日光溫室卷簾及通風(fēng)口控制系統(tǒng)研制.pdf

櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄 23 Muresan H Oltean M Fruit recognition from images using deep learning J Acta Universitatis Sapientiae Informatica 2018 10 1 26 42 24 Bargoti S Underwood J P Image segmentation for fruit detection and yield estimation in apple orchards J Journal of Field Robotics 2017 34 6 1039 1060 25 Linker Raphael Machine learning based analysis of night time images for yield prediction in apple orchard J Biosystems Engineering 2018 167 114 125 26 Nyarko E K Vidovic I Radoc aj K et al A nearest neighbor approach for fruit recognition in RGB D images based on detection of convex surfaces J Expert Systems with Applications 2018 114 454 466 27 Simonyan K Zisserman A Very deep convolutional networks for large scale image recognition EB OL 2019 06 01 https arxiv org abs 1409 1556 28 李占波 楊二偉 李進(jìn)文 基于改進(jìn)分水嶺和區(qū)域合并的彩色圖 像分割 J 計算機(jī)工程與設(shè)計 2014 35 7 2458 2461 2503 29 劉 念 蘇 杭 郭純宏 等 基于 Hough 變換圓檢測的人眼定 位方法改進(jìn) J 計算機(jī)工程與設(shè)計 2011 32 4 1359 1362 30 熊俊濤 卜榕彬 郭文韜 等 自然光照條件下采摘機(jī)器人果實(shí) 識別的表面陰影去除方法 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2018 34 22 147 154 31 苗中華 沈一籌 王小華 等 自然環(huán)境下重疊果實(shí)圖像識別算 法與試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報 2016 47 6 21 26 32 馬翠花 張學(xué)平 李育濤 等 基于顯著性檢測與改進(jìn) Hough 變 換方法識別未成熟番茄 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2016 32 14 219 226 曹瑞紅 李晉蒲 趙建貴 等 日光溫室卷簾及通風(fēng)口控制系統(tǒng)研制 J 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020 48 5 219 226 doi 10 15889 j issn 1002 1302 2020 05 045 日光溫室卷簾及通風(fēng)口控制系統(tǒng)研制 曹瑞紅 李晉蒲 趙建貴 高安琪 韋玉翡 李志偉 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 山西太谷 030801 摘要 針對華北地區(qū)日光溫室管理自動化程度低 勞動強(qiáng)度大 可靠性差的問題 研制了日光溫室卷簾及通風(fēng)口控 制系統(tǒng) 系統(tǒng)采用 STM32MCU 作為控制核心 通過采集溫室內(nèi)外光照度 溫濕度調(diào)控卷簾和通風(fēng)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(guān)與多層次行程開關(guān)結(jié)合監(jiān)測保溫被的運(yùn)行過程 實(shí)現(xiàn)閉 環(huán)控制效果 卷膜機(jī)采用比例 積分 微分 PID 模糊控制算法實(shí)現(xiàn)通風(fēng)口大小的自動調(diào)控 通用分組無線服務(wù)技術(shù) GPRS 的短信息服務(wù)功能用于日光溫室與用戶的遠(yuǎn)程交互 用戶可通過上位機(jī)設(shè)定不同的溫度和光照度范圍 