溫室大棚濕度智能檢測與控制系統(tǒng)設計

摘要：中國人均耕地面積遠和人均可利用水資源遠低于世界平均水平。農(nóng)業(yè)灌溉用水占據(jù)了全社會水資源的60%以上而有效利用率卻僅為40%。為了解決水資源和耕地面積不足與龐大的農(nóng)產(chǎn)品需求量之間的矛盾，本文設計了一種智能溫室大棚濕度檢測和控制系統(tǒng)。當溫室大棚內(nèi)的空氣濕度或土壤濕度與設定值發(fā)生偏離時，該系統(tǒng)通過OneNET云平臺遠程控制模式和PID自動控制模式兩種控制方式實現(xiàn)大棚濕度的精確控制。當環(huán)境參數(shù)超過設定閾值時，通過郵箱報警，提示管理員。利用迷你大棚進行模型化實驗結(jié)果證明：系統(tǒng)在自動控制模式下，空氣濕度誤差最大為2.86%RH，土壤濕度控制誤差最大為2.15%。遠程控制模式下，下發(fā)指令延遲至多為3秒。

關(guān)鍵詞：智能大棚;濕度控制;OneNET;PID自動控制

中圖分類號：TP273;S625.3?文獻標識碼：A?文章編號：1672-9129（2020）08-0060-02

引言：中國人口排名世界第一且國土面積排名世界第三，但人均耕地面積卻只有1.35畝，位于世界平均水平之下[1]。中國是一個干旱缺水的國家，中國的總淡水資源位于世界第四，但是人均水資源卻只有2300立方米，僅僅為世界平均水平的四分之一。農(nóng)業(yè)灌溉用水占據(jù)了全社會水資源的60%以上而有效利用率卻僅為40%[2]。

目前國外的大棚環(huán)境監(jiān)測和控制技術(shù)比較成熟，功能多樣且適用于各種場合。現(xiàn)如今，云技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，國外大棚系統(tǒng)已經(jīng)向著智能化的方向發(fā)展[3]。而中國雖然已經(jīng)研發(fā)出許多智能溫室大棚系統(tǒng)，但是受到成本的約束，商品化程度低，大多數(shù)應用在軍隊，農(nóng)業(yè)公司，科研單位等機關(guān)團體，個體農(nóng)戶一般不予采用[4]。普通農(nóng)戶之間較多采用傳統(tǒng)的塑料大棚和節(jié)能日光溫室，但是大多數(shù)溫室的設備結(jié)構(gòu)簡陋，無法做到對農(nóng)作物環(huán)境的有效地檢測與調(diào)控[5]。

本文針對上述問題，以空氣和土壤濕度為主要控制對象，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和自動控制技術(shù)開發(fā)一款物聯(lián)網(wǎng)智能大棚濕度監(jiān)測和控制系統(tǒng)。旨在推動中國農(nóng)業(yè)的發(fā)展，改善中國人均灌溉資源短缺和與龐大的農(nóng)產(chǎn)品需求量之間的矛盾。

1?系統(tǒng)架構(gòu)設計

系統(tǒng)構(gòu)架由四部分組成，由下到上分別為：感知層，傳輸層，平臺層和應用層。其中感知層是底層實際硬件設備，由STM32芯片和與STM32芯片相連的控制器、傳感器、顯示器等外圍電路組成，用于處理數(shù)據(jù)、檢測并控制環(huán)境參數(shù)。傳輸層分為兩部分：Wi-fi傳輸層和API傳輸層，Wi-Fi傳輸層作用是將感知層接入平臺層，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸;API傳輸層是將平臺層與應用層相連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。平臺層是OneNET云平臺，其作用是處理并儲存上傳的數(shù)據(jù)，下發(fā)指令，管理產(chǎn)品、設備和應用。應用層是基于OneNET云平臺開發(fā)的APP用戶界面和Web端用戶界面以及郵箱報警應用。

2?系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)利用DHT11溫濕度傳感器檢測大棚內(nèi)空氣濕度參數(shù)，土壤濕度探頭FC-28檢測土壤濕度參數(shù)，STM32F103ZET6主控芯片將采集到的數(shù)據(jù)進行處理后利用ATK-ESP8266 Wi-Fi模塊將數(shù)據(jù)上傳至OneNET云平臺，同時TFT-LCD顯示屏實時顯示采集到的濕度參數(shù)。當大棚內(nèi)濕度與設定值發(fā)生偏離時，系統(tǒng)通過云端遠程控制模式和PID自動控制模式兩種控制方式實現(xiàn)大棚濕度的精確控制。當濕度參數(shù)超過設定閾值后，OneNET云平臺會通過郵件報警的方式提醒管理員。

