新型溫室二氧化碳智能模糊測控系統(tǒng)

1、新型溫室二氧化碳智能模糊測控系統(tǒng)摘要：采用二氧化碳?xì)怏w傳感器，利用模糊控制技術(shù)，設(shè)計了一種新型溫室二氧化碳濃度測控系統(tǒng)。給出了模糊控制結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇,控制規(guī)則的設(shè)計要點,并用相關(guān)的邏輯構(gòu)建了二氧化碳濃度模糊控制器。為了增強系統(tǒng)的通用性和使用靈活性，硬、軟件均采用了模塊化結(jié)構(gòu)。時間表明,新型二氧化碳智能模糊測控系統(tǒng)運行穩(wěn)定、響應(yīng)速度快，具有廣泛的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：溫室；二氧化碳；智能模糊；測控；0 引言現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要一環(huán)就是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的一些重要參數(shù)進行檢測和控制。研制農(nóng)用環(huán)境參數(shù)系統(tǒng)產(chǎn)品具有實際意義，其中二氧化碳測系統(tǒng)是系列產(chǎn)品之一，可廣泛地應(yīng)用于諸如溫室大棚、蔬菜儲藏以及其它農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

2、和科研領(lǐng)域。Fig.1 Agricultural greenhouse carbon dioxide measurement and control system hardware architecture1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及原理系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。部分測控采用從機模塊化結(jié)構(gòu)【1】，根據(jù)應(yīng)用場合不同、測控點不同而選用不同的配置。1.1 二氧化碳濃度測量二氧化碳傳感器采用NDIR技術(shù)的美國telaire公司產(chǎn)6004傳感器，此傳感器基于氣體對紅外光吸收的郎伯-比爾吸收定律。圖2為NDIR紅外氣體分析原理圖。分析CO2氣體時，紅外光源發(fā)射出120的紅外光，通過一定長度的氣室吸收后，經(jīng)過一個4

3、.26波長的窄帶濾光片后，由紅外傳感器監(jiān)測透過4.26波長紅外光的強度，以此表示CO2氣體的濃度。CO2濃度設(shè)計測量范圍為02×10-3mol/ mol1。傳感器將CO2濃度信號經(jīng)過測控系統(tǒng)，并經(jīng)數(shù)字濾波、線性插值及溫度補償?shù)溶浖幚砗?，輸出UART協(xié)議氣體濃度數(shù)字信號，直接輸入單片機。1.2 溫濕度輔助測量要給溫室補二氧化碳，單純采用氣體發(fā)生器成本較高，而考慮在室外溫度合適時采用室內(nèi)外空氣循環(huán)方式，這樣還可以調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣濕度。因此二氧化碳智能測控系統(tǒng)還需要室內(nèi)濕度和室內(nèi)外溫度測量。Fig.2 NDIR schematic diagram of infrared gas analys

4、is溫濕度測量選用基于CMOSens技術(shù)的新型智能溫濕度傳感器SHT112，SHT11將溫濕度傳感器、信號放大調(diào)理、AD轉(zhuǎn)換、I2C總線接口全部集成于一芯片（CMOSensTM技術(shù)）；全量程標(biāo)定，二線數(shù)字輸出；濕度測量范圍為0100%RH，溫度測量范圍為-40+123.8，濕度測量精度為±3.0%RH，溫度測量精度為±0.4，響應(yīng)時間<4s。如圖1所示，室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)直接通過串口讀入主單片機，室外溫濕度數(shù)據(jù)用采用單獨溫濕度測量模塊，數(shù)據(jù)由STC12C5608單片機讀入，再通過RS485串行總線上傳數(shù)據(jù)到主單片機，這樣既可以保證數(shù)據(jù)的可靠性，也方便了室外溫度傳感器的安裝

5、。1.3 主單片機系統(tǒng)以宏晶公司的STC12C5A32S2型單片機為核心構(gòu)成的主測控系統(tǒng)由單片機、傳感器、鍵盤、LCD顯示、打印、RS485總線接口電路等構(gòu)成。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)鍵盤設(shè)定參數(shù)，完成二氧化碳濃度的采集、模糊運算處理、顯示及向各輸出控制模塊控制指令的輸出等功能。Fig.3 Schematic diagram of carbon dioxide concentration fuzzy control systemSTC12C5A32S2型單片機，有兩路通用全雙工異步串行口(UART)，其中一路用于二氧化碳傳感器和溫濕度傳感器串口數(shù)據(jù)讀入，一路加上MAX-485芯片構(gòu)成遠(yuǎn)距離串

