农业环境监测及控制的仿真与实现

张海燕，俞晓阳

（甘肃建筑职业技术学院， 甘肃 兰州 730050）

0 引言

随着设施农业的发展,物联网技术在现代农业中的重要性日益突出。 人们对于远程监测以及控制农业环境的要求越来越迫切,作为第三次工业革命代表的物联网技术,与现代化农业的融合是一种趋势［1-3］。

在欧洲及日本,对于现代农业中的现代化设施的统称提出了“设施农业(Protected Agriculture)”这一概念,美国则通常用到“可控环境农业(Controlled Environmental Agriculture)”一词［4］。 2012 年,我国的现代化农业的发展已经有很大的突破,最主要体现在我国的设施农业面积在全世界设施面积中的占比已经达到了85%以上。 在现代化农业中,聚烯烃温湿度大棚膜的覆盖比例达到了95%以上。 我国的现代化农业对太阳能的利用居于世界首位,我国现代化农业的数量优势已经随着量变的积累到了质变的转化阶段,农业的技术水平已经越来越接近世界的先进水平。 设施栽培以其产量突出、规模效应明显而在现代农业中占据优势地位,其产量比传统露天种植高出2.5 倍［5］。 我国历来受远低于世界的人均耕地制约,粮食产量如何匹配我国粮食需求一直以来都为人们所重视。 发展设施农业是当前解决我国人口与耕地矛盾的最行之有效的手段。

随着农业现代化技术的发展,温室大棚气候环境监测和局部气候通过技术手段改变对农民增产增收有着重要的意义［6］。 近年来越来越多的学者开展了关于农业环境因素的远程监控及相关的工作,监控的因素包括温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度等。 本课题采用多种传感器及嵌入式技术相结合,搭建了一个新型便携式综合环境检测数据的采集模块,其中温度控制单元可以实现环境温度的远程控制。 本课题研发和设计了一种功能多样、可靠性高的环境监测数据采集及局部气候改变系统,提高农业生产效率。

1 系统原理和组成

1.1 气象数据的采集与测量系统

气象数据的采集与测量是本课题研究的基础和重点。 本系统拟采用STM32 为核心处理器,以模块化编程方式实现,将各个数据以模块化方式进行采集并通过无线通信及GPRS 透传进行数据上传与保存。 总体构架,如图1 所示。

图1 数据采集与测量系统

1.2 大棚局部气候远程协调控制系统设计

送风设计考虑到环境中空气调节的均匀性和连续性,故而采用压力均匀的送风环节,同时在送风管道的选择上,尽可能选择柔性管道,使调控过程中大棚空间中的空气调节更加均匀,同时由于采用了柔性风管,大大减小了所占用的空间。 除了送风环节,还采用了中央空调式的温度调节设计,同时自然补充环境中的二氧化碳,这样的措施可以防止由于二氧化碳浓度的波动所引起的农作物早衰的现象。 为了控制环境湿度,此系统使用湿帘,其他相关的组成部分包括供水系统、风机及相关的配件。 在实际的安装过程中,湿帘被安装在温室大棚的北墙,将风扇布置在温室大棚的南墙,从而避免了湿帘引起的遮光问题,影响温室中植株的生长。 同时考虑到一旦室外的温度降低,为了保证室内温度的稳定性,在湿帘外侧在加装一层保温膜。

为了控制系统中模拟降雨量的精度要求,本系统采用基于变频器控制的方式来精确控制水泵的流量,根据系统所需要的流量来设定压力值,在系统中再利用压力传感器反馈系统的压力值,配合变频器组成电机的自动调速的控制系统,对电机的转速进行自动调节,从而控制温室内模拟降雨所对应的不同雨量对应的水的压力值,再根据反馈的压力值来进行模拟降雨的自动调节。 这种调节方式的优点是响应速度快、稳定性强、运行效率高。 将上位机和PLC 实时通信,以监控环境中的各项参数,并实时显示各项参数的数值。

