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新型温室二氧化碳智能模糊测控系统2


新型温室二氧化碳智能模糊测控系统 新型温室二氧化碳智能模糊测控系统 温室二氧化碳智能模糊测控
摘要: 摘要:采用二氧化碳气体传感器,利用模糊控制技术,设计了一种新型温室二氧化碳浓度测控系统。给出 了模糊控制结构参数的选择,控制规则的设计要点,并用相关的逻辑构建了二氧化碳浓度模糊控制器。为了 增强系统的通用性和使用灵活性,硬、软件均采用了模块化结构。时间表明,新型二氧化碳

智能模糊测控系 统运行稳定、响应速度快,具有广泛的应用前景。 关键词: 关键词:温室;二氧化碳;智能模糊;测控;

0 引言
现代化农业生产的重要一环就是对农业生 产环境的一些重要参数进行检测和控制。 研制农 用环境参数系统产品具有实际意义, 其中二氧化 碳测系统是系列产品之一, 可广泛地应用于诸如 温室大棚、 蔬菜储藏以及其它农业生产和科研领 域。

系统硬件结构及原理 1 系统硬件结构及原理
系统原理结构框图如图1所示。部分测控采 【1】 用从机模块化结构 , 根据应用场合不同、 测控 点不同而选用不同的配置。 二氧化碳浓度测量 1.1 二氧化碳浓度测量 二氧化碳传感器采用 NDIR 技术的美国 telaire 公司产 6004 传感器,此传感器基于气体 对红外光吸收的郎伯--比尔吸收定律。图 2 为 NDIR 红外气体分析原理图。分析 CO2 气体时,红 外光源发射出 1~20 ?m 的红外光,通过一定长 度的气室吸收后, 经过一个 4.26 ?m 波长的窄带 滤光片后, 由红外传感器监测透过 4.26 ?m 波长 红外光的强度,以此表示 CO2 气体的浓度。 -3 CO2 浓 度 设 计 测 量 范 围 为 0 ~ 2 × 10 mol/ [1] mol 。传感器将CO2浓度信号经过测控系统,并 经数字滤波、线性插值及温度补偿等软件处理 后, 输出UART协议气体浓度数字信号, 直接输入 单片机。 1.2 温湿度辅助测量 要给温室补二氧化碳, 单纯采用气体发生器 成本较高, 而考虑在室外温度合适时采用室内外 空气循环方式,这样还可以调节室内空气湿度。 因此二氧化碳智能测控系统还需要室内湿度和 室内外温度测量。
Fig.1 Agricultural greenhouse carbon dioxide measurement and control system hardware architecture

STC12C5A32S2
1

Filter片

时根据接受的下传参数完成二氧化碳气源的开 关控制或设施通风控制。

外 源 Infrared Light
红 外 信 号

外传感器 Infrared Sensors

模糊控制设计 2 模糊控制设计
温室系统本身是一个受众多自然因素制约 的非线性系统,难以用精确的数学模型来描述。 而模糊自动控制从本质上来说是一种非线性智 能控制技术, 它无须知道被控对象的精确数学模 型,而是根据经验控制行为,遵循反馈及反馈控 制思想, 总结成一系列控制规则, 并运用软件程 序加以实现。 因此采用模糊控制技术可以较好地 实现温室环境的灵活调节并达到降低能耗的目 的。 对于二氧化碳浓度采取单向控制, 既只增加 不降低,取大气环境浓度为最低。另外,根据温 室环境的时延大的特点, 确定一个合理的控制步 长,并以此为周期,给出一组控制指令。这样, 既保证了控制作用的有效性, 也避免了执行机构 频繁动作造成的能源等的浪费。 2.1 模糊控制基本结构 模糊控制的基本原理如图3所示[3,4], 模糊控 制技术的核心是模糊控制器,yr为系统设定值,y 为系统输出值,温室实际二氧化碳浓度yi与设定 值yr之差e及其变化率ec作为输入变量,则有 e(k ) = y i (k ) ? y r (1) e c (k ) = e(k ) ? e(k ? 1) (2) 以即 其中,k—采样周期; e(k ) —k次采样值 y i (k ) 与设定值yr的差值; e c (k ) —k次差值与k-1次差值的变化值; 以二氧化碳发生器控制阀开度或通风机风 速作为输出变量u, 经过模糊控制器对输入信息e

