基于嵌入式的大棚种植CO_2气肥增施控制器设计.pdf

基于嵌入式的大棚种植 CO 2 气肥增施控制器设计 卞泽宇 null 靳峰峰 null 金 敏 null nullnull 潞安职业技术学院 山西 长治 nullnullnullnullnullnull nullnull 济源职业技术学院 河南 济源 nullnullnullnullnullnull nullnull 内蒙古农业大 学 呼和浩特 nullnullnullnullnullnull 摘 要 为了进一步提高大棚温室农作物的抗病性 null蔬果质量和产量 设计了一种智能的 nullnull null 气肥增施控制器 null 系统通过 nullnullnull 无线传输网络采集大棚温室的环境参数信息 将 nullnullnull 和模糊控制系统结合起来 实现了对 nullnull null 气 肥增施控制器的精准控制 null实验结果表明 nullnull null 气肥增施控制器可以实现对大棚温室 nullnull null 浓度的优化增施 能 够满足作物光合作用对 nullnull null 的需求 null 关键词 大棚温室 nullnull null 气肥 nullnullnull nullnullnull 模糊控制 中图分类号 S625 5 TP274 文献标识码 A 文章编号 1003 188X 2023 11 0127 05 0 引言 传统的农业生产模式效率低下 生产出来的产品 种类单一 容易受到季节性影响 null利用大棚温室 在 局部范围改善或创造环境微气候 为动植物生长发育 提供良好的环境条件 不仅极大地改善了传统农业的 生产模式 也提高了单位土地农产品的产量 null为此 设计了大棚种植 nullnull null 气肥增施控制器 可以根据环境 参数变化控制 nullnull null 浓度 为农作物生长利用提供有利 条件 null 1 CO 2 气肥对作物的影响 1 1 提高农作物的抗病性 适当给作物施加 nullnull null 气肥 使农作物根系发达 null 生长茂密 大约可使作物叶片面积增大三成 同时 还 可以有效降低作物的发病率 统计学资料显示 增施 nullnull null 气肥后 辣椒的花叶病发病率可降低 nullnullnull左右 黄瓜霜霉病可降低 nullnullnull左右 番茄蕨叶病可降低 nullnullnull 左右等 null 1 2 促使农作物提前成熟 提早上市 适当给作物施加 nullnull null 气肥 可以促进作物光合作 用 提高作物碳水化合物的积累 使作物开花时间提 前 促使作物提前结果 null成熟 提早作物上市时间 null 1 3 提高农作物的质量 冬季温室大棚种植的番茄 null黄瓜等果实的口感很 收稿日期 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 基金项目 内蒙古自治区高等学校科研项目 nullnullnullnullnullnullnullnullnull 作者简介 卞泽宇 nullnullnullnullnull 男 山西长治人 讲师 硕士 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull 差 除光照不足的原因外 还有 nullnull null 不足 null统计学资 料显示 增施 nullnull null 气肥后 蕃茄含糖量和有机酸大约 能提高两成 可大幅提高蕃茄果实的质量 null 1 4 提高农作物产量 冬春季温室大棚种植蔬果 nullnull null 浓度仅在 nullnull null nullnullnullnullnullnullnullnull 范围内 而蔬果正常生产需要约为 nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull当温室大棚的 nullnull null 浓度较低时 作物根系孱 弱 null植株弱小 null花芽分化弱 若提高 nullnull null 浓度可以使作 物根系发达 提高光合作用效率 增加农作物种植产 量 null统计学资料显示 增施 nullnull null 气肥后 黄瓜 null番茄 null 茄子 null大椒及生菜平均可增产两成左右 null 2 CO 2 气肥增施控制系统的设计 2 1 系统整体架构设计 nullnull null 气肥增施控制系统下位机采用 nullnullnull 为核心 控制单元 通过对大棚温室的 nullnull null 浓度 null光照度 null空气 温湿度和土壤湿度进行采集 在通过 nullnullnull 无线传输 网络将环境信息发送给 nullnullnull 系统再根据大棚环境参 数进行综合判断 控制电磁阀 驱动执行机构进行 nullnull null 气肥增施 null上位机是系统的监测和管理中心 通过 nullnullnullnullnull 和 nullnullnull 之间实现通信 完成环境信息的存储和 查询 nullnullnull null 气肥增施控制器整体架构如图 null 所示 null 2 2 WSN 无线传输网络系统设计 null nullnullnull 无线监控节点设计 nullnullnullnull 无线监控节点 是整个系统环境信息的采集终端 也是 nullnull null 控制的驱 动机构 nullnullnullnull 无线监控节点通过各类环境采集传感 器 定时采集环境信息 并通过 nullnullnull 管脚驱动控制电 磁阀的通断 控制 nullnull null 气阀闭合和断开 null系统通过 nullnullnullnullnullnull 无线网络 将环境信息上传给 nullnullnull 控制器 接 nullnullnullnullnull