以滿 足不同季節(jié)番茄的需求 本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了日光溫室無人管理下的保溫被卷放和智能通風(fēng) 實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明 該系統(tǒng) 可有效避免保溫被的走偏和過卷 實(shí)現(xiàn)通風(fēng)口大小的自動控制 既減輕了勞動強(qiáng)度 又縮短了工作時間 提高了日光溫 室管理效率 關(guān)鍵詞 日光溫室 卷簾保溫系統(tǒng) 卷膜通風(fēng)系統(tǒng) PID 模糊控制算法 GPRS 通信分組無線服務(wù)技術(shù) 中圖分類號 S625 3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號 1002 1302 2020 05 0219 08 收稿日期 2019 11 26 基金項(xiàng)目 國家重點(diǎn)研發(fā)計劃 編號 2017YFD0701501 山西省研究 生教育創(chuàng)新項(xiàng)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(nóng)業(yè)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(dǎo)師 主要從事計算機(jī)控制技 術(shù) 智能農(nóng)業(yè)裝備和生物環(huán)境測控技術(shù)研究 E mail lizhiweitong 163 com 溫室種植反季農(nóng)作物能夠提高作物產(chǎn)量和品 質(zhì) 不但解決了人們的日常生活所需 同時也為農(nóng) 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(dá)到 70 10 4 hm 2 占我國設(shè)施園藝總面 積的 21 日光溫室的普及為連續(xù)的農(nóng)事活動和農(nóng) 產(chǎn)品的跨季節(jié)收獲提供了可能 4 7 近年來 在我 國北方的設(shè)施農(nóng)業(yè)中 低成本日光溫室迅速發(fā)展 其保溫設(shè)備的卷放由卷簾機(jī)完成 雖然節(jié)省了時 間 但是還需專門的管理人員進(jìn)行操作 為保證卷 簾機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行 操作人員必須守在開關(guān)附 近 且單靠人工經(jīng)驗(yàn)在日出日落時收放卷簾保溫 被 難以根據(jù)作物品種 自然光照時間和溫室保溫 性能做到動態(tài)管理 自動化程度低 勞動強(qiáng)度大 另 外目前日光溫室調(diào)控還存在卷簾保溫被的走偏和 過卷問題 在調(diào)控過程中沒有對卷簾棉被運(yùn)行過程 912 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020 年第 48 卷第 5 期 進(jìn)行監(jiān)測 達(dá)不到閉環(huán)控制要求 可靠性差 導(dǎo)致溫 室的 保 溫 效 果 差 嚴(yán)重影響作物的存活與生 長 8 10 目前對日光溫室通風(fēng)口的操作普遍采用 扒縫放風(fēng)的形式 當(dāng)放風(fēng)時 通過手動拉棚膜來控 制通風(fēng)口的大小 用戶勞動強(qiáng)度大且管理非常不 便 11 13 近年來 隨著大棚機(jī)械化水平的提高 卷 膜通風(fēng)機(jī)構(gòu)開始在日光溫室大棚上得到應(yīng)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(jù)實(shí)時環(huán)境因子的變化做到自動調(diào)節(jié)通風(fēng)口 大小 本研究系統(tǒng)通過對溫室大棚內(nèi)外光照度 空氣 溫濕度等環(huán)境因子進(jìn)行監(jiān)測 對其通風(fēng)口 卷簾進(jìn) 行調(diào)控 將限位開關(guān)與多層次行程開關(guān)結(jié)合 以實(shí) 現(xiàn)對卷簾的閉環(huán)控制 采用比例 積分 微分 PID 模糊控制算法對通風(fēng)口開度大小進(jìn)行調(diào)控 從而實(shí)現(xiàn)日光溫室卷簾系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)的自動 控制 1 系統(tǒng)總體設(shè)計 1 1 日光溫室的基本構(gòu)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(gòu)成 