智能恒温农业大棚温度控制系统研究_何茜.pdf

2023 年 4 月下53Agricultural Machinery and Agronomy农机与农艺智能恒温农业大棚温度控制系统研究*何茜，李薇，高亚玲（陕西邮电职业技术学院，陕西 咸阳 712000）摘要：针对传统农业大棚温度控制系统效率低及数据时效性滞后等问题，课题组研发一款具有智能恒温和高精度的农业大棚温度控制系统。该系统以物联网和单片机为技术背景，利用无线传感网精准采集大棚环境数据，采用模糊控制方式实现系统恒温效果。测试结果表明：该系统不仅温控效果精准，且稳定性较好，具有较强的开发前景，可有效助力“三农”产业发展。关键词：恒温；农业大棚；温度；控制系统中图分类号：S625；TP274 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2023.08.016温室大棚的温度直接影响到种植物的生长状况，通常情况下都需要有经验的种植农户进行人工控制，不仅费时费力，还容易对大棚内的种植物健康产生影响。为了保障农作物健康生长，需要采用智能化先进温控系统进行辅助，促进农作物在适宜的条件下生长。通过对农业大棚温度控制系统的研发和技术推广，不仅可以助力“三农”产业健康发展，助推乡村振兴，还可依据农作物不同季节生长需求，对温度进行实时模拟参数调节，促使传统农业大棚向智能化和数字化转型升级。1 研究背景随着人们物质生活水平的不断提升，人们对非时令蔬菜水果等农产品的需求增加，农业大棚得到了广泛应用与发展。农业大棚不仅可以种植有机蔬菜和瓜果，还可开发观赏苗，提高单位土地产量和农产品的附加值1。然而大棚农作物的种植与管理复杂且精细，如何保持温室内适宜的光照、温度和湿度，科学施肥，合理采收、运输、储藏是一门“技术活”。传统农业大棚由于维护费用高，数据采集效率低，温度可控性差，已经无法满足当前农作物健康生长的需求2。因此，亟需研发一款具有自动智能和恒温调节功能的大棚温度控制系统，以改善棚内农作物生长环境温度。2 智能恒温农业大棚温度控制系统结构课题组研发了一款具有自动智能和恒温调节功能的大棚温度控制系统。该系统结构分为五个模块，即数据采集、监控、调控设备、网络传输及单片机模块，如图1所示。图1系统结构2.1 数据采集模块系统数据采集模块利用物联网传感器对大棚环境数据进行精准采集，该模块包含了温度、湿度、光电传感器，采用ZigBee嵌入式芯片进行短距离无线数据传输2-3，其优势在于速率快、功耗低、抗干扰性强、成本低。通过将数据传输至监控模块显示，对环境中异常的数据可通过单片机模块进行自动处理。同时，温度湿度数字传感器采用DHT11型号，其结构如图 2 所示，该数字传感器的数字信号可以直接与单片机模块相连，校准能力强，稳定性较好，其精度湿度可控制在5%RH，温度2；量程湿度5%RH95%RH，温度-20+60。电阻式感温元件电阻式感湿元件NC测阻元件MCUOTPGNDNCDATAVCC图2数字传感器结构图基金项目：2021年陕西省咸阳市科学技术项目“蔬菜大棚温度控制系统”（2021ZDYF-NY-0027）作者简介：何茜（1982），女，四川内江人，硕士研究生，副教授，研究方向为计算机软件。542023 年 4 月下Agricultural Machinery and Agronomy农机与农艺2.2 监控模块系统监控模块由显示器、数码管和键盘组合而成。键盘实现对系统的物理操控，显示器对3组不同数码管数据状态起到显示区分作用，3组不同数码管分别为实时温湿度控制、历史温湿度控制和功能设定温湿度控制状态。同时，为了便于种植户实时监控，通过互联网数据连接可在手机中进行操作。2.3 调控设备模块系统调控设备可看作是温控过程中的执行机构，依据采集的棚内环境数据信息，通过单片机控制命令进行环境温度实时调整，具体设备包括灌溉、通风、加热和照明。2.4 网络传输模块系统网络传输模块由系统服务器、无线传感器、互联网组合而成，利用无线传感器节点与单片机进行连接，采用无线传感网实现数据融合及传输功能4，其网络结构与互联网有所区别，是基于物联网技术物理层、网络层、传输层和应用层原理实现的，其结构如图3所示。图3系统无线传感网结构2.5 单片机模块系统单片机模块是系统的控制核心，模数部分可看作是采集数据的转换过程，其作用是将数据转换为二进制数，随后传输至控制层内5；控制层则用于调整对系统温度的实时控制算法，通过计算得出适合农业大棚中农作物生长的准确温度，再利用模拟电压数据命令传输，使设备在接收命令后实现自动温度调控。3 智能恒温农业大棚温度控制系统设计3.1 恒温方法原理在农业大棚农作物的生长过程中，需要良好的恒温环境辅助。由于温度会受到日照、土壤湿度、通风等因素影响，采用常规方式建立相对恒温状态的系统参数值设定难度较大。为此，该系统采用模糊控制方法对农业大棚进行恒温控制。