6、行通信；有8路10位ADC，可簡化外部硬件，便于系統(tǒng)功能擴展；有上電復(fù)位電路和看門狗，可以大大降低最簡系統(tǒng)成本和體積。1.4 輸出控制模塊本系統(tǒng)要控制的對象有二氧化碳?xì)庠撮_關(guān)、排風(fēng)扇電機等，一般和測控系統(tǒng)主機不在溫室同一位置，因此主機系統(tǒng)本身沒有輸出控制電路，輸出控制均通過從機模塊來實現(xiàn)。輸出控制模塊以STC12C5608AD單片機為核心構(gòu)成，通過MAX485構(gòu)成的通訊電路完成數(shù)據(jù)上傳或下傳，同時根據(jù)接受的下傳參數(shù)完成二氧化碳?xì)庠吹拈_關(guān)控制或設(shè)施通風(fēng)控制。2 模糊控制設(shè)計溫室系統(tǒng)本身是一個受眾多自然因素制約的非線性系統(tǒng)，難以用精確的數(shù)學(xué)模型來描述。而模糊自動控制從本質(zhì)上來說是一種非線性智能控制

7、技術(shù)，它無須知道被控對象的精確數(shù)學(xué)模型,而是根據(jù)經(jīng)驗控制行為，遵循反饋及反饋控制思想，總結(jié)成一系列控制規(guī)則，并運用軟件程序加以實現(xiàn)。因此采用模糊控制技術(shù)可以較好地實現(xiàn)溫室環(huán)境的靈活調(diào)節(jié)并達到降低能耗的目的。對于二氧化碳濃度采取單向控制，既只增加不降低，取大氣環(huán)境濃度為最低。另外，根據(jù)溫室環(huán)境的時延大的特點，確定一個合理的控制步長，并以此為周期，給出一組控制指令。這樣，既保證了控制作用的有效性，也避免了執(zhí)行機構(gòu)頻繁動作造成的能源等的浪費。2.1模糊控制基本結(jié)構(gòu)模糊控制的基本原理如圖3所示3,4，模糊控制技術(shù)的核心是模糊控制器，yr為系統(tǒng)設(shè)定值,y為系統(tǒng)輸出值，溫室實際二氧化碳濃度yi與設(shè)定值yr

8、之差e及其變化率ec作為輸入變量，則有 （1） （2）以即其中，k采樣周期；k次采樣值與設(shè)定值yr的差值；k次差值與k-1次差值的變化值；以二氧化碳發(fā)生器控制閥開度或通風(fēng)機風(fēng)速作為輸出變量u，經(jīng)過模糊控制器對輸入信息e和ec分別量化模糊成模糊量,再由e、ec和模糊控制規(guī)則R根據(jù)推理合成規(guī)則進行模糊決策和模糊推理，得到模糊控制量，最后將該模糊控制量解模糊成精確量，從而得到控制量，施加于被控對象二氧化碳發(fā)生器控制閥及通風(fēng)機變頻器，實現(xiàn)閥門開閉或風(fēng)機風(fēng)量大小的平滑切換。2.2模糊控制參數(shù)設(shè)計要進行模糊控制就必須對輸入變量進行模糊化處理，對輸出變量進行非模糊化處理。系統(tǒng)將二氧化碳濃度偏差及其變化率作為

9、模糊控制的兩個輸入變量，氣源或通風(fēng)電機控制器啟動時刻和時長作為輸出變量，各個變量取值如表1所示。Table1 Evaluating of the variable parametersParametersDomainquantization valuee-3%-13%06ec-3%7%-63Refilling time interval /s66006設(shè)偏差e量化值為-6,-5,-4,-3,-2,-1,0，輸出控制量u的量化值為0,1,2,3,4,5,6，變化率ec的量化值為10級-6,-5,-4,-3,-2,-1,0，1，2，3。模糊語言集分為七檔5，記為NB (負(fù)大)、NM(負(fù)中)、NS(