其中前坡面是溫室的唯一采光 面 一般無加熱設(shè)備 透光覆蓋材料為聚氯乙烯膜 保溫被為外皮防雨綢 內(nèi)芯纖維棉材質(zhì)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(gòu)成見圖 1 目前日光溫室大棚中所用到的卷簾機(jī) 主要通過手動或遙控控制 卷簾棉被的運(yùn)行過程需 要專人看守 自動化程度低 在實(shí)現(xiàn)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(xiàn)象 可能發(fā)生 本研究系統(tǒng)將限位開關(guān)與多層行程開 關(guān)相結(jié)合 有效解決了卷簾棉被走偏和過卷問題 卷簾限位開關(guān) SQ1 SQ2 和行程開關(guān) SQ3 SQ4 SQ5 SQ6 SQ7 SQ8 SQ9 SQ10 位置見圖 2 1 2 系統(tǒng)整體設(shè)計 本研究系統(tǒng)由傳感器 微控制器 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 通 用分組無線服務(wù) GPRS 模塊和用戶 4 個部分組成 圖 3 傳感器監(jiān)測模塊由環(huán)境因子傳感器 執(zhí)行 機(jī)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測 驅(qū)動機(jī)構(gòu)監(jiān)測 3 個部分組成 溫濕 度傳感器和光照傳感器采集室內(nèi)外溫度 濕度和光 照度 微控制器經(jīng)過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理 對執(zhí) 行機(jī)構(gòu)發(fā)出調(diào)控指令 以達(dá)到作物生長的適宜環(huán)境 條件 行程開關(guān)和限位開關(guān)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)監(jiān) 測模塊 通過對同一水平線上行程開關(guān)狀態(tài)變化的 時間隔判斷執(zhí)行機(jī)構(gòu)卷簾保溫被的運(yùn)行過程是 否出現(xiàn)走偏情況 并通過限位開關(guān)判斷卷簾棉被是 否運(yùn)行完整 避免卷簾棉被出現(xiàn)過卷現(xiàn)象 若出現(xiàn) 走偏現(xiàn)象 微控制器做出調(diào)控 若調(diào)控次數(shù)超過上 限 通過 GPRS 的短消息服務(wù) SMS 反饋給用戶出 現(xiàn)故障信息 若在設(shè)定調(diào)控次數(shù)范圍之內(nèi) 且執(zhí)行 機(jī)構(gòu)運(yùn)行完整 通過 SMS 將執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)和環(huán)境參 數(shù)反饋給用戶 電流互感器用來監(jiān)測驅(qū)動電機(jī)是否 出現(xiàn)過載現(xiàn)象 電流互感器與繼電裝置相結(jié)合控制 繼電器 使卷簾機(jī)停止工作 從而避免卷簾卡死而 使卷簾機(jī)燒毀 保護(hù)系統(tǒng)安全 日光溫室的內(nèi)部環(huán)境具有時變性強(qiáng) 線性度 差 慣性大 滯后明顯 耦合性強(qiáng)等特點(diǎn) 在同一時 間內(nèi) 卷簾保溫被和通風(fēng)口大小的變化 會影響室 內(nèi)光照度 溫度 濕度等環(huán)境因子 因此在溫室內(nèi)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(nèi)環(huán)境因子傳感器置于種植區(qū)中心點(diǎn)采 集高度為 2 m 處 該位置最能代表日光溫室內(nèi)環(huán)境 因子的整體情況 2 硬件設(shè)計 日光溫室自動卷簾與通風(fēng)控制系統(tǒng)主要由核 心處理器 STM32MCU 監(jiān)測模塊 執(zhí)行模塊 人機(jī) 022 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020 年第 48 卷第 5 期 交互模塊組成 總體硬件設(shè)計見圖 4 其中監(jiān)測模 塊由環(huán)境因子監(jiān)測模塊 執(zhí)行機(jī)構(gòu)監(jiān)測模塊和驅(qū)動 機(jī)構(gòu)監(jiān)測模塊 3 個部分組成 執(zhí)行模塊由卷簾機(jī)和 卷膜機(jī) 2 個部分組成 人機(jī)交互模塊由有機(jī)發(fā)光二 極管 OLED 