基于模糊PID控制的NB-IoT果蔬農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計與試驗.pdf

1 6 2 中國農機化學報2 0 2 3年 D O I 1 0 1 3 7 3 3 j j c a m i s s n 2 0 9 5 5 5 5 3 2 0 2 3 0 1 0 2 3 基于模糊PID控制的NB IoT果蔬農業(yè) 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計與試驗 李洪兵 羅洋 張穎 王雨凝 歐俊 崔浩 重慶三峽學院 重慶市 4 0 4 1 2 0 摘要 針對傳統(tǒng)果蔬農業(yè)大棚環(huán)境數(shù)據(jù)感知不強 現(xiàn)場維護工作量大 無線覆蓋區(qū)域受限 生產管理效率低 成本高的問題 提出一套基于模糊P I D控制的N B I o T果蔬農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計 以S T M 3 2 L 4 7 5 V E T 6超低功耗芯片為主控芯片 通過 N B I o T和Z i g B e e雙協(xié)議融合組網(wǎng)技術和環(huán)形緩沖隊列算法組建廣域無線網(wǎng)絡 設計現(xiàn)場監(jiān)測終端與遠程云監(jiān)控平臺 將 局域終端節(jié)點采集的環(huán)境因子信息接入云服務器進行統(tǒng)計與分析 系統(tǒng)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)自動調控反饋控制設備 達到低 功耗模式下的廣域覆蓋監(jiān)測并智能反饋調控果蔬大棚環(huán)境因子的目的 實現(xiàn)感知層 網(wǎng)絡層到平臺層和應用層一套完整的 果蔬大棚物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計 將模糊P I D控制算法應用于溫棚環(huán)境調節(jié)的仿真測試表明 系統(tǒng)平均丟包率為0 0 8 8 空氣溫 濕度 土壤溫濕度 二氧化碳濃度等環(huán)境因子參數(shù)平均相對誤差保持在0 5 以內 N B I o T休眠功耗小于9 A 能實現(xiàn)智能反 饋控制并保證系統(tǒng)多節(jié)點部署 多參數(shù)檢測 低功耗工作 廣覆蓋通信的條件 使系統(tǒng)具有更高的復雜環(huán)境適應性和穩(wěn)定性 關鍵詞 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) 模糊P I D控制 N B I o T Z i g B e e 智能控制 中圖分類號 S 2 4 文獻標識碼 A 文章編號 2 0 9 5 5 5 5 3 2 0 2 3 0 1 0 1 6 2 1 0 李洪兵 羅洋 張穎 王雨凝 歐俊 崔浩 基于模糊P I D控制的N B I o T果蔬農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計與試驗 J 中國農機 化學報 2 0 2 3 4 4 1 1 6 2 1 7 1 L i H o n g b i n g L u o Y a n g Z h a n g Y i n g W a n g Y u n i n g O u J u n C u i H a o D e s i g n a n d t e s t o f N B I o T s y s t e m o f f r u i t v e g e t a b l e a g r i c u l t u r e b a s e d o n f u z z y P I D c o n t r o l J J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n 2 0 2 3 4 4 1 1 6 2 1 7 1 收稿日期 2 0 2 1年8月1 1日 修回日期 2 0 2 1年1 0月1 3日 基金項目 重慶市自然科學基金項目 2 0 2 2 N S C Q M S X 4 0 8 4 重慶市教委科學技術研究項目 K J Z D M 2 0 2 2 0 1 2 0 4 K J Q N 2 0 2 1 0 1 2 3 3 K J Q N 2 0 2 0 0 1 2 2 9 重慶市人工智能 智慧農業(yè)學科群開放基金 Z N N Y K F B 2 0 1 9 0 1 重慶市三峽庫區(qū)地質環(huán)境監(jiān)測與災害預警重點實驗室開放基 金 M P 2 0 2 0 B 0 2 0 2 重慶萬州區(qū)科學技術局科技創(chuàng)新智慧農業(yè)項目 2 0 2 2年度 第一作者 李洪兵 男 1 9 8 1年生 重慶萬州人 博士 教授 碩導 研究方向為智能信息處理 無線傳感器網(wǎng)絡故障診斷等 E m a i l s x x y l h b 1 6 3 c o m DesignandtestofNB IoTsystemoffruit vegetableagriculturebasedonfuzzyPIDcontrol LiHongbing LuoYang ZhangYing WangYuning OuJun CuiHao ChongqingThreeGorgesUniversity