10、負(fù)小)、0(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)。根據(jù)文獻 的研究成果，二氧化碳濃度偏差的輸入模糊集隸屬度函數(shù)選用連續(xù)型高斯型函數(shù)，模糊推理采用Mamdani法6，結(jié)合實際操作經(jīng)驗，室內(nèi)外溫差較大時，用二氧化碳發(fā)生器控制，室內(nèi)外溫度相差不大時采用通風(fēng)方式?？偨Y(jié)出模糊控制器的控制規(guī)則如表2。當(dāng)偏差的變化也為負(fù)(NB、NM或NS)或等于零時，控制量應(yīng)盡快消除偏差，使控制量加大，故u應(yīng)取正大；而偏差的變化為正時，應(yīng)減小控制量的變化。Table 2 Fuzzy cont rol rule偏差E偏差變化ECPBPMPS0NSNMNBPBNMNBNBNBNM00PMNMNBNBNBNM00PSN

11、MNMNMNM0PSPS0NMNMNS0PSPMPM根據(jù)表2的控制規(guī)則,按以下公式進行模糊推理,得到一個模糊集合。 （3） （4）采用加權(quán)平均法進行非模糊運算，對每個模糊子集R進行清晰化，得出對應(yīng)于每組E、EC的U，并對計算值進行圓整優(yōu)化，從而得出模糊控制表(表3)。Table 3 List of fuzzy cont rol ruleOutput control time UDeviation E-6-5-4-3-2-10Deviation change EC-66665552-56655552-46555431-35544331-25443320-144332200433221013322

12、10023321000311110003 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)編制,主要分為4 大模塊：主程序控制模塊、初始化模塊、計算模塊和采集控制模塊。主程序控制模塊包括主監(jiān)控程序及鍵盤掃描子程序，顯示子程序和打印輸出子程序；初始化模塊包括參數(shù)設(shè)定子程序，數(shù)字鍵處理子程序和提示符顯示子程序；采控模塊包括數(shù)據(jù)采集中斷服務(wù)子程序和通訊中斷響應(yīng)子程序；計算模塊包括數(shù)據(jù)濾波子程序、數(shù)制轉(zhuǎn)換、插值子程序等。主程序流程圖如圖4所示。4 實驗結(jié)果將系統(tǒng)安裝在秦皇島地區(qū)面積為200m2，高為2.5m的溫室中，經(jīng)過冬春夏（2月8月）幾個季節(jié)的連續(xù)運行、監(jiān)測, 運行狀態(tài)表現(xiàn)良好。1）1到3月，冬季室外溫度低，二

13、氧化碳補充全部通過控制二氧化碳發(fā)生器完成，系統(tǒng)響應(yīng)迅速，控制閥持續(xù)導(dǎo)通時間不超過15s，濃度絕對誤差3%。2）4到5月，白天室外溫度較高，夜晚室外溫度較低，二氧化碳補充白天有時通過通風(fēng)換氣完成，二氧化碳?xì)怏w發(fā)生器工作時間減少，氣源成本減少很多，但室內(nèi)溫度稍有影響，濃度絕對誤差4%。3）6到8月，室外溫度高，二氧化碳補充幾乎都通過通風(fēng)換氣完成，二氧化碳?xì)怏w發(fā)生器幾乎不工作。系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度有所降低，通風(fēng)時間有時超過30s，濃度絕對誤差4%。由實際運行可以看出，用這種模糊控制器來控制二氧化碳濃度,響應(yīng)速度快,溫室內(nèi)溫度受影響較小,有利于作物的生長,降低了系統(tǒng)的能耗，更符合實際生產(chǎn)要求。5 結(jié)束語Fig

14、.4 Flow graph of main programme通過實際應(yīng)用和測定，農(nóng)業(yè)溫室二氧化碳測控系統(tǒng)具有以下特點：1)專為溫室和其他農(nóng)業(yè)場所設(shè)計，可監(jiān)測CO2，溫度，濕度，并控制CO2生成器以及溫濕度設(shè)備，白天/夜間不同工作模式控制CO2發(fā)生器的工作狀態(tài)。2)硬件電路模塊化設(shè)計，具有RS485通訊接口，根據(jù)需要可進行從機擴展，且數(shù)據(jù)信號可以進行遠(yuǎn)距離傳輸。3)采用模糊控制技術(shù)，使用模糊控制規(guī)則確定輸出，取得理想的控制效果。參 考 文 獻1 劉士光,馬繼偉.農(nóng)業(yè)設(shè)施測控系統(tǒng)的研制J.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2004,6.2422452 孟臣,李敏,李愛傳.I2C總線數(shù)字式溫濕度傳感器SHT11及其在單片機系統(tǒng)的應(yīng)用J.國外電子元器件,200