顯示模塊和 GPRS 短信通知模塊 2 個 部分組成 環(huán)境因子監(jiān)測模塊主要通過溫濕度傳感器 DHT11 光照傳感器 GY30 采集室內(nèi)外環(huán)境參數(shù) 將 信息送入 STM32MCU 并在 OLED 顯示屏上進(jìn)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(jī)和卷膜機(jī)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(zhí)行 機(jī)構(gòu)檢測模塊中的行程開關(guān)和限位開關(guān)用來對卷 簾保溫被的運(yùn)行過程進(jìn)行監(jiān)測 若運(yùn)行過程出現(xiàn)走 偏現(xiàn)象 通過 STM32MCU 控制繼電器使卷簾機(jī)正反 轉(zhuǎn) 以保證保溫被平行下降或上升 驅(qū)動機(jī)構(gòu)監(jiān)測 模塊電流互感器與繼電裝置相結(jié)合控制繼電器 使 卷簾機(jī)停止工作 從而避免卷簾卡死而使卷簾機(jī)燒 毀 保護(hù)系統(tǒng)安全 2 1 電源模塊 通過對本研究系統(tǒng)中各單元所要完成的功能 進(jìn)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(jiān)測模塊 光照監(jiān)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(wěn)壓器 LM1117 為芯片 STM32 和 OLED 顯示屏提供 3 3 V 電源 為溫濕度監(jiān)測模塊 光照監(jiān) 測模塊 GPRS 模塊和繼電器模塊提供 5 V 電源 其 電源電路設(shè)計見圖 5 122 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020 年第 48 卷第 5 期 2 2 微控制器 本研究系統(tǒng)的微控制器采用 ARM 處理器 內(nèi) 置實(shí)時時鐘 RTC 模塊 當(dāng)前時間可通過程序設(shè)置 搭配 OLED 顯示屏實(shí)現(xiàn)實(shí)時顯示 便于采集行程開 關(guān) 限位開關(guān)狀態(tài)變化的時間點(diǎn)以及 GPRS 短信通 知模塊的通信可通過 USART 串口實(shí)現(xiàn) 2 3 監(jiān)測模塊 2 3 1 環(huán)境因子監(jiān)測 日光溫室的內(nèi)部環(huán)境具有 時變性強(qiáng) 線性度差 慣性大 滯后明顯 耦合性強(qiáng) 等特點(diǎn) 在同一時間內(nèi) 卷簾保溫被和通風(fēng)口大小 的變化 會影響室內(nèi)光照度 溫度 濕度等環(huán)境因子 的變化 因此環(huán)境因子監(jiān)測包括光照監(jiān)測模塊和溫 濕度監(jiān)測模塊 2 部分 光照監(jiān)測模塊采用 GY 30 傳感器 圖 6 GY 30 是一種數(shù)字光照度傳感器 不能區(qū)分環(huán)境 光源 它具有高分辨率的特點(diǎn) 可以檢測到 0 65 535 lx 范圍內(nèi)的光照度變化 該傳感器具有一 個內(nèi)置的 16 位模數(shù) A D 轉(zhuǎn)換器 可通過集成電路 IIC 總線與 STM32 建立連接并完成數(shù)據(jù)傳輸 溫濕度監(jiān)測模塊采用 DHT11 數(shù)字溫濕度傳感 器 其接線圖如圖 7 所示 它是具有校準(zhǔn)的數(shù)字信 號輸出的溫度和濕度復(fù)合傳感器 使用的是專用的 溫度和濕度感測以及數(shù)字模塊采集技術(shù) 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(shù)字信號發(fā)送到處理器 2 3 2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)監(jiān)測模塊 運(yùn)用機(jī)械式限位控制 技術(shù) 通過在大棚頂部和底部安裝機(jī)械式觸動限位 開關(guān) 將開關(guān)接入控制電路 當(dāng)保溫被到達(dá)停放位 置時 觸碰限位開關(guān) 切斷電源 卷簾機(jī)停止工作 并且通過 SMS 將卷簾棉被狀態(tài)和棚內(nèi)各環(huán)境因子 反饋給農(nóng)民 一方面 它有效地防止了卷簾機(jī)滾動 不當(dāng)?shù)膯栴} 另一方面 實(shí)現(xiàn)了自動開關(guān)棚 減少了 勞力投入 在采光面左右兩側(cè)水平布置行程開關(guān) 將其分 為 3 層 在卷簾保溫被運(yùn)行過程中 