計(jì)中，借助于HS1101傳感器和555定時(shí)器來共同針對(duì)濕度的測(cè)量，HS1101傳感器用于數(shù)據(jù)的采集，而555定時(shí)器則進(jìn)行定時(shí)控制。本系統(tǒng)所用的555定時(shí)器采用TI公司研制的TLC555，能夠節(jié)約很大的成本，同時(shí)還能夠滿足性能的需求。電路圖如圖4所示。

圖4 濕度測(cè)量電路圖

5 控制電路的設(shè)計(jì)

控制電路需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和運(yùn)算，因此控制電路采用FPGA，所采用門陣列的具體樣式為XC2S50。XC2S50是FPGA系列中最典型的門陣列，包含非常多的優(yōu)點(diǎn)，具有非常小的功耗，同時(shí)易于控制，可以進(jìn)行多次的編程，包含的觸發(fā)器數(shù)量高達(dá)1728個(gè)，系統(tǒng)門數(shù)為五萬門。但是XC2S50在供電方面存在兩種不同的形式，在內(nèi)部需要+2.5V的供電，而其外部的I/O口必須為+3.3V。XC2S50之所以能夠被廣泛應(yīng)用，最主要的特點(diǎn)就是其擁有四種不同的配置模式，而這些配置模式完全取決于XC2S50的配置引腳。

圖5 控制電路原理圖

圖6 模糊控制算法流程圖

主控電路的主要功能包括：通過鍵盤輸入電路設(shè)置溫濕度期望值；控制溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量環(huán)境溫度；接收濕度測(cè)量電路數(shù)據(jù)；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并進(jìn)行模糊控制；通過控制電路來進(jìn)行反饋控制；通過LED顯示將期望值和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示出來。圖5為控制電路原理圖。

6 模糊控制軟件實(shí)現(xiàn)

針對(duì)糧倉環(huán)境的溫濕度控制具有多變量、參數(shù)相互耦合、非線性等特點(diǎn)，無法建立精確的數(shù)學(xué)模型，而選用PID控制，其控制調(diào)節(jié)時(shí)間較長且容易產(chǎn)生超調(diào)，控制精度很低，不能滿足設(shè)計(jì)需求。本設(shè)計(jì)通過調(diào)用模糊控制算法，對(duì)溫濕度進(jìn)行精確控制，有效地解決了上述問題。以溫度模糊控制系統(tǒng)為例，采用雙輸入單輸出控制，選取給定值的誤差及其誤差變化率作為模糊控制器的雙輸入，將加熱和制冷裝置的控制開關(guān)狀態(tài)作為輸出，以專家知識(shí)庫中的數(shù)據(jù)為依據(jù)，建立溫度模糊控制規(guī)則表，獲得控制規(guī)則語句。模糊控制算法流程如圖6所示。

7 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的糧倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，以FPGA為系統(tǒng)核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模糊控制，省去了大量的外圍數(shù)字電路的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的集成度，優(yōu)化了系統(tǒng)的性能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)開發(fā)成本，并縮短了設(shè)計(jì)周期。

[1]葛巧紅.關(guān)于建立糧食安全長效機(jī)制的對(duì)策研究[D].天津:天津大學(xué),2005.

[2]張劍.國內(nèi)糧情測(cè)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].電子產(chǎn)品世界,2001(2):68-69.

[3]謝艷新,程海民,潘興業(yè).物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在糧倉監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2012(20):4645-4650.

[4]楊鵬,袁琪,丁春欣.傳感器在溫室大棚環(huán)境控制中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)與農(nóng)業(yè),2002(7):21-23.

[5]白瑞林.基本模糊控制器的研究[J].天津輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),1995(1):38-42.

[6]劉朝純.基于FPGA的糧倉溫濕度模糊監(jiān)控系統(tǒng)[D].哈爾濱:東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2008.

[7]劉達(dá),龔建榮.基于ISE開發(fā)系統(tǒng)的FPGA器件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微電子技術(shù),2003(2):35-42.

The Granary of the Temperature and Humidity Monitoring System Design Based on Fuzzy Control

CHEN Yue-chao

(School of Mechanical Engineering, Changchun Normal University,Changchun Jilin 130032,China)

This paper introduces a design of the granary temperature and humidity monitoring system based on fuzzy control whose core is FPGA, and uses temperature sensor and humidity sensor on the granary temperature and humidity to get real-time data ,and FPGA is also used to calculate deviation and the deviation change rate, then it can control granary temperature and humidity in fuzzy by calling the fuzzy control algorithm.

temperature sensors；humidity sensors；FPGA；fuzzy control

2016-07-20

陳越超(1987- )，男，助理實(shí)驗(yàn)師，碩士研究生，從事檢測(cè)技術(shù)與儀器研究。

TP273

A

2095-7602(2016)12-0024-05