Chongqing 4 0 4 1 2 0 China Abstract I n o r d e r t o s o l v e t h e i s s u e s o f w e a k e n v i r o n m e n t a l d a t a p e r c e p t i o n l a r g e w o r k l o a d o f f i e l d m a i n t e n a n c e l i m i t e d w i r e l e s s c o v e r a g e a r e a l o w e f f i c i e n c y a n d h i g h c o s t o f p r o d u c t i o n m a n a g e m e n t d e s i g n a n d t e s t o f N B I o T s y s t e m f o r f r u i t v e g e t a b l e a g r i c u l t u r e b a s e d o n f u z z y P I D c o n t r o l w a s p r e s e n t e d S T M 3 2 L 4 7 5 V E T 6 u l t r a l o w p o w e r c h i p w a s u s e d a s t h e m a i n c o n t r o l c h i p W i d e a r e a w i r e l e s s n e t w o r k w a s e s t a b l i s h e d b y N B I o T a n d Z i g B e e d u a l p r o t o c o l f u s i o n n e t w o r k i n g t e c h n o l o g y a n d t h e a l g o r i t h m o f r i n g b u f f e r q u e u e M o n i t o r i n g t e r m i n a l e q u i p m e n t a n d r e m o t e c l o u d m o n i t o r i n g p l a t f o r m w e r e d e s i g n e d E n v i r o n m e n t a l f a c t o r i n f o r m a t i o n c o l l e c t e d b y l o c a l t e r m i n a l n o d e s w a s c o n n e c t e d t o t h e c l o u d s e r v e r f o r s t a t i s t i c s a n d a n a l y s i s T h e s y s t e m a u t o m a t i c a l l y a d j u s t e d a n d c o n t r o l l e d t h e f e e d b a c k c o n t r o l e q u i p m e n t a c c o r d i n g t o t h e c o l l e c t e d d a t a B y t h i s i t a i m e d t o a c h i e v e t h e p u r p o s e o f w i d e a r e a c o v e r a g e m o n i t o r i n g a n d i n t e l l i g e n t f e e d b a c k r e g u l a t i o n o f e n v i r o n m e n t a l f a c t o r s i n l o w p o w e r c o n s u m p t i o n m o d e I t r e a l i z e d a c o m p l e t e s e t o f I o T s y s t e m d e s i g n o f f r u i t a n d v e g e t a b l e g r e e n h o u s e s f r o m p e r c e p t i o n l a y e r n e t w o r k l a y e r t o p l a t f o r m l a y e r a n d a p p l i c a t i o n l a y e r S i m u l a t i o n t e s t w a s c a r r i e d o u t b y a p p l y i n g f u z z y P I D c o n t r o l a l g o r i t h m i n t o g r e e n h o u s e e n v i r o n m e n t r e g u l a t i o n A v e r a g e p a c k e t l o s s r a t e o f t h e s y s t e m w a s 0 0 8 8 a v e r a g e r e l a t i v e e r r o r o f e n v i r o n m e n t a l f a c t o r s s u