nullnullnullnull 年 nullnull 月 农 机 化 研 究 第 nullnull 期 DOI 10 13427 ki njyi 2023 11 034 收 nullnullnull 下发过来的控制指令 nullnullnullnull 无线监控节点结 构如图 null 所示 null 图 null nullnull null 气肥增施控制器整体架构图 nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnull null nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 图 null nullnullnull 无线监控节点结构图 nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull null 无线控制模块 null无线控制模块用于完成 nullnullnull 和无线传感器网络之前的控制和通信功能 null其中 控 制部分主要完成环境传感器数据采集和实现对电磁 阀的控制 通信部分完成 nullnullnullnullnullnull 组网和无线数据收 发 null监控节点微处理器采用美国 nullnull 公司的 nullnullnullnullnullnull 高功率无线控制模块 null null 传感器与继电器模块 null为了精准地测量大棚 温室的环境信息 在充分考虑测试精度 null功耗等信息 后 选择了如表 null 所示的 null 种传感器 null 表 null null 种传感器主要参数 nullnullnullnullnull null nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 传感器类别 测量范围 测量精度 额定电压 nullnull nullnull null 浓度传感器 nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnull 光照强度传感器 nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull null 空气温湿度 传感器 湿度 温度 nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnull 土壤温湿度 传感器 湿度 温度 nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnull 为了保证电路模块的稳定性和可靠性 选择单路 光耦隔离电磁阀 nullnullnullnullnullnull 对 nullnull null 气阀进行驱动和控制 null 电磁阀 nullnullnullnullnullnull 采用 nullnullnull 供电 可负载 nullnullnullnullnullnullnull 能够 满足系统控制需求 null 2 3 智能网关设计 智能网关是个域网和广域网之间通信的桥梁 是 用于 nullnullnullnullnullnull 模块和 nullnullnullnull 之间的信息传递 null智能网 关主要能够完成存储和显示温湿度环境信息 修改各 个传感器采集周期以及控制 nullnull null 气阀等 null智能网关 的结构框架如图 null 所示 null 图 null 智能网关的结构框架 nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 3 基于模糊控制的 CO 2 气肥增施系统设计 3 1 模糊 PID 控制原理 模糊 nullnullnull 算法实时采集受控对象的数据信息 并 将其与预设值进行对比 从而产生误差的比例 null 积 分 null 和微分 null 的控制系统 nullnullnullnull 控制系统结构如 图 null 所示 null 图 null nullnullnull 控制系统结构 nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull 图 null 中 nullnullnull 主要根据给定值 rin k 和输出值 yout k 形成差值 e t 实现对控制对象的控制 即 e t rin t yout t null 经过拉氏变换 nullnullnull 控制器的传递函数为 u t k null e t null T null t null e t nullt T null nulle t nullt null G s null U s E s k null null null T null s T null s null 其中 k null nullT null 和 T null 分别为控制器的比例 null积分时 间和微分时间常数 null 3 2 模糊控制系统设计 在实际种植过程中 日光温室具有实变性和非线 nullnullnullnullnull nullnullnullnull 年 nullnull 月 农 机 化 研 究 第 nullnull 期 性等特征 不方便采用数据模型进行模拟仿真 null模糊 控制技术是近代控制理论的一种非线性的智能控制 技术 其不必知道被控制对象的精确模型 只是结合 经验控制行为 采用反馈控制思想 总结成一系列的 控制规则 然后设计软件程序实现控制 null为了实现对 大棚温室 nullnull null 的精确控制 本文引入了模糊控制技 术 null 模糊控制系统先将输入参数偏差 e 和偏差变化率 e c 分别模糊量化为模糊量 再由 enulle c 和模糊控制规则 null 经专家经验合成规则 确定模糊控制决策 得到实际 控制的模糊控制量 