日光溫室卷簾及通風口控制系統研制

曹瑞紅 李晉蒲 趙建貴 高安琪 韋玉翡 李志偉

摘要： 針對華北地區日光溫室管理自動化程度低、勞動強度大、可靠性差的問題，研制了日光溫室卷簾及通風口控制系統。系統采用STM32MCU作為控制核心，通過采集溫室內外光照度、溫濕度調控卷簾和通風口，以使溫室中平均晝溫在18 ℃～25 ℃之間，夜溫在9～12 ℃之間。將限位開關與多層次行程開關結合監測保溫被的運行過程，實現閉環控制效果;卷膜機采用比例-積分-微分（PID）模糊控制算法實現通風口大小的自動調控;通用分組無線服務技術（GPRS）的短信息服務功能用于日光溫室與用戶的遠程交互;用戶可通過上位機設定不同的溫度和光照度范圍，以滿足不同季節番茄的需求。本系統實現了日光溫室無人管理下的保溫被卷放和智能通風。實際運行結果表明，該系統可有效避免保溫被的走偏和過卷，實現通風口大小的自動控制，既減輕了勞動強度，又縮短了工作時間，提高了日光溫室管理效率。

關鍵詞： 日光溫室;卷簾保溫系統;卷膜通風系統;PID模糊控制算法;GPRS（通信分組無線服務技術）

中圖分類號： S625.3? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）05-0219-08

溫室種植反季農作物能夠提高作物產量和品質，不但解決了人們的日常生活所需，同時也為農事人員帶來了可觀的收益[1-3]。目前，我國日光溫室的面積已達到70×104 hm2，占我國設施園藝總面積的21%，日光溫室的普及為連續的農事活動和農產品的跨季節收獲提供了可能[4-7]。近年來，在我國北方的設施農業中，低成本日光溫室迅速發展，其保溫設備的卷放由卷簾機完成，雖然節省了時間，但是還需專門的管理人員進行操作，為保證卷簾機的安全穩定運行，操作人員必須守在開關附近，且單靠人工經驗在日出日落時收放卷簾保溫被，難以根據作物品種、自然光照時間和溫室保溫性能做到動態管理，自動化程度低，勞動強度大，另外目前日光溫室調控還存在卷簾保溫被的走偏和過卷問題，在調控過程中沒有對卷簾棉被運行過程進行監測，達不到閉環控制要求，可靠性差，導致溫室的保溫效果差，嚴重影響作物的存活與生長[8-10]。目前對日光溫室通風口的操作普遍采用扒縫放風的形式，當放風時，通過手動拉棚膜來控制通風口的大小，用戶勞動強度大且管理非常不便[11-13]。近年來，隨著大棚機械化水平的提高，卷膜通風機構開始在日光溫室大棚上得到應用，與人工扒縫相比更加省力，并且開口更整齊均勻，但無法根據實時環境因子的變化做到自動調節通風口大小。

本研究系統通過對溫室大棚內外光照度、空氣溫濕度等環境因子進行監測，對其通風口、卷簾進行調控;將限位開關與多層次行程開關結合，以實現對卷簾的閉環控制，采用比例-積分-微分（PID）模糊控制算法對通風口開度大小進行調控，從而實現日光溫室卷簾系統和通風系統的自動控制。

1 系統總體設計

1.1 日光溫室的基本構成

日光溫室由具有保溫和蓄熱雙重功效的東、西、北3面墻體構成，其中前坡面是溫室的唯一采光面，一般無加熱設備;透光覆蓋材料為聚氯乙烯膜，保溫被為外皮防雨綢、內芯纖維棉材質的棉簾，承重為雙骨架斜拉花鋼骨架[14-18]。日光溫室的基本構成見圖1。目前日光溫室大棚中所用到的卷簾機主要通過手動或遙控控制，卷簾棉被的運行過程需要專人看守，自動化程度低。在實現卷簾自動控制過程中，通常無人看守，所以卷簾越位和走偏現象可能發生。本研究系統將限位開關與多層行程開關相結合，有效解決了卷簾棉被走偏和過卷問題。卷簾限位開關（SQ1、SQ2）和行程開關（SQ3、SQ4、SQ5、SQ6、SQ7、SQ8、SQ9、SQ10）位置見圖2。