c h a s t e m p e r a t u r e a n d h u m i d i t y o f a i r a n d s o i l c a r b o n d i o x i d e c o n c e n t r a t i o n w e r e k e p t w i t h i n 0 5 S l e e p p o w e r c o n s u m p t i o n o f N B I o T w a s l e s s t h a n 9 A I t r e a l i z e d 第4 4卷 第1期 2 0 2 3年1月 中國農機化學報 J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n V o l 4 4 N o 1 J a n 2 0 2 3 第1期李洪兵等 基于模糊P I D控制的N B I o T果蔬農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計與試驗1 6 3 i n t e l l i g e n t f e e d b a c k c o n t r o l a n d g u a r a n t e e d p e r f o r m a n c e a n d c o n d i t i o n s o f m u l t i n o d e d e p l o y m e n t m u l t i p a r a m e t e r d e t e c t i o n l o w p o w e r c o n s u m p t i o n a n d w i d e c o v e r a g e o f c o m m u n i c a t i o n T h i s m a d e t h e s y s t e m w i t h h i g h e r a d a p t a b i l i t y a n d s t a b i l i t y i n c o m p l e x e n v i r o n m e n t Keywords I o T s y s t e m f u z z y P I D c o n t r o l N B I o T Z i g B e e i n t e l l i g e n t c o n t r o l 0 引言 果蔬大棚種植中環(huán)境因子對果蔬生長狀況及其產 量起著至關重要的作用 1 精準的監(jiān)測并調控大棚中 環(huán)境參數(shù)是現(xiàn)代果蔬業(yè)技術發(fā)展的關鍵 是果蔬品安 全生產的保障 2 為進一步提高果蔬生產水平 降低 人工管理成本 保障作物生長安全 智能果蔬大棚環(huán)境 監(jiān)控系統(tǒng)已成為當前現(xiàn)代農業(yè)研究和應用熱點之 一 3 果蔬大棚種植環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)有著較大的應用場 景需求 4 國內外果蔬農業(yè)智能化發(fā)展較快 智能信息處理 與自動控制技術逐步引入其中 5 6 國外大棚測控系 統(tǒng)目前發(fā)展比較成熟 自動化程度高 7 1 0 但設備系統(tǒng) 龐大 直接引進成本高 國內近年來有人提出了諸多 解決方案 王凡等 1 1 雖然實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集 但使用開 源套件存在使用方式固化 數(shù)據(jù)監(jiān)測種類單一的缺點 朱均超等 1 2 采用B o o t d t r a p和E C h a r t s等技術 提供 響應式布局可視化網(wǎng)頁操作界面 但缺乏反饋控制系 統(tǒng) 王永振等 1 3 采用了W i F i B l u e t o o t h G P R S Z i g B e e L o R a等協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸 雖然實現(xiàn)了無線 通信 但W i F i B l u e t o o t h通信距離太短 單一Z i g B e e 僅能實現(xiàn)局域組網(wǎng)通信 G P R S能實現(xiàn)廣域組網(wǎng)通信 但功耗過高 不適用于郊外果蔬種植大棚 L o R a能在 低功耗的情況下實現(xiàn)長距離通信 但需獨立建網(wǎng) 屬于 無執(zhí)照波段的高風險局域網(wǎng)物聯(lián)技術 1 4 1 7 隨著農業(yè)物聯(lián)網(wǎng) 無線傳感網(wǎng)絡 W i r e l e s s S e n s o r N e t w o r k W S N 等技術的日趨成熟 智能農業(yè)水平大 幅提高 4 高新技術與果蔬農業(yè)相結合的發(fā)展趨勢也 日益明顯 5 6 窄帶物聯(lián)網(wǎng) N a r r o w B a n d I n t e r n e t o f T h i n g s N B I o T 是構建于蜂窩網(wǎng)絡的一種新興I o T 通信技術 具有深覆蓋 低功耗 大連接 低成本等特 點 在物聯(lián)網(wǎng)無線通信應用領域取得顯著成效 因此 針對當前農業(yè)果蔬大棚環(huán)境數(shù)據(jù)感知不強 