節能型智能溫室大棚控制系統

焦鵬邈 李波 白翠艷 劉浩 劉禧琛 李林琦

摘 要：針對傳統溫室大棚存在的低效率、高成本、非自動化等問題，圍繞增量式PID算法以及物聯網技術提出了基于“檢測、控制、再設定”的參數改進方案。采用增量式PID控制算法調節環境參數在給定的范圍內波動;采用精準滴管控制模式，降低滴灌水量;采用OneNET云平臺對植物的生長情況進行遠程監測;采用TCP/IP通信，通過手機APP的無線參數輸入進行遠程控制。最后通過實驗驗證了方案的可行性和有效性。

關鍵詞：增量式PID;精準滴管控制模型;OneNET云平臺;TCP/IP通信;環境參數;手機APP

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）11-00-03

0 引 言

隨著工業4.0時代的到來，溫室大棚逐漸向全自動化、智能化發展。對于溫室大棚來說，最重要的管理因素為溫濕度、光照強度、CO2濃度的控制。傳統的控制方法是在溫室大棚內放置測量儀器，根據讀取的數值人工調節大棚內的各項參數。隨著溫室大棚規模的提高，人工控制很難滿足需求[1]。

因此我們結合溫室栽培的特點對大棚內各項參數進行動態采集、自動PID控制、遠程監控以及手機APP遠程控制，實現全天候、集中式、高效的溫室大棚監控及管理。

1 溫室大棚的系統結構

“基于PID算法的智能溫室大棚”是集數據采集、數據處理、反饋控制、遠程訪問等功能于一體的軟件和硬件相結合的系統。系統從功能上主要分為三大子系統：環境參數的自動控制系統、基于云平臺的遠程監測系統以及手機APP遠程控制系統。系統整體設計如圖1所示。

2 環境參數的自動控制系統

2.1 自動調光

溫室大棚采用增量式PID控制算法，利用光照傳感器采集大棚內的光照強度構成負反饋，控制單片機產生PWM波信號，調節植物燈的亮度，使棚內的光照強度穩定在給定值[2]。自動調光控制原理如圖2所示。

傳統的PID算法采用按照偏差的比例P、積分I和微分D進行控制的PID調節器。算法中的比例系數kP、積分系數kI和微分系數kD的整定是影響控制效果的關鍵[3]。圖3為傳統PID算法原理。

圖3中，r（t）為給定值，y（t）為輸出值。PID算法在計算時要對偏差e（k）進行累加，運算量大，且長期運行容易積分飽和，因此本系統采用增量式PID算法。增量式PID是通過對控制量的增量（本次控制量和上次控制量的差值）進行PID控制的一種控制算法。相對于普通PID控制算法，增量式PID的算式中無需累加，控制器增量?u（k）的確定僅僅和最近的三次采樣值有關，容易通過加權處理獲得比較好的控制性能。增量式PID算法公式[4]：

式中：TI為調節器的積分時間;TD為調節器的微分時間;T為采樣周期。根據公式（2），畫出增量式 PID控制算法程序流程，如圖4所示。

2.2 精準滴灌

傳統的灌溉屬于開環方式，很難控制灌溉的水量，造成水資源的嚴重浪費。而采用精準滴灌的方式給植物澆水能有效提高水資源的利用率。為達到精準滴灌的目的，建立了滴管控制系統，采用分階段滴管控制算法，利用土壤濕度傳感器采集土壤的濕度值構成控制的負反饋，產生PWM波信號控制水泵的開啟程度。滴管控制原理如圖5所示。

由于溫室大棚采用的是精準滴管，相對于灌溉，其水流速很慢，故假設水閥張開角度為特定的θ角時，其滴管水流速恒定為v1。因此每一個θ角都對應一個滴管水流速v1，即v1=f（θ），其中f為θ到v1的映射，該映射關系與水閥的種類有關，不同的水閥可以通過實驗測得。在本系統中，我們所用的水閥可以精準控制其張開角度θ，且θ和所給PWM信號的占空比α成線性關系，即θ=kα+b，其中k為線性比例系數，b為截距，綜上有：

在實際情況中，水的滲透是一個非常復雜的偏微分模

型[5]，但是在本系統中，由于水的滲透速度非常小，其微小的變化對系統的控制影響比較小，因此在連續滴管中可以將水的滲透模型簡化為一個簡單的恒速滲透模型。記水滲透速度為v2，植物生長箱的土壤面積為m×n，滴管時間為t。當v2t≥min{m， n}，可以認為水已經第一次滲透到生長箱的所有土壤。

在很多控制系統中都采用PID控制算法進行精準控制，但是一個良好的PID控制系統必定需要相應的超調量。在溫室大棚的濕度控制中，具有超調量的PID控制算法不太適用[6]。因為濕度一旦有了超調量就無法通過其他路徑使濕度值下降。因此溫室大棚采用“分階段滴管控制”，即當v2t≤min{m， n}時，采用比例負反饋控制滴管速度;當v2t>min{m， n}時，采用恒速滴管。通過土壤濕度傳感器時時監測當前的土壤濕度。記當前的土壤濕度值為H1，系統設置的土壤濕度閾值為H2，兩者偏差?H，即

所以當v2t≤min{m， n}時，α=kP?H=kP（H1-H2）。為了使系統無超調，當v2t>min{m， n}時，以一個恒定較小的速度v1s滴灌，求出對應v1s的占空比α為。精準滴管的控制模型如下：

