基于Fuzzy-PID和GPRS的温室大棚远程监控系统设计

付立华，庞展翔，王建斌，刘璐瑶

(河南工程学院 电气信息工程学院，河南 郑州 451191)

基于Fuzzy-PID和GPRS的温室大棚远程监控系统设计

付立华，庞展翔，王建斌，刘璐瑶

(河南工程学院 电气信息工程学院，河南 郑州 451191)

针对我国农业智能化与网络化水平较低的现状，设计了基于“互联网+”的现代温室大棚自动监控系统，详细介绍了系统的硬件组成、控制器采用的Fuzzy-PID技术及GPRS无线通信技术.该系统实现了对温度、湿度、光照的远程监控和短信报警，具有控制精度高、工作稳定可靠的特点，降低了温室大棚的人工成本.

温室；GPRS；模糊PID；温度；湿度

温室大棚是制造的一个适宜各种植物生长的最佳环境，对于人口多、耕地面积少、自然环境恶劣的地区尤为重要.目前我国的温室面积达到了30 000 km2以上，是全球较大的温室作物栽培区之一，但温室控制自动化水平比较低，智能化水平与发达国家也有较大差距[1].

“互联网+”代表着现代农业发展的新方向、新趋势，基于此设计了基于无线通信 GPRS 的温室大棚自动监控系统.该系统通过传感器实时采集温室大棚内的温湿度、光照强度等环境参数，以PLC为控制中心，控制加热、降温、补光、卷帘等环境调节设备的开启与关闭，并且将环境参数通过 GPRS 传输至手机、iPad等移动设备，实现对温室大棚的远程监控与管理.

1 系统总体设计

在温室的管理过程中，对农作物生长环境的监控是最重要的一步.影响农作物生长的环境参数有温度、湿度、光照和二氧化碳浓度等[2].温室控制就是对各种环境参数进行调控，使其处于温室作物生长最适宜的状态.

基于 GPRS的温室大棚监控系统由PLC 控制器、无线通信模块、温度传感器、湿度传感器、光照传感器、风扇、步进电机、石英加热管、卷帘设备、水泵喷雾器、触摸屏、移动通讯终端 APP 等组成.在实验室环境下搭建小型仿真温室大棚，实现的功能如下：

(1)温度控制.根据温度传感器检测的温度值，利用通风换气风扇降温、石英加热管升温.

图1 系统硬件Fig.1 Overall block diagram of system hardware

(3)采光控制.根据光照传感器检测的光照强度值，在气候允许的条件下，利用步进电机驱动卷帘装置进行光照调节，在阴天应使用LED灯进行补光.

(4)远程监控与报警.通过GPRS无线通信技术，在手机移动终端实现温湿度、光照强度的可视化与远程控制功能、异常状况下的短信报警功能.

2 系统硬件设计

系统硬件由PLC控制系统和远程监控系统组成，如图1所示.硬件设计主要完成硬件的选型、数据采集及GPRS模块通信的实现.

2.1 PLC及其扩展模块

采用三菱FX系列PLC作为主控制器，FX3U-4 A/D转换模块与FX3U-4 D/A转换模块完成模拟量的输入与输出，GOT-2000系列触摸屏用来完成现场环境参数的设置和控制，FX3U-485串口用于连接PLC与无线通信模块.

2.2 传感器

为提高系统的控制精度，温湿度的检测采用RS-WS-2型高精度温湿度一体式变送器.该传感器的可靠性和测量精度较高，互换性好，温度量程为-40～120 ℃，湿度量程为0%～100%RH，可以满足实际需要.输出模拟量为0～10 V，适于PLC进行数据采集.光照传感器采用信号稳定、精度高、防水性好、测量范围宽的JXBS-3001-GZ型传感器，输出为0～10 V，量程为0～200 000 Lux.

2.3 执行器

执行机构主要包含石英加热管、工作电压直流24 V及功率60 W的喷雾泵、自动降温喷雾雾化微喷头、窗式排气扇、可控硅电子调压器、调压模块固态调压器、57BYG56-401A型步进电机.目前，多数的温室大棚通风机都利用开关控制，只有全速旋转与停止两种状态.本设计使用交流调压模块智能可控硅连续调节风机的转速，以达到精确降温的目的.同理，对喷雾泵也使用该调压模块控制喷雾量，以达到精确控制湿度的目的.使用固态调压器调压模块对石英加热管进行调节，控制加热电压.