現(xiàn)場維護 工作量大 無線覆蓋區(qū)域受限 生產管理效率低 成本 高等問題 本文開展了一種基于模糊P I D控制的 N B I o T果蔬農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的研制與試驗 1 系統(tǒng)總體架構 設計基于模糊P I D控制的N B I o T果蔬農業(yè)物 聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) 主要實現(xiàn)五大方面的功能 1 實現(xiàn)對果園 種植環(huán)境空氣與土壤等參數(shù)的采集 2 實現(xiàn)采集環(huán)境 數(shù)據(jù)的無線傳輸 3 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析與人工智能 處理 4 實現(xiàn)由于環(huán)境參數(shù)異常而觸發(fā)的自動反饋調 節(jié)系統(tǒng) 5 基于模糊P I D控制的N B I o T果蔬農業(yè) 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)仿真 系統(tǒng)架構按照物聯(lián)網(wǎng)分層模型設計為設備層 網(wǎng) 絡層 平臺層和應用層 設備層主要包含前端節(jié)點與 自動控制系統(tǒng) 節(jié)點內置多種傳感器 實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域 空氣和土壤環(huán)境參數(shù)的檢測 網(wǎng)絡層主要包含Z i g B e e 局域自組網(wǎng)通信與N B I o T遠程蜂窩網(wǎng)絡通信 在保 證局域組網(wǎng)通信穩(wěn)定的基礎上將采集到的數(shù)據(jù)通過 N B I o T傳送至云服務端 平臺層為采用B S架構 的N B I o T物聯(lián)網(wǎng)云平臺 底層設備通過T C P I P U D P網(wǎng)絡通信協(xié)議直接接入云服務平臺 云服務端對 數(shù)據(jù)進行分析與處理 應用層通過H T M L和A P P給 予用戶操作界面 用戶可通過網(wǎng)頁或者A P P實時遠程 查看數(shù)據(jù) 對數(shù)據(jù)量設置閾值 系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理后實 現(xiàn)預警與智能反饋調節(jié)作用 系統(tǒng)總體架構如圖1 所示 圖1 系統(tǒng)總體架構 F i g 1 O v e r a l l s y s t e m a r c h i t e c t u r e 2 系統(tǒng)硬件設計 系統(tǒng)硬件以S T M 3 2 L 4 7 5 Z E T 6低功耗芯片為核 1 6 4 中國農機化學報2 0 2 3年 心 主要由傳感器檢測模塊 Z i g B e e無線傳感模塊 N B I o T無線蜂窩網(wǎng)絡模塊 攝像頭模塊 顯示模塊 和環(huán)境調控模塊構成 系統(tǒng)整體硬件模塊設計如圖2 所示 圖2 系統(tǒng)整體硬件模塊設計 F i g 2 O v e r a l l h a r d w a r e m o d u l e d e s i g n o f t h e s y s t e m 2 1 傳感器檢測模塊 傳感器檢測模塊主要包含微處理器 電源模塊和 空氣溫濕度傳感器 二氧化碳傳感器 光照強度傳感 器 海拔高度傳感器 雨滴傳感器 風速傳感器 土壤溫 濕度傳感器 氮磷鉀傳感器等傳感器 通過各傳感器 對前端節(jié)點環(huán)境參數(shù)的檢測 可為作物生長模型分析 和精準調控提供依據(jù) 系統(tǒng)主要檢測空氣溫濕度 二 氧化碳濃度 光照強度 土壤溫濕度 土壤氮磷鉀含量 等1 0個環(huán)境因子 系統(tǒng)前端節(jié)點傳感器檢測設計如 表1所示 2 2 ZigBee無線傳感模塊 Z i g B e e節(jié)點電路設計如圖3所示 表1 前端節(jié)點傳感器檢測設計 T a b 1 D e s i g n o f s e n s o r d e t e c t i o n f o r f r o n t d e s t i n a t i o n n o d e 環(huán)境因子傳感器通信協(xié)議 空氣溫度D H T 1 1 O n e W i r e 空氣濕度D H T 1 1 O n e W i r e 二氧化碳濃度M H Z 1 9 B P W M U S A R T 光照強度B H 1 7 5 0 I I C 海拔高度M P L 3 1 1 5 A 2 I I C 降雨量S S M Y 0 0 2 A D C 風速V M S 3 0 0 0 F S J T M o d b u s R T U 土壤溫度D H T 2 2 O n e W i r e 土壤濕度D H T 2 2 O n e W i r e 土壤氮磷鉀含量J X B S 3 0 0 1 D L J R S 4 8 5 圖3 ZigBee節(jié)點電路設計 F i g 3 Z i g B e e n o d e c i r c u i t d e s i g n 第1期李洪兵等 基于模糊P I