通過監(jiān)測兩端 行程開關(guān)狀態(tài)變化的時間差并結(jié)合電機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)反方向運(yùn)轉(zhuǎn) 恢復(fù)至初始出發(fā)位置 222 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020 年第 48 卷第 5 期 繼續(xù)執(zhí)行開棚或關(guān)棚操作 若連續(xù)走偏次數(shù)達(dá)到 5 次 通過 SMS 通知管理人員出現(xiàn)故障 并將棚內(nèi)環(huán) 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(qū)動機(jī)構(gòu)監(jiān)測 電流互感器與繼電裝置相 結(jié)合 在雨雪天氣或保溫被出現(xiàn)過度走偏而導(dǎo)致卷 簾機(jī)出現(xiàn)過載現(xiàn)象時控制繼電器 使卷簾機(jī)停止工 作 以避免卷簾卡死而使卷簾機(jī)燒毀 保護(hù)系統(tǒng)安 全 并通過 SMS 將信息反饋給管理人員 2 3 人機(jī)交互模塊 人機(jī)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(nèi)直觀顯示出棚內(nèi)外溫度 濕度和光照度 通過 SMS 短信通知模塊將棚內(nèi)外環(huán)境因子及卷簾保溫 棉被狀態(tài)通過短信形式反饋給農(nóng)民 達(dá)到了遠(yuǎn)程監(jiān) 測的效果 2 3 1 OLED 顯示模塊 OLED12864 是 128 列 64 行的點(diǎn)陣 OLED 單色 字符 圖形顯示模塊 本 設(shè)計中 需要顯示實(shí)時溫度 濕度 光照度 以便于 直觀地進(jìn)行人機(jī)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(qū)動電路 2 3 2 SMS 短信通知模塊 在執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程 中 當(dāng)卷簾保溫被觸碰到限位開關(guān)時 電機(jī)停止工 作 系統(tǒng)通過 SMS 短信通知模塊將信息反饋給工作 人員 但是 在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中 除了考慮執(zhí)行機(jī) 構(gòu)正常停止工作的情況外 還要考慮運(yùn)行過程中特 殊情況的出現(xiàn) 例如 走偏調(diào)整次數(shù)超過 5 次 電流 互感器監(jiān)測到過載信息時電機(jī)緊急制動 此時除了 蜂鳴器報警之外 本研究系統(tǒng)會通過短信息形式將 數(shù)據(jù)發(fā)送至管理人員的手機(jī)上 GPRS 短信通知模塊通過 TEXT 純文本 和 PDU 協(xié)議數(shù)據(jù)單元 2 種方式發(fā)送短信 其中以 TEXT 模式發(fā)送短信操作簡單但只能發(fā)送英文消 息 考慮用戶使用方便性 采用 PDU 模式 PDU 模 式發(fā)送信息需要 3 步 第 1 步 設(shè)置短信發(fā)送模式為 PDU 模式 第 2 步 設(shè)置信息長度 第 3 步 發(fā)送 短信 2 4 執(zhí)行模塊 2 4 1 卷簾機(jī)控制 本研究系統(tǒng)溫室大棚內(nèi)的執(zhí) 行機(jī)構(gòu)為卷簾機(jī)和通風(fēng)口卷膜機(jī) 它們都屬于強(qiáng)電 設(shè)備 在控制方面需要通過單片機(jī) I O 口輸出高低 電平來使繼電器運(yùn)行 從而控制電機(jī)的正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 或停止 卷簾機(jī)控制模塊電路見圖 8 單片機(jī)引腳 PA6 口連接繼電器 JQ1 控制卷簾機(jī)上卷 PA7 口連 接繼電器 JQ2 控制卷簾機(jī)下卷 PA5 口連接繼電器 JQ3 控制卷簾機(jī)停止工作 圖 8 中 為了應(yīng)對緊急情況 在卷簾機(jī)控制模塊 電路中設(shè)置了總開關(guān)按鈕 SB1 和正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn)按鈕 SB2 SB3 并且總開關(guān)按鈕通常處于閉合狀態(tài) 交流 接觸器 KM1 和 KM2 互鎖功能的設(shè)計 可確保 2 個 線圈不同時通電 避免卷簾機(jī)因同時接收到正反轉(zhuǎn) 誤操作信號同時工作而損壞的問題 