1.2 系統整體設計

本研究系統由傳感器、微控制器、執行機構、通用分組無線服務（GPRS）模塊和用戶4個部分組成（圖3）。傳感器監測模塊由環境因子傳感器、執行機構狀態監測、驅動機構監測3個部分組成。溫濕度傳感器和光照傳感器采集室內外溫度、濕度和光照度，微控制器經過對數據進行分析和處理，對執行機構發出調控指令，以達到作物生長的適宜環境條件。行程開關和限位開關作為執行機構狀態監測模塊，通過對同一水平線上行程開關狀態變化的時間間隔判斷執行機構卷簾保溫被的運行過程是否出現走偏情況，并通過限位開關判斷卷簾棉被是否運行完整，避免卷簾棉被出現過卷現象。若出現走偏現象，微控制器做出調控，若調控次數超過上限，通過GPRS的短消息服務（SMS）反饋給用戶出現故障信息，若在設定調控次數范圍之內，且執行機構運行完整，通過SMS將執行機構狀態和環境參數反饋給用戶;電流互感器用來監測驅動電機是否出現過載現象，電流互感器與繼電裝置相結合控制繼電器，使卷簾機停止工作，從而避免卷簾卡死而使卷簾機燒毀，保護系統安全。

日光溫室的內部環境具有時變性強、線性度差、慣性大、滯后明顯、耦合性強等特點，在同一時間內，卷簾保溫被和通風口大小的變化，會影響室內光照度、溫度、濕度等環境因子，因此在溫室內外各布置一組傳感器，包括光照傳感器和溫濕度傳感器。將室內環境因子傳感器置于種植區中心點采集高度為2 m處，該位置最能代表日光溫室內環境因子的整體情況。

2 硬件設計

日光溫室自動卷簾與通風控制系統主要由核心處理器（STM32MCU）、 監測模塊、執行模塊、人機交互模塊組成，總體硬件設計見圖4。其中監測模塊由環境因子監測模塊、執行機構監測模塊和驅動機構監測模塊3個部分組成;執行模塊由卷簾機和卷膜機2個部分組成;人機交互模塊由有機發光二極管（OLED）顯示模塊和GPRS短信通知模塊2個部分組成。

環境因子監測模塊主要通過溫濕度傳感器DHT11、光照傳感器GY30采集室內外環境參數，將信息送入STM32MCU并在OLED顯示屏上進行顯示，STM32MCU輸出的控制信號被送入繼電器，繼電器控制卷簾機和卷膜機工作，并將信息通過GPRS短信通知模塊以短信形式反饋給用戶。執行機構檢測模塊中的行程開關和限位開關用來對卷簾保溫被的運行過程進行監測，若運行過程出現走偏現象，通過STM32MCU控制繼電器使卷簾機正反轉，以保證保溫被平行下降或上升;驅動機構監測模塊電流互感器與繼電裝置相結合控制繼電器，使卷簾機停止工作，從而避免卷簾卡死而使卷簾機燒毀，保護系統安全。

2.1 電源模塊

通過對本研究系統中各單元所要完成的功能進行分析可知，需要的電源類型為DC 3.3 V、DC 5 V 2種。其中控制單元主芯片STM32MCU與OLED顯示模塊的供電電壓為DC 3.3V;控制溫濕度監測模塊、光照監測模塊、GPRS短信通知模塊和繼電器模塊的供電電壓為DC5V。本電源模塊中采用2個電壓穩壓器LM1117，為芯片STM32和OLED顯示屏提供3.3 V電源，為溫濕度監測模塊、光照監測模塊、GPRS模塊和繼電器模塊提供5 V電源，其電源電路設計見圖5。