D控制的N B I o T果蔬農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計與試驗1 6 5 Z i g B e e通信模組選用E 1 8 M S 1 P C B模組 內 置C C 2 5 3 0芯片遵循I E E E 8 0 2 1 5 4標準 工作電壓為 1 8 3 6 V 載波頻率為2 4 2 4 8 G H z 發(fā)射功率為 4 d B m 標準通信距離為7 5 m 支持多跳拓展至數(shù)千 米以上 設計采用Z S t a c k協(xié)議 模組與M C U通過 串口連接 其中引腳U A R T 0 T X與S T M 3 2 P A 3口 U A R T 0 R X與S T M 3 2 P A 2口硬件連接 采用 U S A R T異步通信協(xié)議 2 3 NB IoT無線蜂窩網(wǎng)絡模塊 N B I o T通信電路設計如圖4所示 N B I o T無線 通信模塊采用U S R N B 7 0 0 B A模組 工作電壓為5 3 6 V I D L E功耗為1 2 m A 1 2 V S L E E P功耗小于9 m A 1 2 V 工作于H D F D D L T E B 5網(wǎng)絡標準頻段 圖4 NB IoT通信電路設計 F i g 4 N B I o T c o m m u n i c a t i o n c i r c u i t d e s i g n 設計采用R S 2 3 2總線將模組與M C U進行連接 其中引腳R S 2 3 2 T X與S T M 3 2 P C 5口 R S 2 3 2 R X 與S T M 3 2 P C 4口硬件連接 通信線串聯(lián)R 5與R 6電 阻 限制環(huán)路電流 抑制噪聲 使信號更穩(wěn)定 電源處 并聯(lián)C 4 C 8 C 9電容進行濾波處理 濾除高頻分量和 低頻干擾 提高電源負載驅動能力 2 4 環(huán)境調控模塊 環(huán)境調控模塊包括排風扇 二氧化碳發(fā)生器 溫度 控制器 補光燈 噴淋器 灌溉器 遮光罩等 均采用直 流2 4 V驅動 電源為L R S 3 3 0 2 4直流電源 交流 2 2 0 V轉換至直流2 4 V 1 4 6 A 調控設備與主控間 由多路高速開關繼電器進行連接 為防止驅動設備與主控間信號干擾以及電壓倒灌損 壞M C U 繼電器設計采用光耦隔離 提供驅動能力的同 時 保證系統(tǒng)穩(wěn)定性 環(huán)境調控模塊電路設計如圖5所示 2 5 主控模塊 主控芯片采用超低功耗高性能S T M 3 2 L 4 7 5 Z E T 6 該M C U采用3 2位帶D S P和浮點單元 F P U 的A R M C o r t e x M 4內核 工作于2 0 3 6 V電壓 頻率 為8 0 M H z 提供5 1 2 K B閃存 多內存以及多浮點運算 為系統(tǒng)數(shù)據(jù)初步處理提供強大算力 圖5 環(huán)境調控模塊電路設計 F i g 5 C i r c u i t d e s i g n o f e n v i r o n m e n t a l c o n t r o l m o d u l e 設計采用S D I O與Q u a d S P I用于外置存儲卡的 驅動連接 攝像頭與M C U連接采用F S M C接口 使用 內部基本電壓緩沖器與A D C通道進行外設模擬量數(shù)據(jù) 的讀取與轉換 系統(tǒng)設計2 0 0 V A C經變壓器轉出的5 V D C接入穩(wěn)壓芯片A M S 1 1 1 7輸入引腳 經穩(wěn)壓后輸出 模擬3 3 V D C 電源V C C 3 V 3與V C C 3 3 M之間采用 0歐電阻連接 進行電源濾波處理 將模擬電壓與數(shù)字電 壓隔離 使電路電壓更穩(wěn)定 減少信號之間的干擾 S T M 3 2 L 4 7 5 Z E T 6強大的硬件支持與超低功耗特 點滿足于系統(tǒng)應用需求 最小系統(tǒng)電路圖如圖6所示 圖6 STM32L475ZET6最小系統(tǒng)電路 F i g 6 M i n i m u m s y s t e m c i r c u i t o f S T M 3 2 L 4 7 5 Z E T 6 1 6 6 中國農機化學報2 0 2 3年 3 系統(tǒng)軟件設計 3 1 感知終端節(jié)點軟件設計 前端節(jié)點軟件設計流程如圖7所示 圖7 前端節(jié)點軟件設計流程 F i g 7 S o f t w a r e d e s i g n f l o w o f f r o n t d e s t i n a t i o n n o d e 終端節(jié)點方面采用K e i l M D K 5集成開發(fā)環(huán)境對 S T M 3 2 L 4 7 5 Z E T 6微處理器進行編程 通過S E G G E R J L i n k V 9仿真器與單片機下載接口相連接 程序編 寫完成后進行編譯 下載 仿真 并燒錄進M C U R O M 程序開發(fā)完成 具體實現(xiàn)的功能有獲取信號 數(shù)據(jù)處理 發(fā)送數(shù)據(jù) 接受命令等方面 數(shù)據(jù)采集過程 使用O n e W i r e P W M U S A R T I I C A D C M o d b u s R