2.4 远程监控的PLC硬件配置

2.4.1GPRS无线通信模块S6202G-C

为提高师生参与的积极性，学校应制定一系列规章制度，保证学生课外科技活动的有效性与延续性。对学生来说，提高他们积极性的最好办法就是将课外科技活动与综合测评联系起来，将课外科技活动的参与度与成果以高权重纳入综合评价系统。另一方面，对于学生在课外科技活动中所获得的成绩，应给予适度经济或者精神奖励。如学生发表科研论文可报销版面费；对于竞赛所获成绩者，给予一定的奖励，适时在校园宣传平台上进行宣传。对于教师来说，为了保证他们参与导师制的积极性，可以以职称评审条件为杠杆，将指导学生参加课外科技活动作为职称评聘的必要条件；还可以根据实际情况，将这种工作量折算成一定的分数，纳入绩效考核体系。

巨控科技的无线通信模块S6202G-C[3]是一款专门用于PLC远程监控的测控终端，它使用 GPRS 作为通信手段，内置网页发布，能够实现对PLC的远程控制.控制方式包括手机短信控制和手机、电脑网页监控.

2.4.2远程监控用户配置

①在无线通信模块内插入SIM卡并开通流量；②S6202G-C 通过RS-485与PLC连接，读取被监控设备的状态；③S6202G-C 通过GPRS网络将数据发布到巨控云监控服务器；④远程电脑连接互联网并安装OPC SERVER，OPC SERVER可以自动从云监控服务器获取数据，上位机组态软件通过OPC接口监控PLC运行，同时记录历史报警和历史数据等关键信息；⑤手机短信读写全部PLC寄存器，完成短信报警功能；⑥用户可通过手机安装相应的APP，实现网页监控.

在云平台的网页上可以查看历史数据表格与历史报警表格，还可以直接导出数据表格和报警表格到电脑，供打印和处理.S6202G-C支持断线续传功能，定时记录的数据会在下次上线后补录到云服务器，所以历史数据不会丢失.

3 系统软件设计

智能控制系统是当今温室自动控制系统的热点所在，控制方法是温室自动控制系统的核心部分[4-5].在影响农作物生长的环境参数中，温度和湿度是两个最为重要的因素，而温室系统又是一个多变量、非线性、大滞后的时变系统，很难建立一个精确的数学模型[6].针对以上问题，本设计采用模糊控制与PID相结合的新型控制算法分别对温湿度进行控制.

图2 模糊PID控制系统Fig.2 Block diagram of fuzzy PID control system

3.1 模糊PID控制功能的实现

图2为模糊PID控制系统的结构框图.图2中：K1，K2为偏差e和偏差变化率ec的量化因子；K3，K4，K5为比例参数Kp、积分参数Ki、微分参数Kd的量化因子.e和ec作为控制器的输入，然后经过模糊逻辑计算、模糊推理处理后输出为PID控制器的Kp，Ki，Kd的修正值ΔKp，ΔKi，ΔKd，然后再对3个参数进行在线调整，从而达到理想的控制效果.

(1)输入输出变量的模糊化

温度模糊PID控制器输入变量为温度偏差eT、温度偏差变化率ecT，湿度模糊PID控制器输入变量为湿度偏差eH、湿度偏差变化率ecH.设温湿度偏差，偏差变化率，ΔKp，ΔKi，ΔKd的模糊集语言变量为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}7个等级.模糊集论域量化等级为13，整数论域为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}.实际论域eT为[-1,1] ℃，ecT为[-0.018,0.018] ℃，eH为[-10%,10%]RH，ecH为[-0.15%,0.15%]RH.隶属函数采用三角函数.温度参数的量化因子为K3=10，K4=0.2，K5=0.2；湿度参数的量化因子为K3=20，K4=0.5，K5=0.4.

(2)模糊控制规则

模糊控制规则的通用表达式如下：

IfEisAnandEcisBnthen ΔKpispnand ΔKiisinand ΔKdisdn，

式中：An，Bn分别为偏差和偏差变化率；pn，in，dn分别为模糊控制器输出的对应Kp，Ki，Kd的修正值ΔKp，ΔKi，ΔKd，共有49条规则.根据实际经验，建立模糊规则表.限于篇幅，只列出温度模糊控制的ΔKp模糊规则表，如表1所示.

表1 ΔKp的模糊规则表Tab.1 Fuzzy rule table of ΔKp

(3)模糊推理

模糊推理是模糊控制器的核心，采用Mamdani型模糊推理方法.

(4)解模糊

解模糊就是把模糊推理得出的模糊结果修正值转变为实际的精确量，本设计采用重心法进行反模糊化计算.在离线状态下，计算出不同输入状态下的解模糊量，以表格的形式存放在PLC内存中.当输入量发生变化时，通过在线查表方法找到相应的修正值.Kp，Ki，Kd的初始值Kp′，Ki′，Kd′通过常规整定方法获得，则Fuzzy-PID控制器的实时整定值为Kp=Kp′+ΔKp，Ki=Ki′+ΔKi，Kd=Kd′+ΔKd，从而完成对参数的在线整定.