2.2 微控制器

本研究系統的微控制器采用ARM處理器，內置實時時鐘（RTC）模塊，當前時間可通過程序設置搭配OLED顯示屏實現實時顯示，便于采集行程開關、限位開關狀態變化的時間點以及GPRS短信通知模塊的通信可通過USART串口實現。

2.3 監測模塊

2.3.1 環境因子監測

日光溫室的內部環境具有時變性強、線性度差、慣性大、滯后明顯、耦合性強等特點，在同一時間內，卷簾保溫被和通風口大小的變化，會影響室內光照度、溫度、濕度等環境因子的變化，因此環境因子監測包括光照監測模塊和溫濕度監測模塊2部分。

光照監測模塊采用GY-30傳感器（圖6）。GY-30是一種數字光照度傳感器，不能區分環境光源。它具有高分辨率的特點，可以檢測到0～65 535 lx 范圍內的光照度變化。該傳感器具有一個內置的16位模數（A/D）轉換器，可通過集成電路（IIC）總線與STM32建立連接并完成數據傳輸。

溫濕度監測模塊采用DHT11數字溫濕度傳感器，其接線圖如圖7所示。它是具有校準的數字信號輸出的溫度和濕度復合傳感器，使用的是專用的溫度和濕度感測以及數字模塊采集技術，具有高精度、高分辨率和高可靠性的特征。它采用單線串行接口將采集到的數字信號發送到處理器。

2.3.2 執行機構監測模塊

運用機械式限位控制技術，通過在大棚頂部和底部安裝機械式觸動限位開關，將開關接入控制電路，當保溫被到達停放位置時，觸碰限位開關，切斷電源，卷簾機停止工作，并且通過SMS將卷簾棉被狀態和棚內各環境因子反饋給農民。一方面，它有效地防止了卷簾機滾動不當的問題;另一方面，實現了自動開關棚，減少了勞力投入。

在采光面左右兩側水平布置行程開關，將其分為3層。在卷簾保溫被運行過程中，通過監測兩端行程開關狀態變化的時間差并結合電機轉速對保溫棉被兩端距離差作出判斷。若偏差超過閾值 15 cm，控制電機反方向運轉，恢復至初始出發位置，繼續執行開棚或關棚操作，若連續走偏次數達到5次，通過SMS通知管理人員出現故障，并將棚內環境因子反饋給用戶，以便管理人員在了解故障的同時作出決斷。

2.3.3 驅動機構監測

電流互感器與繼電裝置相結合，在雨雪天氣或保溫被出現過度走偏而導致卷簾機出現過載現象時控制繼電器，使卷簾機停止工作，以避免卷簾卡死而使卷簾機燒毀，保護系統安全，并通過SMS將信息反饋給管理人員。

2.3 人機交互模塊

人機交互模塊由OLED顯示模塊和SMS短信通知模塊2個部分組成。通過OLED顯示模塊在大棚內直觀顯示出棚內外溫度、濕度和光照度。通過SMS短信通知模塊將棚內外環境因子及卷簾保溫棉被狀態通過短信形式反饋給農民，達到了遠程監測的效果。

2.3.1 OLED顯示模塊

OLED12864是128列×64行的點陣OLED單色、字符、圖形顯示模塊。本設計中，需要顯示實時溫度、濕度、光照度，以便于直觀地進行人機交互，在硬件接線時可直接與模擬IIC引腳連接，不需要外部的驅動電路。

2.3.2 SMS短信通知模塊

在執行機構運行過程中，當卷簾保溫被觸碰到限位開關時，電機停止工作，系統通過SMS短信通知模塊將信息反饋給工作人員。但是，在系統實現過程中，除了考慮執行機構正常停止工作的情況外，還要考慮運行過程中特殊情況的出現。例如，走偏調整次數超過5次、電流互感器監測到過載信息時電機緊急制動，此時除了蜂鳴器報警之外，本研究系統會通過短信息形式將數據發送至管理人員的手機上。