T U R S 4 8 5等多種通信方式 按照各傳感器規(guī)定的 協(xié)議進行通信得到原始數(shù)據(jù) 進一步進行協(xié)議解析 補 償 便得到系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù) 將各數(shù)據(jù)融合處理 做好 上傳準備 按照設定周期進行數(shù)據(jù)傳送 節(jié)點空閑時 間進入休眠狀態(tài) 可由云端指令喚醒 3 2 無線網(wǎng)絡傳輸軟件設計 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸采用Z i g B e e多節(jié)點無線傳感網(wǎng)絡通 信結合N B I o T蜂窩網(wǎng)絡進行無線傳輸 分別負責內部 局域和外部廣域網(wǎng)絡通信 前端節(jié)點采集數(shù)據(jù)后采用 通過Z i g B e e模組將數(shù)據(jù)傳送至控制中心M C U 經M C U 處理后的數(shù)據(jù)通過N B I o T蜂窩網(wǎng)絡模組進行入云操 作 數(shù)據(jù)傳送至云服務器 Z i g B e e與N B I o T相結合的 方式既保證了局域網(wǎng)內系統(tǒng)的穩(wěn)定運行 又實現(xiàn)了長距 離的數(shù)據(jù)通信 避免了傳統(tǒng)單一Z i g B e e B l u e L o R a等局 域網(wǎng)絡通信傳輸范圍有限 無法進行遠程通信 或G P R S 廣域網(wǎng)絡通信成本與功耗過高 且在偏遠山區(qū)容易出現(xiàn) 信號不穩(wěn)定造成信息滯后 丟失等問題 保證了信息傳 輸?shù)臏蚀_性和實時性 3 2 1 Z i g B e e無線傳感網(wǎng)絡軟件設計 Z i g B e e開發(fā)環(huán)境選用I A R I D E 軟件程序設計基 于Z S t a c k協(xié)議棧 采用M e s h拓撲 網(wǎng)狀拓撲 網(wǎng)絡 結構與組播網(wǎng)絡通信方式開發(fā) 包含一個協(xié)調器 C o o r d i n a t o r 一系列的路由器 R o u t e r 和終端 E n d D e v i c e 靈活的信息路由規(guī)則機制使得信息的通訊 更具效率 且一旦某個路由路徑出現(xiàn)問題 信息可以自 動沿著其他路由路徑進行傳輸 此路由探索特性使系 統(tǒng)網(wǎng)絡具有強大的功能 在實現(xiàn) 多跳級 方式通信的 同時 具備網(wǎng)絡自組織和自愈功能 使之系統(tǒng)網(wǎng)絡更加 穩(wěn)定 Z i g B e e網(wǎng)狀拓撲結構如圖8所示 圖8 ZigBee網(wǎng)狀拓撲結構 F i g 8 Z i g B e e m e s h t o p o l o g y 系統(tǒng)工作初始 C o o r d i n a t o r進行網(wǎng)絡環(huán)境建立 首先選擇一條信道和網(wǎng)絡標識 P A N I D 并將 0 x 0 0 0 0作為自己的網(wǎng)絡地址 等待R o u t e r和E n d D e v i c e加入網(wǎng)絡 父設備利用分布式分配機制對新入 網(wǎng)設備進行1 6位網(wǎng)絡地址 1 6 b i t I E E E a d d r e s s 分 配 確定唯一網(wǎng)絡地址后 設備間進行網(wǎng)絡I D綁定 然后C o o r d i n a t o r進行信號組播 R o u t e r路由進行數(shù) 據(jù)轉發(fā) E n d D e v i c e接收信號執(zhí)行命令 組網(wǎng)完成 Z i g B e e C o o r d i n a t o r程序流程如圖9所示 圖9 Co ordinator程序流程 F i g 9 C o o r d i n a t o r p r o g r a m f l o w 第1期李洪兵等 基于模糊P I D控制的N B I o T果蔬農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計與試驗1 6 7 系統(tǒng)運行期間 E n d D e v i c e接收外部數(shù)據(jù) 經處理 后將傳至上級R o u t e r 各級R o u t e r將收到的數(shù)據(jù)轉發(fā) 至C o o r d i n a t o r 各區(qū)域C o o r d i n a t o r將數(shù)據(jù)傳送至主 控M C U進行數(shù)據(jù)匯總處理 Z i g B e e E n d D e v i c e程序 流程如圖1 0所示 圖10 End Device程序流程 F i g 1 0 E n d D e v i c e p r o g r a m f l o w N B I o T無線蜂窩網(wǎng)絡軟件設計流程如圖1 1所示 圖11 NB IoT無線蜂窩網(wǎng)絡軟件設計流程 F i g 1 1 S o f t w a r e d e s i g n f l o w o f N B I o T w i r e l e s s c e l l u l a r n e t w o r k N B I o