3.2 系统软件的功能实现

系统软件程序包括现场触摸屏控制程序和GPRS无线远程控制程序，流程如图3和图4所示.移动手机终端 APP控制优先级高于现场触摸屏控制，监控系统可实现参数设定、曲线趋势分析、历史数据查询、报警等功能.

图3 现场触摸屏控制流程Fig.3 Scene touch screen control flow chart

图4 GPRS无线远程控制流程Fig.4 GPRS wireless remote control flow chart

3.2.1工作模式

适宜农作物生长的环境在白天与夜晚是不同的，所以本设计分为白天与夜晚两种工作模式.开机默认时间为上限7∶00点、下限19∶00点,温度默认为25 ℃，湿度默认为50%RH ，高温报警默认为40 ℃，低温报警默认为15 ℃，低湿报警为20%RH.在上限和下限以外的时间，自动模式下的温湿度比设定值分别低5 ℃与10%RH.在实验室运行，温度可控误差为±0.2 ℃，湿度可控误差为±5%RH，实验证明系统控制性能较好.

3.2.2控制方式

系统的控制方式分为手动控制与自动控制.手动控制作为自动控制的辅助，通过按钮对温度、湿度和光照强度进行设置，再由启动和停止按钮完成相应的操作；自动控制可通过两种界面实现.

(1)触摸屏监控界面

触摸屏(HMI)作为一种人机交互接口，可以对控制程序进行参数修改并且可用图形、图表、数字来显示参数.触摸屏与PLC之间通过RS-422接口连接，利用GT-Designer 3 组态软件设计系统.点击启动按钮进入自动控制状态，可观察各个设备的运行状况.

(2)手机网页监控界面

S6202G-C无线智能控制器配置的软件开发系统 GRMDev3 是纯绿色免安装软件.首先，使用软件完成工程开发和下载，在工程选项中选定网络读写属性.然后，插入SIM卡，登录到云监控服务器，待数码管显示“-”之后，使用手机网页浏览器打开巨控云监控的网址，输入模块的序列号和密码，即可查看全部的变量.

当各个环境参数超出设定范围或系统出现机械故障时，无线模块可向手机发送报警短信并拨通手机.如果在一定时间内没有回复确认短信，将再次重复报警动作.

S6202G-C包含 2个RS-485 串口，一个串口可以连接多个PLC，每个PLC 需要采用同样的协议，波特率、奇偶校验、停止位也应相同.从站地址设置为不同，在 PLC 编程软件里面也需要对站号进行设置，每一台PLC站号都不能相同.在无线智能控制器中添加设备所填写的地址并要与所设置的站号对应.

4 结语

在实验室搭建了小型温室大棚监控仿真系统，系统运行结果表明，该控制过程平稳、超调量小、运行稳定，能够满足温室作物对生长环境的要求.该设计为提高农业的自动化和网络化水平提供了一定的参考.

[1] 季克.基于PLC的北方干旱地区日光温室环境智能控制系统的研究[D].呼和浩特:内蒙古农业大学,2016.

[2] 张雪花，张武，杨旭，等.农业温室环境控制方法研究综述[J].控制工程，2017,24(1):8-15.

[3] 广州巨控电子科技有限公司.GRM200使用手册[Z].广州：广州巨控电子科技有限公司, 2016.

[4] 郭广颂.智能控制技术[M].北京:北京航空航天大学出版社，2014.

[5] 程瑞，王双喜.温室环境智能控制系统研究与应用[J].山西农业科学,2014,42(2):203-205.

[6] 郎文秀.蔬菜园远程智能监控系统的研究与开发[D].沈阳:沈阳师范大学,2015.

DesignofremotemonitoringsystemforgreenhousebasedonFuzzy-PIDandGPRS

FULihua,PANGZhanxiang,WANGJianbin，LIULuyao

(CollegeofElectricalInformationEngineering,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou451191,China)

Concerning the status quo of low intellectualization and networking level for China's agriculture, an automatic monitoring system of modern greenhouse based on the “internet plus” is designed . The hardware of the system, the Fuzzy-PID technology used in the controller and GPRS wireless communication technology are introduced in detail. The system realizes remote monitoring of temperature, humidity, illumination and SMS alarm. The experimental results show that the system has high control accuracy, stable and reliable operation, and the manual monitoring cost of greenhouse can be reduced.

greenhouse; GPRS; Fuzzy-PID; temperature; humidity

TP273

A

1674-330X(2017)04-0058-04

2017-09-20

付立华(1973-)，女，黑龙江双城人，讲师，主要研究方向为人工智能控制与应用、虚拟仪器技术.