3?系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計分為OneNET云平臺遠程控制軟件設計和PID自動控制軟件設計。

3.1 OneNET云平臺遠程控制軟件設計。OneNET云平臺遠程控制主要分為兩大步驟：1.將單片機接入OneNET云平臺。2.進入OneNET云平臺遠程控制模式，執(zhí)行物聯(lián)網(wǎng)遠程控制循環(huán)程序。

本次設計采用ESP8266 Wi-Fi模塊實現(xiàn)單片機與OneNET云平臺的通信。Wi-Fi通信程序主要分為3個部分：1.建立相應的產(chǎn)品和設備，并且在設備下建立相應的數(shù)據(jù)流，獲取產(chǎn)品API-KEY、設備ID、和相應設備下的數(shù)據(jù)流名稱。2.將ESP8266 Wi-Fi模塊設置成STA模式中的TCP客戶端模式，實現(xiàn)串口與OneNET服務器之間無線數(shù)據(jù)傳輸。3.根據(jù)HTTP協(xié)議和OneNET平臺固定的Api函數(shù)，將數(shù)據(jù)以固定格式打包上傳，確認OneNET云平臺是否返回的報文數(shù)據(jù)，以驗證接入是否成功。

當系統(tǒng)接入OneNET云平臺后，按鍵選擇物聯(lián)網(wǎng)遠程控制模式，就會進入物聯(lián)網(wǎng)遠程控制循環(huán)。該循環(huán)由以下幾個部分組成：1.采集大棚內(nèi)環(huán)境溫濕度和土壤濕度數(shù)據(jù)，并顯示在LCD屏幕上。2.向OneNET云平臺發(fā)送POST和GET報文，上傳環(huán)境參數(shù)并獲取虛擬設備的控制信息。

3.2 PID自動控制軟件設計。本次設計需要控制大棚內(nèi)濕度環(huán)境參數(shù)，該控制對象具有較大的慣性環(huán)節(jié)，需要記錄每一個采樣時刻的誤差。且單片機具有記憶功能，因此本次設計采用位置式PID算法進行控制大棚內(nèi)濕度環(huán)境參數(shù)。其表達式可由（4-1）所示：

u（k）=Kpe（k）+TTi∑kj=0e（j）+Tde（k）-e（k-1）T（4-1）

其中為Kp比例系數(shù);是Ki積分系數(shù);Kd為微分系數(shù);k為采樣序號，k=1，2，3...;u（k）為第k次采樣時刻的控制器輸出;e（k）為第k此采樣時刻輸入的偏差值;e（k-1）為第k-1次采樣時刻輸入的偏差值。由上述公式可得其輸出量與過去的每一個狀態(tài)有關(guān)，需要將偏差進行累加，帶有記憶功能。因此該算法較為穩(wěn)定，不易受外界干擾。

當系統(tǒng)初始化完成后，按鍵選擇物聯(lián)網(wǎng)遠程控制模式，就會進入物聯(lián)網(wǎng)遠程控制循環(huán)。該循環(huán)由以下幾個部分組成：1.采集大棚內(nèi)環(huán)境溫濕度和土壤濕度數(shù)據(jù)，并顯示在LCD屏幕上。2.向OneNET云平臺發(fā)送POST，上傳環(huán)境參數(shù)。3.按鍵掃描程序，包括空氣濕度的設定值、土壤濕度的設定值、空氣濕度PID控制的Kp、Ki、Kd參數(shù)大小和使能鍵、土壤濕度PID控制的Kp、Ki、Kd參數(shù)大小和使能鍵。4.根據(jù)設定好的PID參數(shù)值和系統(tǒng)偏差計算PID的輸出值。5.利用輸出值進行相應控制。具體流程款圖如圖3-1所示。

4?實驗結(jié)果

4.1 OneNET遠程控制模式實驗結(jié)果。當實際設備連接上OneNET云平臺并選擇了OneNET遠程控制模式后，打開手機APP端或者網(wǎng)頁端，便可以產(chǎn)品設備上看到上傳的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)流。打開“應用”，可以看到三個儀表盤，用來實時顯示上傳環(huán)境參數(shù);三個折線圖可以記錄過去和現(xiàn)在的環(huán)境參數(shù)值;以及三個控制器開關(guān)和一個模式選擇使能鍵。其中小水泵和小風扇是旋鈕，可以提供0-100%的轉(zhuǎn)速選擇，加濕器是開關(guān)。當按下模式選擇后，便會轉(zhuǎn)移到PID控制模式。