T模塊負責將M C U處理后的數(shù)據(jù)與云端 對接 實現(xiàn)系統(tǒng)上云操作 由微處理器S T M 3 2 L 4 7 5 Z E T 6 通過R S 2 3 2向模組發(fā)送A T指令以進行配置 N B I o T模塊第一次配置時 首先對S I M卡進行初始化處 理 搜索信號 進一步連接到N B網(wǎng)絡 進入C o n n e c t狀 態(tài) 待激活P D N 獲得網(wǎng)絡I P地址 建立P D N承載 進 一步創(chuàng)建U D P S O C K E T傳輸信道 建立用戶數(shù)據(jù)連接 收發(fā)系統(tǒng)數(shù)據(jù) 為節(jié)省功耗 采用3 0 m i n 次頻率進行 數(shù)據(jù)上傳 數(shù)據(jù)交換完成后 依次設置模組進入D X R P S M超低功耗模式 等待第二次數(shù)據(jù)上傳時 重新喚醒 進入C o n n e c t狀態(tài) 正常收發(fā)數(shù)據(jù) 偏遠山區(qū)G S M信號 存在不穩(wěn)定因素 設計數(shù)據(jù)重傳機制 每次上云之前先請 求握手確認 確保通信正常 再進行數(shù)據(jù)傳送 若握手失 敗 則將數(shù)據(jù)暫存至S D卡 待下次握手成功后進行重傳 數(shù)據(jù)傳輸基于標準的M o d b u s R T U協(xié)議進行擴 展開發(fā)設計 采用1 6位C R C校驗 數(shù)據(jù)請求傳送一幀 為2 9個字節(jié) 即2 3 2 B i t 數(shù)據(jù)幀組成為 設備號 功 能碼 寄存器起始地址 寄存器單元長度 字節(jié)數(shù) 數(shù)據(jù) C R C校驗 3 2 2 終端上云數(shù)據(jù)收發(fā)軟件設計 終端節(jié)點將數(shù)據(jù)采集完成后通過Z i g B e e傳送至協(xié) 調器 協(xié)調器內部將數(shù)據(jù)讀出處理后再傳送至云服務 器 由于數(shù)據(jù)傳送過程消耗的能量遠大于數(shù)據(jù)處理所 消耗的能力 故協(xié)調器先將從終端節(jié)點接收的數(shù)據(jù)進行 初步處理 再上傳至云服務器 終端傳送周期為3 m i n 次 協(xié)調器傳輸周期為3 0 m i n 次 協(xié)調器每接收1 0組 數(shù)據(jù) 通過最小二乘法處理求得與接收數(shù)據(jù)最小化誤差 的平方和相匹配的數(shù)據(jù)作為協(xié)調器傳送的最優(yōu)數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)傳送過程終端向協(xié)調器發(fā)送數(shù)據(jù)量較大 協(xié)調 器處理的速度小于接收的速度 容易產生丟包現(xiàn)象 設 計一種環(huán)形緩沖隊列機制 引入環(huán)形緩存區(qū)對暫未處理 的數(shù)據(jù)進行緩存 等待系統(tǒng)空閑處理 避免數(shù)據(jù)丟失 保 證數(shù)據(jù)完整性 環(huán)形緩沖隊列機制如圖1 2所示 a 環(huán)形緩沖機制建立原理 b 環(huán)形緩存區(qū)建立過程 c 緩存區(qū)滿 d 空隊列 e 緩存區(qū)空 圖12 環(huán)形緩沖隊列機制 F i g 1 2 R i n g b u f f e r q u e u e m e c h a n i s m 1 6 8 中國農機化學報2 0 2 3年 建立一個帶 頭指針 與 尾指針 的數(shù)組作為緩 存區(qū) 頭指針 指向緩存區(qū)內可讀取的數(shù)據(jù) 尾指 針 指向緩存區(qū)內可寫入的數(shù)據(jù) 通過 頭尾指針 的偏移便可實現(xiàn)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的讀寫操作 當協(xié)調器 從終端接收到新的數(shù)據(jù) 將數(shù)據(jù)暫存至緩沖區(qū)中 同 時 尾指針 加1 已保存下一組數(shù)據(jù) 協(xié)調器取出數(shù) 據(jù)進行處理時 頭指針 加1 以便讀取下一組數(shù)據(jù) 當 頭尾指針 超出緩存區(qū)大小時 則指針重新指向 緩存區(qū)首元素 有效數(shù)據(jù)為 頭尾指針 之間 故而形 成 環(huán)形緩存區(qū) 通過此環(huán)形隊列機制 協(xié)調器緩 存區(qū)可同時對數(shù)據(jù)進行讀寫操作 而互不干擾 保證 數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性 3 3 云平臺軟件設計 監(jiān)控中心設計采用W e b端云平臺和手機A p p設 計 平臺對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計 處理 用戶可遠程對農作 物生長環(huán)境數(shù)據(jù)進行監(jiān)看 并發(fā)送指令進行調控等 操作 監(jiān)控中心服務資源采用基于N B I o T的物聯(lián)網(wǎng) I o T 云平臺 該平臺為底層傳輸提供安全可靠的數(shù) 據(jù)報送 數(shù)據(jù)存儲等 