3 基于云平臺的遠程監測系統的設計

農業環境監測具有分布離散且相互獨立的特點，每個溫室大棚內部的農作物生長環境各自獨立，數以百計的溫室大棚的環境數據需進行集中管理[7]。溫室大棚的上位機基于OneNET云平臺開發。OneNET是一個開放的物聯網服務平臺，用戶可以免費注冊賬號并使用此平臺。OneNET管理平臺上的資源包括用戶、產品、設備、APIKey、觸發器、應用等。

3.1 OneNET云平臺接入

OneNET作為一個免費開放的云平臺，可被廣泛應用于不同領域[8]。在此，將其作為溫室大棚監測平臺的上位機，下位機與其接入的步驟如下。

（1）創建產品。首先需要在OneNET云平臺創建一個公開協議產品，并且設備接入協議選擇HTTP，創建產品后，記錄該產品的產品ID和APIKey。

（2）創建設備。在創建好的產品下點擊添加設備，輸入設備名稱和鑒權信息（即設備編號），記錄該設備ID。

（3）建立HTTP連接。HTTP服務器地址域名為jjfarfapi.heclouds.com（IP地址：183.230.40.33），端口號為80。

（4）數據點上傳。使用HTTP封裝格式和SDK中提供的接口函數將數據上傳到平臺。

（5）查看數據流。在OneNET云平臺上找到設備管理-數據展示，進入數據展示頁面，點擊下拉菜單，通過坐標圖可以查看相應數據流下近期上傳的數據值。

（6）應用生成。數據上傳成功后，可基于這些數據所屬的數據流進行應用以及觸發器的創建。

3.2 云平臺上位機展示

本植物生長箱系統的主要功能在于監測生長箱內的溫度、濕度、CO2濃度以及光照強度等環境參數。OneNET云端上位機顯示如圖6所示。

由圖6可知，上位機由兩部分組成，上方4個圖像顯示生長箱的溫度、濕度、CO2濃度以及光照強度。下方一排表盤是這4個環境參數的設置閾值。通過云平臺上位機，使用者可以隨時遠程監測生長箱內的生長情況。

4 手機APP遠程控制系統

手機APP遠程控制系統基于TCP/IP通信[9]與Android平臺[10]開發，使用者僅通過手機APP就能夠對溫室大棚的給定參數進行無線輸入，極大地簡化了用戶操作。溫室大棚采用無線路由器作為中間連接裝置，手機客戶端采用Android Java開發，結合Socket完成網絡通信和數據交互。最終編譯后打包生成APK安裝文件在Android手機上安裝，對比傳統的按鍵輸入，其具有不受環境、時間、地域、距離等因素影響的特點，同時還可通過用戶手機進行遠程控制，操作方便靈活。用戶端設計算法流程如圖7所示。

當用戶打開客戶端APP時，程序先進行界面初始化，然后用戶輸入服務器的IP地址及端口號。點擊“連接”按鈕，若“設置”按鈕激活，且系統提示“連接成功”，說明客戶端與服務器連接成功。接著用戶在對應地方輸入給定參數，最后點擊“設置”按鈕。若系統提示“設置成功”，則說明用戶設置的給定參數已成功輸入下位機。

本系統主要包含2個Activity和3個XML腳本文件。我們可以根據不同的底層協議來實現，選用基于TCP/IP協議的Socket通信方式。同時為了提高系統的通信效率，將Socket通信的接收部分放在獨立線程Thread中執行，以保證系統的快速性。

為了避免通信中出現偶然因素導致接收的數據不準確，采用“自定義通信協議”，發送數據格式：# data1 % data2 % data3 % data4 % data5。其中“#”表示起始信號，“%”表示兩個數據的間隔，data1，data2，data3，data4分別表示溫度、濕度、CO2濃度和光照強度，data5表示前4個數據的和，如下：

當下位機接收到的數據滿足上述等式時，則認為數據接收無誤，否則視為無效接收，舍去接收到的數據。用戶端界面如圖8所示。

5 結 語

節能型智能溫室大棚控制系統在傳統的溫室大棚控制策略上提出了通過增量式PID算法對溫室大棚環境進行自動控制;結合OneNET云平臺進行遠程監管;采用手機APP對溫室大棚進行遠程控制，讓農業大棚的控制更加便捷，同時也提高了系統的穩定性和能源利用率。

參 考 文 獻

[1]章智杰.莒南縣溫室大棚發展現狀及對策研究[J].農村經濟與科技，2019（3）：201-203.

[2]劉亞偉.基于物聯網技術的智能溫室大棚控制系統研究[D].長春：長春工業大學，2018.

[3]唐玉紅.PID控制方法研究[J].電子世界，2019（7）：65-66.

[4]嚴曉照.增量式PID控制在溫控系統中的應用[J].南通大學學報，2006，5（4）：48-51.

[5]蔣瑋，沙愛民，肖晶晶，等.透水瀝青路面的儲水滲透模型與效能[J].同濟大學學報，2013，41（1）：72-77.

[6]譚志君.基于多變量控制的智能溫室控制系統[D].上海：東華大學，2015.

[7]宋俊慷.農業溫室大棚遠程監測平臺設計[J].民營科技，2018（7）：147-149.

[8]侯杰林，張青春，符駿.基于OneNET平臺的水質遠程監測系統設計[J].淮陰工學院學報，2016，25（3）：10-13.

[9]龔峰文.嵌入式TCP/IP網絡通信協議的實現[J].硅谷，2008（24）：53.

[10]高南虎.基于安卓的遠程監控系統的設計與實現[J].科技風，2018（2）：77.