當(dāng)指令控制卷簾機(jī)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(diǎn)斷開 確保了 KM2 線圈無法通電 交 流接觸器 KM1 自鎖觸點(diǎn)閉合 交流接觸器 KM1 主 觸點(diǎn)閉合 卷簾機(jī)正轉(zhuǎn) 卷簾被卷起 到達(dá)溫室頂部 時 觸碰上限位開關(guān) SQ1 SQ1 觸點(diǎn)斷開使得 KM1 線圈失電 常開觸點(diǎn) KM1 斷開 電動機(jī)斷電并停止 旋轉(zhuǎn) 當(dāng)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(diǎn) JQ2 閉合 KM2 線圈通電 常開觸點(diǎn)閉合 卷簾機(jī)反轉(zhuǎn)并到達(dá)下限位置 下限 開關(guān) SQ2 觸點(diǎn)斷開 線圈斷電 KM2 常開觸點(diǎn)斷開 卷簾機(jī)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(cè)的行程開關(guān) 與按 鈕作用類似 卷簾棉被運(yùn)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(jiān)測 2 4 2 卷膜機(jī)控制 通過微控制器使 PA8 口輸出 高電平 三極管導(dǎo)通 驅(qū)動繼電器 實(shí)現(xiàn)卷膜機(jī)的工 作 正轉(zhuǎn) 繼電器常開觸點(diǎn) JQ4 閉合 線圈 KM4 上 電 常開主觸點(diǎn)閉合 電機(jī)正轉(zhuǎn) 通風(fēng)口逐漸變大 當(dāng)通風(fēng)口開度開到最大時 觸碰限位開關(guān) SQ11 卷 簾機(jī)停止工作 同理 PA9 控制電機(jī)反轉(zhuǎn) 使通風(fēng)口 逐漸變小 卷膜機(jī)控制模塊電路見圖 9 3 軟件控制流程 系統(tǒng)控制流程見圖 10 系統(tǒng)初始化后 每 6 min 測量并處理溫度 濕度和光照度等環(huán)境因素 并調(diào)整執(zhí)行器的狀態(tài) 以保證將溫室中的環(huán)境因素 控制在最適值的允許范圍內(nèi) 當(dāng)參數(shù)超過限制時 相應(yīng)的執(zhí)行器將開始工作 以使參數(shù)更接近最適值 3 1 卷簾保溫系統(tǒng)調(diào)控策略 控制指令對應(yīng)溫室中執(zhí)行機(jī)構(gòu)的 3種情形 分 322 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020 年第 48 卷第 5 期 別為早上卷簾保溫被打開即開棚 中午卷膜機(jī)運(yùn)行 自動調(diào)控通風(fēng)口大小 晚上卷簾保溫被關(guān)閉即關(guān) 棚 結(jié)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(dāng)室內(nèi)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(fā)出開棚指令 若環(huán)境參數(shù)不在范圍內(nèi) 為保證 番茄有充足的光照時間 09 00 開棚 在執(zhí)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(tài) 因環(huán)境參數(shù)變化重復(fù)發(fā)出 開棚指令的誤操作 開棚過程中監(jiān)測卷簾棉被位 置 達(dá)到閉環(huán)調(diào)控效果 422 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020 年第 48 卷第 5 期 2 中午 當(dāng)室內(nèi)溫度 T 番茄生長最高溫 28 時 調(diào)用 PID 模糊控制算法自動調(diào)控通風(fēng)口 大小 當(dāng)溫度達(dá)到 17 時 關(guān)閉通風(fēng)口 3 傍晚 為保證番茄生長夜溫可達(dá)到 10 以 上 當(dāng)光照度 L 1 000 lx 且室內(nèi)溫度 T 15 時 發(fā)出關(guān)棚指令 若 17 00 仍未關(guān)棚 微控制器直接發(fā) 出關(guān)棚指令 關(guān)棚過程中通過行程開關(guān)信號監(jiān)測動 作過程 達(dá)到閉環(huán)控制目的 短信通知按卷簾機(jī)工作狀態(tài)分為 2 種類型 即 正常工作短信和報警短信 1 當(dāng)開棚或關(guān)棚指令 下發(fā)后 保溫被運(yùn)行過程正常或走偏距離和調(diào)整次 