用戶無需購買傳統(tǒng)硬件設備 數(shù) 據(jù)庫等中間件 下位機采用M o d b u s R T U C R C 1 6 協(xié)議完成部署通信 基于開發(fā)S D K 可通過有人云 A P I進行二次開發(fā) 完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計 分析與預測操作 云平臺設計流程如圖1 3所示 圖13 云平臺設計流程圖 F i g 1 3 F l o w c h a r t o f c l o u d p l a t f o r m d e s i g n 4 模糊PID設計及Simulink仿真 4 1 控制模型分析 當前工業(yè)自動控制多采用閉環(huán)P I D進行反饋調 節(jié) 通過比例 P r o p o r t i o n 環(huán)節(jié)作用提高系統(tǒng)響應速 度 積分 I n t e g r a l 環(huán)節(jié)作用消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差 微分 D i f f e r e n t i a l c o e f f i c i e n t 環(huán)節(jié)作用預見偏差 引入修 正 減少系統(tǒng)調節(jié)時間 但傳統(tǒng)P I D調節(jié)多適用于線性調節(jié)系統(tǒng) 溫室種 植大棚中溫度 濕度等因子耦合度高 滯后時間長 參 數(shù)結構復雜 為非線性時變系統(tǒng) 經典P I D模型無法 適應此多元素復雜系統(tǒng) 因此 引入模糊數(shù)學控制理 論 將系統(tǒng)不能精確量化的參數(shù)進行模糊化 作用于經 典P I D模型 形成自適應反饋調節(jié)機制 建立模糊P I D 系統(tǒng) 4 2 模型建立 模糊控制系統(tǒng)主要由模糊化 模糊推理 清晰化組 成 即確立輸入輸出參數(shù) 設定其論域 建立隸屬度函 數(shù) 建立模糊規(guī)則表 解模糊 將誤差量e與誤差變量 ec輸入模型 經模糊處理后輸出數(shù)據(jù)u作用于P I D 實 現(xiàn)P I D參數(shù)自整定過程 形成模糊P I D 下面以溫度 控制為例進行模糊P I D設計與仿真分析 根據(jù)溫棚系統(tǒng)的熱平衡關系 由能量平衡關系可 得溫棚模型 aCp nVdTnd qn mnCp n ts tn KF tw tn 1 式中 a 室內空氣密度 k g m 3 Cp n 室內空氣定壓比熱容 J k g V 室內空氣體積 m 3 dTn d 室內溫度變化率 s qn 室內人員與設備的冷負荷 W mn 室內空氣質量流量 k g s ts 送風溫度 tn 溫棚室內溫度 tw 室外空氣溫度 F 房間與外墻直接接觸的傳熱面積 m 2 K 房間與外墻傳熱系數(shù) W m 2 進行L a p l a c e變換可得溫棚環(huán)境傳遞函數(shù) G s 1 aCp nVs mnCp n KF 2 由于環(huán)境溫度控制主要取決于環(huán)境特性 且存在 滯后性 故可變?yōu)?G s 1 aCp nVs mnCp n KF e s KnT ns 1 e s 3 式中 Kn 空調房間的放大系數(shù) Tn 空調房間的時間常數(shù) 根據(jù)溫棚實際溫度變化情況以及溫度控制設備輸 出作用于環(huán)境的情況分析總結可得 溫棚環(huán)境傳遞 函數(shù) G0 s 0 2 86 0 0s 1e 3 0s 4 溫度控制設備傳遞函數(shù) 第1期李洪兵等 基于模糊P I D控制的N B I o T果蔬農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計與試驗1 6 9 Gf s 2 0 2 51 5 0s 1e 3 0s 5 溫棚環(huán)境自然溫度變化與溫度控制器作用為串聯(lián) 關系 故系統(tǒng)總傳遞函數(shù) G s 5 6 79 0 0 0 0s2 7 5 0s 1e 6 0s 6 4 3 Simulink仿真模型建立 通過M a t l a b中的S i m u l i n k工具分別繪制模糊 P I D模型總框圖及模糊P I D控制與經典P I D控制模 型子框圖 輸入同一期望值 將經模糊P I D和經典P I D 作用后的曲線進行對比分析 模糊P I D與經典P I D 對比控制器模型 模糊P I D控制器模型 經典P I D控 制器模型分別如圖1 4 圖1 5 圖1 6所示 圖14 模糊PID與經典PID對比控制器模型總框圖 F i g 1 4 O v e r a l l b l o c k d i a g r a m o f c o n t r o l l e r m o d e l b a s e d o n c o m p a r i s o n b e t w e e n f u z z y P I D a n d c l a s s i c a l P I D 圖15 模糊PID控制器模型圖 F i g 1 5 M o d e l d i a g r a m o f f u z z y P I D c o n t r o l l e r 圖16 經典PID控制器模型 F i g 1 6 C l a s s i c a l P I D c o n t r o l l e