GPRS短信通知模塊通過TEXT（純文本）和PDU（協議數據單元）2種方式發送短信，其中以TEXT模式發送短信操作簡單但只能發送英文消息，考慮用戶使用方便性，采用PDU模式。PDU模式發送信息需要3步，第1步：設置短信發送模式為PDU模式;第2步，設置信息長度;第3步，發送短信。

2.4 執行模塊

2.4.1 卷簾機控制

本研究系統溫室大棚內的執行機構為卷簾機和通風口卷膜機，它們都屬于強電設備，在控制方面需要通過單片機I/O口輸出高低電平來使繼電器運行，從而控制電機的正轉、反轉或停止。卷簾機控制模塊電路見圖8。單片機引腳PA6口連接繼電器JQ1控制卷簾機上卷，PA7口連接繼電器JQ2控制卷簾機下卷，PA5口連接繼電器JQ3控制卷簾機停止工作。

圖8中，為了應對緊急情況，在卷簾機控制模塊電路中設置了總開關按鈕SB1和正轉/反轉按鈕SB2、SB3，并且總開關按鈕通常處于閉合狀態，交流接觸器KM1和KM2互鎖功能的設計，可確保2個線圈不同時通電，避免卷簾機因同時接收到正反轉誤操作信號同時工作而損壞的問題。

當指令控制卷簾機上卷時，PA6端口輸出低電平，繼電器JQ1起作用，交流接觸器KM1線圈通電，KM1互鎖觸點斷開，確保了KM2線圈無法通電，交流接觸器KM1自鎖觸點閉合，交流接觸器KM1主觸點閉合，卷簾機正轉，卷簾被卷起，到達溫室頂部時，觸碰上限位開關SQ1，SQ1觸點斷開使得KM1線圈失電，常開觸點KM1斷開，電動機斷電并停止旋轉。

當指令控制卷簾下放時，PA7端口輸出低電平，繼電器JQ2起作用，觸點JQ2閉合，KM2線圈通電，常開觸點閉合，卷簾機反轉并到達下限位置，下限開關SQ2觸點斷開，線圈斷電，KM2常開觸點斷開，卷簾機停止工作。

圖8中，SQ3、SQ4、SQ5、SQ6、SQ7、SQ8、SQ9、SQ10分別為布置在大棚左右兩側的行程開關，與按鈕作用類似，卷簾棉被運動過程中觸碰，將位置信號反饋給核心處理器，完成卷簾棉被動作過程的監測。

2.4.2 卷膜機控制

通過微控制器使PA8口輸出高電平，三極管導通，驅動繼電器，實現卷膜機的工作（正轉），繼電器常開觸點JQ4閉合，線圈KM4上電，常開主觸點閉合，電機正轉，通風口逐漸變大，當通風口開度開到最大時，觸碰限位開關SQ11，卷簾機停止工作。同理，PA9控制電機反轉，使通風口逐漸變小。卷膜機控制模塊電路見圖9。

3 軟件控制流程

系統控制流程見圖10。系統初始化后，每 6 min 測量并處理溫度、濕度和光照度等環境因素，并調整執行器的狀態，以保證將溫室中的環境因素控制在最適值的允許范圍內。當參數超過限制時，相應的執行器將開始工作，以使參數更接近最適值。

3.1 卷簾保溫系統調控策略

[CM（20]控制指令對應溫室中執行機構的3種情形，分別為早上卷簾保溫被打開即開棚、中午卷膜機運行自動調控通風口大小、晚上卷簾保溫被關閉即關棚。結合番茄最適生長晝溫為18～25 ℃，夜溫為 9～12 ℃，控制條件如下：