并将模糊控制量解模糊成精确量 输出 null模糊控制系统结构如图 null 所示 null 图 null 模糊控制系统结构图 nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull 3 3 变量模糊化处理 模糊控制器采用双输入单输出的结构模型 将 nullnull null 浓度偏差 e 和偏差变化率 e c 作为系统的输出参 数 其作用是将真实的输入量转换成一个模糊矢量 控制 nullnull null 气肥增施控制器的电磁阀开启时长作为输 出变量 Tnull根据大棚温室 nullnull null 浓度历史变化数据知 浓度值偏差范围为 nullnullnullnullnullnull 是农业蔬果最佳的生产 环境 null设置 nullnull null 浓度偏差值 e 的的模糊论域为 nullnull null 偏差变化率 e c 的模糊论域为 nullnull null 二者的模糊 论域分别为 e ec null null null null null null null null null null null null null null 其中 nullnull null 浓度偏差值 e 和偏差变化率 e c 的量化 因子分别为 K null null K null nullnull nullnull null 浓度的模糊语言变量设置为正大 nullnull 正中 nullnull 正小 nullnull 零 null 负小 nullnull 负中 nullnull 和负 大 nullnull nullnull null 浓度偏差值 e 和偏差变化率 e c 的模糊子集分 别为 Ke Ke c nullnull nullnull nullnull null nullnull nullnull nullnull null 输出变量 T 没有负值 变化范围设置为 null nullnull 模 糊论域集合为 null null null null 量化因子设置为 K null nullnull 控 制时间模糊化为零 null 短时 nullnull 中时 nullnull 和长时 nullnull 为了实现 nullnull null 气肥的精准控制 将输出变量 T 设置为关闭 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 3 4 隶属度函数的确定 隶属度函数是模糊控制技术的基础 正确构造隶 属度函数是模糊控制技术关键所在 null常用的隶属度 函数 包 括 高 斯 nullnullnullnullnullnullnull 梯 形 nullnullnullnullnullnull 和 三 角 形 nullnullnullnullnull null 种 null其中 前面两种比较复杂 计算量比较 大 为了减少运算量 缩短计算时间 采用三角形函 数 nullnullnull null 气肥浓度输入和输出变量的隶属度函数分别 如图 null 和图 null 所示 null 图 null nullnull null 气肥浓度输入变量的隶属度函数 nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnull null nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull 图 null nullnull null 气肥浓度输出变量的隶属度函数 nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnull null nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull 3 5 模糊控制表的确定 模糊控制规则是根据操作技术人员的知识积累和 实践经验 汇总形成的一条条模糊条件语句 null模糊控 制的原则 当偏差较大时 选择合适的控制量尽快消 除偏差 当偏差较小时 选择合适的控制量防止超调 和保证系统的稳定性 null 根据规则 对于双变量输入和单变量输出的模糊 模型 控制语句采用 nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 的语法 null例如 nullnull null nullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnull null null nullnull 表示 nullnull null 浓度偏差为 负大 偏差变化率为正大 那么模糊控制器输出时间 为 nullnullnull 本文采用 nullnullnullnullnullnullnull 建立模糊控制规则表 首先根 据模糊关系 E E c T 计算出所有控制规则对应 值 然后根据 nullnull null 浓度偏差和变差变化率计算模糊控 制量 最后根据属度最大原则进行模糊决策 使得模 糊量转化为精确量 并乘以相应的比例因子 K null 得到 nullnullnullnullnull nullnullnullnull 年 nullnull 月 农 机 化 研 究 第 nullnull 期 继电器开启的时长 null模糊控制规则表如表 null 所示 null 表 null 模糊控制规则表 nullnullnullnullnull null nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull ec e nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull null nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull null null nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull 4 实验与结果分析 为了验证 nullnull null 气肥增施控制器的可靠性 将机器 安放在某番茄种植基地的大棚温室内 利用机器对大 棚温室内的 nullnull null 进行补施 并对 nullnull null 浓度进行记录 null 番茄大棚温室的 nullnull null 浓度变化曲线如图 null 所示 null 图 null 番茄大棚温室的 nullnull null 浓度变化曲线 nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 图 null 中 实线为没有开启 nullnull null 气肥增施控制器的 大棚 nullnull null 浓度变化曲线 虚线为开启机器的 nullnull null 浓度 变化曲线 null由图 null 可看出 没有开启 nullnull null 气肥增施控 制器的大棚 随着光照强度的变强 nullnull nullnull 温室中的 nullnull null 浓度快速下降至 nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull 上下 然后一直到 nullnull nullnull 维持该 nullnull null 浓度水平 后面随着光照强度的减 弱 nullnull null 浓度逐渐升高 说明此时只通过通风补充 nullnull null 已经无法满足作物的需求 null开启 nullnull null 气肥增施机器 的大棚 采用智能控制模式 通过检测温室内环境参 数信息 进行 nullnull null 气肥优化控制 当检测到 nullnull null 浓度 下降到预设值或变化率加快时 会开始对 nullnull null 进行补 施 在此过程中 始终保持 nullnull null 浓度在 nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull 以上 nullnull nullnull 后 光照强度减弱 停止 nullnull null 气肥增施控 制器 null实验表明 nullnull null 气肥增施控制器可以实现对大 棚温室 nullnull null 浓度的优化增施 能够满足作物光合作用 对 nullnull null 的需求 null 5 结论 为了实现对大棚温室的 nullnull null 气肥进行智能控制 调节 设计了基于 nullnullnull 的 nullnull null 气肥增施控制系统 可 以通过 nullnullnull 无线传输网络采集大棚温室的 nullnull null 浓 度 null光照度 null空气温湿度和土壤温湿度 实现 nullnull null 气肥 增施系统 能够实时对大棚温室的 nullnull null 浓度进行调 节 null实验表明 nullnull null 气肥增施控制器可以实现对大棚 温室 nullnull null 浓度的优化增施 能够满足作物光合作用对 nullnull null 的需求 null 参考文献 null 刘爽爽 于欣策 邹广奕 null 智能汽车执行控制技术研究 null null 时代汽车 nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull null 施凤鸣 骆旭坤 null 基于树莓派的智能云灌溉模糊控制系 统设计 null null 通化师范学院学报 nullnullnullnull nullnull null nullnull nullnullnullnull null 许允 潘慕绚 黄金泉 null 基于智能特征提取的模糊建模及 鲁棒控制 null null 航空动力学报 nullnullnullnull nullnull null nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull null 王楠 null 基于模糊神经网络 nullnullnull 的塑料薄膜厚度智能控制 null null 合成树脂及塑料 nullnullnullnull nullnull null nullnullnullnullnullnull null 王永显 孙亚萍 杨铭鑫 null 大棚黄瓜栽培中秸秆生物热气 肥应用效果初探 null null 西北园艺 综合 nullnullnullnull null nullnull null nullnullnull null 姚闯 null 水稻育秧棚 nullnull null 气肥控制系统的设计与实现 null null 大庆 黑龙江八一农垦大学 nullnullnullnullnull null 刘慧敏 null 基于 nullnullnullnull 的果园灌溉预测与控制算法设计与 实现 null null 哈尔滨 黑龙江大学 nullnullnullnullnull null 徐帆 刘湘龙 null 初探智能化技术在电气工程自动化控制 中的应用 null null 中小企业管理与科技 下旬刊 nullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnull null 高博轩 赵弘 吴婷婷 null 管内智能封堵器调速节能装置模 糊 nullnullnull 控制方法研究 null null 机床与液压 nullnullnullnull nullnull nullnull null nullnullnull nullnull 于镓 杨延荣 赵辉 null 全自动电加热负压二氧化碳气肥 