在光照度的调解方式上,本课题拟实现温室大棚光照的智能调节,推进我国设施农业的发展。 在本次设计系统中采用STC89C51 单片机作为控制系统的核心处理芯片,为了实现自动控制,采用光敏电阻实时采集环境中的光照强度,并且用此信号在单片机中进行处理,设定一个光照的阈值,一旦光照强度超过此阈值,单片机控制光帘的电机来实时地控制光帘的开度。当光照强度低于设定的阈值时,单片机发出控制信号两驱动控制电机以实现光帘的收起。 同时,为了方便使用,考虑添加手动使用。 在手动模式中用SC2262 编码芯片将遥控的信号进行编码,通过无线接收模块发送到单片机当中,以实现控制信号的手动输入目的,从而实现光帘开度的控制［7］。

3 温度模型的建立

为了建立温室的温度模型,根据温室内的热平衡方程,将影响温室中温度的因素综合考虑,得到描述温室中温度变化率dT/dt 的具体的微分方程,动态模型如下:

其中,v 表示为温室的体积(m3),ρ为空气密度(kg/m3),Cp为空气中的热含量(Jkg-1k-1),Qr为太阳光照辐射能,Qheater为加热能,Qvent为通风和渗透的能量,Qc为与外界热传导的能量,Ql长波辐射能量,Qleaf为室内空气与作物叶面的热传导能量。

为了得到模型中各个能量单元的具体表达式,分析温室大棚中其小气候变化的物理过程,来建立各种能量交换的具体表达式［8］:

太阳辐射能量Qr表达式如下:

选择的主要参数,如表1 所示。

表1 模型参数

4 温度模糊控制的仿真

将上述参数带入,在matlabb simulink 中建立目标温室的数学模型。 采用模糊控制的方法实现温度控制［9-10］。 模糊PID 控制的仿真原理,如图2 所示。

图2 仿真原理

4.1 模糊控制器的设计

该系统为两输入单输出系统,输入量是温度的误差及其微分,输出为加热器的控制信号,如图2 所示。将模糊控制器的两输入范围分为元素为7 个的模糊集合,从负最大到正最大,将输出也分为元素为7 个的模糊集合,也是从负最大到正最大。 隶属度函数选择简单高效的三角形函数。

自整定规律如下:

(1) 系统误差及其微分信号通过建立模糊规则输出一定的控制信号,当误差比较大且误差的微分比较大时输出的控制信号比较激进,目的是使系统的误差尽快减小。

(2) 当误差进入比较小的阈值输出的控制信号比较缓和,目的是使系统的误差不会产生剧烈的震荡。

解模糊采用重心法。 通过模糊控制器的自整定规律,再结合解模糊,就可以实现从模糊集合到实际输出的变换。

4.2 系统仿真

仿真的温度给定值设定为28 ℃,在经过120 s的稳定时间后,将温度设定值升高5 ℃观察输出的温度波形,如图3 所示。 在Matlab 中对此模糊温度控制系统进行仿真,同时将此结果和传统PID 控制算法的仿真结果进行比较,可以得出如下结论:模糊控制算法成功降低了温室大棚温度控制的超调并且大大减小了温度的响应时间。

图3 温度调节波形

5 环境监测数据采集系统的实现

项目运用传感器及嵌入式技术设计了一种新型便携式综合环境监测数据采集仪。 通过实验结果和误差分析的研究、分析可实现实时数据采集和显示功能,并保证系统数据的可信度,可应用于空气质量监测、室内环境监测、煤气、天然气及有毒气体监测等场景［11-12］。远程环境数据采集仪1.0 电路,如图4 所示。

图4 远程环境数据采集仪1.0 电路

远程环境数据采集仪PC 界面:系统使用ONENET 移动物联网平台做PC 及手机端界面,可实时在PC 端与手机端观测所有数据及其变化,并可以查询任意时刻的数据信息,方便针对具体情况进行相应的处理措施［13-15］。 远程环境数据采集仪PC 界面,如图5 所示。

图5 远程环境数据采集仪PC 界面

6 结语

本文通过建立温室大棚环境综合控制的整体架构,得到了一个较完整的温室环境综合控制的实现途径,并确定了方案中的具体实现方式。 通过分析得出温室大棚的温度模型,由此确定了本次课题中所采用的控制算法,设计了相应的模糊算法,并经过Matlab仿真测试,得出该控制器具有良好的动态及稳态性能,输出超调小,响应速度快,可以作为温室大棚环境控制的实现方式。