（1）早上，當室內溫度T≥番茄生長最低溫9 ℃且光照度L≥生長最低光照度11 000 lx時，微控制器發出開棚指令;若環境參數不在范圍內，為保證番茄有充足的光照時間，09：00開棚;在執行開棚指令前首先判斷保溫被是否處于上限位位置，以有效避免棚已處于開棚狀態，因環境參數變化重復發出開棚指令的誤操作;開棚過程中監測卷簾棉被位置，達到閉環調控效果。

（2）中午，當室內溫度T≥番茄生長最高溫 28 ℃ 時，調用PID模糊控制算法自動調控通風口大小，當溫度達到17 ℃時，關閉通風口。

（3）傍晚，為保證番茄生長夜溫可達到10 ℃以上，當光照度L<1 000 lx且室內溫度T≤15 ℃時，發出關棚指令;若17：00仍未關棚，微控制器直接發出關棚指令;關棚過程中通過行程開關信號監測動作過程，達到閉環控制目的。

短信通知按卷簾機工作狀態分為2種類型，即正常工作短信和報警短信。（1）當開棚或關棚指令下發后，保溫被運行過程正常或走偏距離和調整次數都在閾值范圍內，則發送正常工作短信，通知用戶棚內情況正常，開棚或關棚動作完成后，將環境因子反饋給用戶。（2）當開棚或關棚動作過程中，保溫被運行過程中走偏距離和調整次數超出閾值范圍時，卷簾機緊急制動，并發送報警短信通知用戶。

3.2 卷膜通風系統控制策略

卷膜通風系統采用模糊PID控制算法，該算法將使用最廣泛、最穩定的傳統PID控制算法與模糊控制相結合。模糊控制被添加到傳統PID控制算法的前端，以調整控制精度。

在該控制系統中，調節室內溫度，并且將給定的室內溫度和所測量的室內溫度偏差（ET）和偏差變化率（ETc）作為輸入量，輸出量為卷膜機動作U，其中，輸入量的模糊子狀態均為{NB，NS，ZE，PS，PB}，其中，NB、NS、ZE、PS、PB分別表示負大、負小、零、正小、正大，結合北方日光溫室內作物生長環境，輸出變量的模糊子狀態為{ZE，PS，PB}，分別代表通風口大小的3種狀態，即通風口全部關閉、半打開、全部打開。模糊規則采用if-then語句，控制規則見表1。

4 試驗設計與分析

本研究于2019年1月驗證日光溫室自動控制系統的實用性和可靠性，在山西省晉中市冀村（地理位置 112°74′E、37°49′N）進行日光溫室控制系統試驗，溫室內除卷膜通風口裝置和卷被保溫裝置外無其他調控裝備。經試驗考核該系統主要性能指標已達到：系統漂移系數小于5%，執行機構執行準確率和調控準確率都達到95%以上;對溫室內溫度調節水平大于3 ℃，光照度調節水平大于1 000 lx。試驗初期，番茄處于開花期，株高1 m左右，和對照棚相比，試驗大棚番茄坐果率提高2%，病蟲害發生率減輕 60%～70%，收獲期延長2.5個月，單位產量增加1倍。

5 小結

通過監測日光溫室內外光照度、溫度和濕度，對溫室內環境進行自動調控。將限位開關與多層次行程開關結合，有效解決了卷簾保溫被運行時的過卷和走偏現象。日光溫室開花期番茄驗證試驗的結果表明，該卷簾和通風系統穩定可靠，可實現日光溫室卷簾系統和通風系統的自動控制，提高了日光溫室的管理效率。

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收 稿日期：2019-11-26

基金項目：國家重點研發計劃（編號：2017YFD0701501）;山西省研究生教育創新項目（編號：2019SY201）。

作者簡介：曹瑞紅（1993—），女，山西臨縣人，碩士研究生，研究方向為農業電氣化及自動化。E-mail：1395928736@qq.com。

通信作者：李志偉，博士，教授，博士生導師，主要從事計算機控制技術、智能農業裝備和生物環境測控技術研究。E-mail：lizhiweitong@163.com。