发生器控制系统设计 null null 农业开发与装备 nullnullnullnull null nullnullnullnullnullnull nullnull 牛曼丽 李新旭 李红岺 null 日光温室 nullnull null 气肥智能调控 系统设计与研究 null null 农业工程技术 nullnullnullnull nullnull nullnull nullnull nullnullnullnull nullnull 张泉 null 基于大棚固碳的太阳能智能灌溉调控系统的研 究 null null 广州 广州大学 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull 年 nullnull 月 农 机 化 研 究 第 nullnull 期 nullnull 张泉 梁忠伟 刘晓初 null 基于 nullnullnullnullnullnullnull 和模糊控制的大 棚气体施肥控制系统的仿真研究 null null 农业与技术 nullnullnullnull nullnull null nullnullnullnull nullnull 李江鹏 null 光谱分布对人工气候室稻麦生长与光合特性 的影响 null null 南京 南京农业大学 nullnullnullnullnull nullnull 杨小华 吴静 陈广侠 null 增施 nullnull null 对马铃薯三膜覆盖栽 培块茎产量和干物重的影响 null null 山东农业科学 nullnullnullnull nullnull null nullnullnullnullnullnullnull nullnull 李向前 梁然 张红 null 二氧化碳气肥在日光温室黄瓜上 的应用试验 null null 现代农村科技 nullnullnullnull null nullnull nullnullnullnull nullnull 牛淑芳 null nullnull null 气肥技术在设施蔬菜上的应用 null null 中国 果菜 nullnullnullnull nullnull null nullnull nullnullnullnull nullnull 刘汉文 武国慧 王玲莉 null 不同浓度 nullnull null 与化肥配施对 番茄生长和养分吸收的影响 null null 中国土壤与肥料 nullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull 甘圣昊 null 基于无线传感器网络的人工气候室监控系统 研究与实现 null null 南京 南京邮电大学 nullnullnullnullnull nullnull 姜珊 谭峰 侯召龙 null 模糊控制在温室大棚控释 nullnull null 气 肥系统中的应用 null null 江苏农业科学 nullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnull 刘现 林营志 李传辉 null 人工气候室群测控系统的设计 与应用 null null 福建农业学报 nullnullnullnull nullnull null nullnullnull nullnullnullnullnull nullnull 丁海 null 基于 nullnullnullnullnullnull 的温室水稻育秧监控系统设计 null null 齐齐哈尔 齐齐哈尔大学 nullnullnullnullnull nullnull 李玮 蒋达华 null 基于计算机控制系统植物人工气候室设 计 null null 建筑技术开发 nullnullnullnull nullnull null nullnull nullnullnullnull nullnull 刘现 林营志 李传辉 null 人工气候室集群运行计划管理 系统的设计与实现 null null 中国农学通报 nullnullnullnull nullnull null nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull 刘妍华 曾志雄 郭嘉明 null 增施 nullnull null 气肥对温室流场影 响的数值模拟及验证 null null 农业工程学报 nullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull 杨文豪 null 基于多变量模糊控制的人工气候室系统设计 null null 济南 山东大学 nullnullnullnullnull nullnull 孙宗宇 王兴国 于国辉 null 某高湿负荷大幅变参数的恒 温恒湿人工气候室工程实例研究 null null 建筑科学 nullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull 甘圣昊 张腾飞 陈龙 null 基于无线传感网的人工气候室 数据采集系统 null null 计算机技术与发展 nullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull Design of CO 2 Gas Fertilizer Increasing Controller for Greenhouse Planting Based on Embedded System nullnullnullnull nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnull nullnullnull null nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nu