數(shù)都在閾值范圍內(nèi) 則發(fā)送正常工作短信 通知用 戶棚內(nèi)情況正常 開棚或關(guān)棚動作完成后 將環(huán)境 因子反饋給用戶 2 當(dāng)開棚或關(guān)棚動作過程中 保溫被運(yùn)行過程中走偏距離和調(diào)整次數(shù)超出閾值 范圍時 卷簾機(jī)緊急制動 并發(fā)送報警短信通知 用戶 3 2 卷膜通風(fēng)系統(tǒng)控制策略 卷膜通風(fēng)系統(tǒng)采用模糊 PID 控制算法 該算法 將使用最廣泛 最穩(wěn)定的傳統(tǒng) PID 控制算法與模糊 控制相結(jié)合 模糊控制被添加到傳統(tǒng) PID 控制算法 的前端 以調(diào)整控制精度 在該控制系統(tǒng)中 調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度 并且將給定 的室內(nèi)溫度和所測量的室內(nèi)溫度偏差 ET 和偏差 變化率 ETc 作為輸入量 輸出量為卷膜機(jī)動作 U 其中 輸入量的模糊子狀態(tài)均為 NB NS ZE PS PB 其中 NB NS ZE PS PB 分別表示負(fù)大 負(fù)小 零 正小 正大 結(jié)合北方日光溫室內(nèi)作物生長環(huán)境 輸 522 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020 年第 48 卷第 5 期 出變量的模糊子狀態(tài)為 ZE PS PB 分別代表通 風(fēng)口大小的 3 種狀態(tài) 即通風(fēng)口全部關(guān)閉 半打開 全部打開 模糊規(guī)則采用 if then 語句 控制規(guī)則 見表 1 表 1 通風(fēng)口大小控制規(guī)則 ET U NB NS ZE PS PB NB ZE ZE ZE ZE ZE NS ZE ZE ZE PS PS ZE ZE ZE ZE PS PB PS PS PS PS PB PB PB PS PB PB PB PB NB ZE ZE ZE ZE ZE 4 試驗(yàn)設(shè)計與分析 本研究于 2019 年 1 月驗(yàn)證日光溫室自動控制 系統(tǒng)的實(shí)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(jìn)行日光溫室控制系統(tǒng) 試驗(yàn) 溫室內(nèi)除卷膜通風(fēng)口裝置和卷被保溫裝置外 無其他調(diào)控裝備 經(jīng)試驗(yàn)考核該系統(tǒng)主要性能指 標(biāo)已達(dá)到 系統(tǒng)漂移系數(shù)小于 5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行準(zhǔn) 確率和調(diào)控準(zhǔn)確率都達(dá)到 95 以上 對溫室內(nèi)溫度 調(diào)節(jié)水平大于 3 光照度調(diào)節(jié)水平大于 1 000 lx 試驗(yàn)初期 番茄處于開花期 株高 1 m 左右 和對照 棚相比 試驗(yàn)大棚番茄坐果率提高 2 病蟲害發(fā)生 率減輕 60 70 收獲期延長 2 5 個月 單位產(chǎn) 量增加 1 倍 5 小結(jié) 通過監(jiān)測日光溫室內(nèi)外光照度 溫度和濕度 對溫室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行自動調(diào)控 將限位開關(guān)與多層 次行程開關(guān)結(jié)合 有效解決了卷簾保溫被運(yùn)行時的 過卷和走偏現(xiàn)象 日光溫室開花期番茄驗(yàn)證試驗(yàn) 的結(jié)果表明 該卷簾和通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠 可實(shí)現(xiàn) 日光溫室卷簾系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)的自動控制 提高了 日光溫室的管理效率 參考文獻(xiàn) 1 丁小明 我國日光溫室卷簾機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀分析 J 農(nóng)機(jī)化研究 2011 33 12 217 222 2 張傳帥 徐嵐俊 李小龍 等 日光溫室主要環(huán)境參數(shù)對番茄本體 長勢的影響 J 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報 2019 24 10 118 124 3 王建春 張雪飛 劉紹偉 等 