若環(huán)境參數(shù)值超過觸發(fā)器所設定的閾值后便會以郵箱的方式，將觸發(fā)器信息、觸發(fā)時間、觸發(fā)設備ID、觸發(fā)設備名、觸發(fā)數(shù)據(jù)流名稱、觸發(fā)值和閾值等關(guān)鍵發(fā)送給用戶。

4.2 PID自動控制模式實驗結(jié)果。空氣濕度PID控制總共進行了3組共12次實驗，分別將空氣濕度控制在60%RH、65%RH和70%RH附近。由于空氣濕度具有一定量的滯后性，且實驗所用控制器功率小，控制不易。所以PID參數(shù)中Ki參數(shù)不可過大。實驗所用PID參數(shù)屏幕數(shù)值為：Kp=50、Ki=10、Kd=10。屏幕所示的PID參數(shù)值是為了顯示方便而進行了實際數(shù)值的放大，實際上的PID參數(shù)為Kp=5、Ki=0.005、Kd=0.1。

在實驗之前，需要利用Matlab中的Simulink進行仿真實驗。本次實驗所用的是位置型PID控制算法，是一種離散型控制方式，因此需要將時域信號表達式3-6變換為復頻域表達式（5-1），即Z變換。

由于控制對象具有慣性且以慣性環(huán)節(jié)為主導，所以仿真將一節(jié)慣性環(huán)節(jié)作為控制對象，階躍響應作為初始偏差，以模仿實際控制的情況。PID的控制時間T設為100s，采樣時間t設為0.01ms，控制量為10%RH。設定 Kp=5、Ki=0.005、Kd=0.1。從實驗數(shù)據(jù)來看，空氣濕度PID控制的效果良好，實際濕度和設定濕度值最多相差1-2%RH，誤差值也不會超過3%。

土壤濕度PID控制總共進行了2組共8次實際實驗，分別將土壤濕度控制在2000和2050（ADC轉(zhuǎn)換值）附近。由于土壤濕度滯后性較大，需要等待水分浸入土壤，實驗所用的控制器非滴灌裝置，所以PID計算和控制器工作會等待有一個等待水分浸入的延遲時間。實驗所用PID參數(shù)屏幕數(shù)值為：Kp=120、Ki=10、Kd=20。屏幕所示的PID參數(shù)值是為了顯示方便而進行了實際數(shù)值的放大，實際上的PID參數(shù)為Kp=0.12、Ki=0.0001、Kd=0.002。

經(jīng)過實際實驗后的結(jié)果分析得到：土壤PID自動控制實驗結(jié)果良好，土壤濕度PID控制誤差至多達到2.15%。

5?總結(jié)

本系統(tǒng)運用了Wi-fi模塊接入OneNET云平臺，可以利用物聯(lián)網(wǎng)進行環(huán)境濕度的檢測與控制。使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無線化，改善網(wǎng)絡布線困難的情況。利用OneNET云平臺自帶的用戶編輯界面設計了清晰、美觀的APP和Web端用戶界面，使用戶擁有方便、直觀的使用界面。利用輕量級HTTP協(xié)議進行通信，占用資源少，功耗低。利用OneNET觸發(fā)器報警功能，可以使系統(tǒng)在受到強烈的外界影響或內(nèi)部紊亂的情況下，及時向用戶發(fā)出報警郵件，防止出現(xiàn)不必要的損失。

本系統(tǒng)在實際終端利用TFT-LCD屏幕作為實際用戶界面，用戶可以在該界面上初始化系統(tǒng)、選擇控制功能、設定自動控制模式PID參數(shù)值和環(huán)境濕度設定值。

本系統(tǒng)利用迷你大棚進行模型化實驗，以此降低開發(fā)成本和難度;并將迷你大棚盡量模擬為實際情況，以達到接近實際大棚實驗的效果。首先利用Matlab中的Simulink模塊進行PID仿真，以選取合適范圍內(nèi)的PID參數(shù)值;之后將參數(shù)輸入，實際進行PID控制。實驗結(jié)果證明：空氣濕度PID控制誤差為1-2%RH，土壤濕度PID控制最大誤差為2.15%。

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作者簡介：陳祿祿（1998-），男，漢，浙江金華，工科學士，職稱：無，研究方向：測控技術(shù)與儀器。