模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，是模糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物6-7。模糊控制的核心是将人为设定的控制策略语言转换为计算机所接受的控制算法，不仅能够有效实现对系统的精准控制，还能模拟人的思维方式对部分无法构造数学模型的被控对象进行有效控制8。模糊控制方法的优势在于可以简化系统控制的复杂性，适用于各类非线性、滞后的数据模型，将系统控制建立在经验基础上，无需精准的数学模型即可做出决策9-10。3.2 模糊控制器设计由于温控系统数据采集模块中的传感器在数据传输中往往有一定的物理滞后性，会大幅降低系统性能和测试中的稳定性。因此，将模糊控制器作为农业大棚的恒温系统控制器，利用模糊控制原理对大棚温度进行实时调整，通过对模糊变量的调整，来实现温度的自动恒温调节。模糊控制器结构如图 4所示，依据采集数据输出误差E和误差变化率EC进行自动解模糊化，将控制变量U 作为下一个正确状态对系统温度进行校对调整传输，以达到实时恒温效果，可以有效避免因传感器数据滞后导致的大棚温差变化。图4模糊控制器结构2023 年 4 月下55Agricultural Machinery and Agronomy农机与农艺4 智能恒温农业大棚温度控制系统测试4.1 测试过程随机选取系统内7组无线传感网截取的数据节点进行精准度测试。通过数据节点进一步判断传输过程的接收灵敏度，以系统显示器中的波形线变化和传输过程中的衰减度正负值变化来判断信息传输的正确率。设定大棚内无线传感网参数：操作温度为-25 65，常规温度为10 65，接收灵敏度标准值为-103 dBm，正常传输速率为200 kbps，节点频率为25 MHz。7组数据节点测试结果如表1所示。随后，为了验证模糊控制算法的准确性，分别利用传统PID控制器和该系统中的模糊控制器进行准确性能测试对比。通过利用计算机MATLAB软件进行恒温仿真测试，在MATLAB软件中输出控制系统模型和基本参数后，设定农业大棚恒温状态温度，对二者温控情况进行采样模拟对比，仿真模拟测试结果如图5所示。表1数据精准度测试序号载波功率/dBm接收灵敏度/dBm衰减/dBm发射电流/mA波形变化116.81-10210.251205 正常波动216.57-10210.251205 正常波动316.64-10210.251205 正常波动416.41-10210.251205 正常波动516.53-10110.251205 正常波动616.72-10210.251205 正常波动716.68-10310.261205 正常波动图5仿真模拟测试4.2 测试结果表1测试结果显示，该系统利用无线传感网传输的数据精准度较高，接收灵敏度误差小于1 dBm，波形变化趋势稳定。图5仿真模拟测试结果显示，采用模糊控制器的农业大棚恒温状态稳定，不仅调节速度快，且数据传输状态稳定性较好，模糊控制器的调节时间控制在180 s内，而传统PID控制器系统调节时间在450 s左右，利用模糊控制器效率更高。5 结语随着“精准农业”推广模式实施，实现农作物精准化种植是现代农业大棚温控系统研发的重点。该农业大棚温度控制系统利用物联网传感器，分布在棚内不同节点位置，通过无线电波对环境数据进行精准采集，并结合模糊经验控制模型对设备进行自动调控，可以有效提升农业大棚的农作物产量，不仅可靠性强，还具有恒温调节功能，稳定性高。同时，该系统研发成本相对较低，具有较强的智能研发前景，有利于助力“三农”产业长效发展，值得推广。参考文献：1 杨雷.温室大棚远程监控与智能管理系统D.天津：天津理工大学，2018.2 孙伟.现代化大棚蔬菜种植技术探讨J.南方农机，2020，51(1)：79.3 戴铭言，许留伟.基于模糊控制的VSVPWM中点电位平衡策略J.核聚变与等离子体物理，2022，42(4)：418-425.4 王鹏亮，夏永祥，安国昊.新型化语音控制“智慧蔬菜大棚”管理系统的设计J.南方农机，2021，52(16)：38-40.5 李洁.基于DS18B20的温度检测系统在蔬菜大棚中的应用J.农业工程技术（农产品加工业），2008(4)：32-35.6 张玉峰.基于单片机的蔬菜大棚温度控制系统设计J.农机化研究，2010，32(3)：150-153.7 李想.温度传感器DS18B20在温室大棚中的实现J.南方农机，2020，51(16)：182-183.8 张巍然，侯艳红.一种温室大棚智能控制系统的设计J.广东蚕业，2019，53(9)：46-47+53.9 周润.光伏农业大棚农、光两用结构处置方法研究J.低碳世界，2022，12(9)：40-42.10 陈根，易治国.基于物联网的农业温室大棚环境监控系统设计J.南方农机，2022，53(16)：130-132.