基于多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程溫濕度監(jiān)控 系統(tǒng)的研究及應(yīng)用 J 山西農(nóng)業(yè)科學(xué) 2015 43 3 333 336 4 張國祥 劉星星 張領(lǐng)先 等 基于 CFD 的日光溫室溫度與卷簾 開度關(guān)系研究 J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報 2017 48 9 279 286 5 裴 雪 范奧華 劉煥宇 等 基于溫光耦合的溫室卷簾機(jī)控制設(shè) 備開發(fā) J 農(nóng)機(jī)化研究 2018 4 83 86 6 張 杰 盧博友 張海輝 等 基于 ZigBee 的溫室卷簾機(jī)精準(zhǔn)控 制系統(tǒng)設(shè)計 J 農(nóng)機(jī)化研究 2013 5 77 80 7 李亞迪 苗 騰 朱 超 等 北方日光溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計 與實(shí)現(xiàn) J 中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報 2016 18 5 94 101 8 張國祥 傅澤田 張領(lǐng)先 等 中國日光溫室機(jī)械卷簾技術(shù)發(fā)展現(xiàn) 狀與趨勢 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2017 33 增刊 1 1 10 9 彭秀媛 白 冰 王 楓 等 日光溫室內(nèi)環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)監(jiān)測傳感 器的布設(shè) J 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2017 45 10 167 170 10 董 亮 王家忠 孔德剛 等 日光溫室卷簾機(jī)自動接縫裝置設(shè) 計 J 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報 2016 39 6 107 111 11 李天華 常金明 魏 珉 等 山東省日光溫室通風(fēng)設(shè)施應(yīng)用現(xiàn) 狀及問題分析 J 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 2018 38 16 22 26 12 牟華偉 王金星 劉雙喜 等 日光溫室集中式最優(yōu)化控制通風(fēng) 系統(tǒng) J 農(nóng)機(jī)化研究 2015 9 113 117 13 宋明軍 邱仲華 甘肅省日光溫室通風(fēng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 問題與 對策 J 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 2016 36 25 17 20 14 王 蕊 楊小龍 馬 健 等 日光溫室保溫技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀 J 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 2016 36 19 9 11 15 楊學(xué)坤 蔣 曉 黃可京 日光溫室保溫被防風(fēng)裝置的研制 J 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報 2015 36 2 70 72 16 陳春玲 王 瀧 許童羽 等 北方日光溫室群環(huán)境智能監(jiān)控系 統(tǒng)的研究與設(shè)計 J 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報 2015 46 1 85 90 17 王 勇 劉 林 侯加林 等 智能型日光溫室卷簾機(jī)的研制 J 山東農(nóng)業(yè)科學(xué) 2014 46 5 21 25 18 宋慶恒 劉英德 馬 源 等 基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的溫室溫 濕度控制系統(tǒng)設(shè)計 J 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2015 43 6 394 396 622 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020 年第 48 卷第 5 期