Fig.2 NDIR schematic diagram of infrared gas analysis

温湿度测量选用基于CMOSens技术的新型智 [2] 能温湿度传感器SHT11 ,SHT11将温湿度传感 器、信号放大调理、A/D转换、I2C总线接口全 部集成于一芯片(CMOSensTM技术) ;全量程 标定,二线数字输出;湿度测量范围为0~ 100%RH,温度测量范围为-40℃~+123.8℃,湿 度 测 量 精 度 为 ±3.0%RH , 温 度 测 量 精 度 为 ±0.4℃,响应时间<4s。 如图1所示,室内温湿度数据直接通过串口 读入主单片机, 室外温湿度数据用采用单独温湿 度测量模块,数据由STC12C5608单片机读入, 再通过RS485串行总线上传数据到主单片机,这 样既可以保证数据的可靠性, 也方便了室外温度 传感器的安装。 1.3 主单片机系统 以宏晶公司的STC12C5A32S2型单片机为核 心构成的主测控系统由单片机、传感器、键盘、 LCD显示、打印、RS485总线接口电路等构成。其 硬件结构如图2所示。根据键盘设定参数,完成 二氧化碳浓度的采集、 模糊运算处理、 显示及向 各输出控制模块控制指令的输出等功能。 STC12C5A32S2 型单片机,有两路通用全双 工异步串行口(UART), 其中一路用于二氧化碳传 感器和温湿度传感器串口数据读入,一路加上 MAX-485 芯片构成远距离串行通信;有 8 路 10 位 ADC,可简化外部硬件,便于系统功能扩展; 有上电复位电路和看门狗, 可以大大降低最简系 统成本和体积。 1.4 输出控制模块 本系统要控制的对象有二氧化碳气源开关、 排风扇电机等, 一般和测控系统主机不在温室同 一位置,因此主机系统本身没有输出控制电路, 输出控制均通过从机模块来实现。 输出控制模块 以 STC12C5608AD 单 片 机 为 核 心 构 成 , 通 过 MAX485构成的通讯电路完成数据上传或下传, 同

IR signal IR signal
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

长( Wavelength

m)

e ec

Fuzzy

e yr + ? yi
d/dt

K1 ec K2

u U Fuzzy Fuzzy algorithm decision Ec Calculated off-line Indoor and outdoor Temperature difference CO2 Fuzzy Generator Control K3 Controller u Table Indoor CO2 concentration y

E

CO2 sensor

Fig.3 Schematic diagram of carbon dioxide concentration fuzzy control system

2

和ec分别量化模糊成模糊量,再由e、ec和模糊控 制规则R根据推理合成规则进行模糊决策和模糊 推理, 得到模糊控制量, 最后将该模糊控制量解 模糊成精确量, 从而得到控制量, 施加于被控对 象二氧化碳发生器控制阀及通风机变频器, 实现 阀门开闭或风机风量大小的平滑切换。 2.2 模糊控制参数设计 要进行模糊控制就必须对输入变量进行模 糊化处理, 对输出变量进行非模糊化处理。 系统 将二氧化碳浓度偏差及其变化率作为模糊控制 的两个输入变量, 气源或通风电机控制器启动时 刻和时长作为输出变量,各个变量取值如表1所 示。
Table1 Parameters e ec Refilling time interval /s Evaluating of the variable parameters Domain -3%~-13% -3%~7% 6~60 quantization value 0~6 -6~3 0~6

采用加权平均法进行非模糊运算, 对每个模 糊子集R进行清晰化,得出对应于每组E、EC的U, 并对计算值进行圆整优化, 从而得出模糊控制表 (表3)。
Table 3 Output control time U -6 -5 -4 -3 Deviation change EC -2 -1 0 1 2 3 List of fuzzy cont rol rule Deviation E -6 6 6 6 5 5 4 4 3 3 1 -5 6 6 5 5 4 4 3 3 3 1 -4 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 -3 5 5 5 4 3 3 2 2 1 1 -2 5 5 4 3 3 2 2 1 0 0 -1 5 5 3 3 2 2 1 0 0 0 0 2 2 1 1 0 0 0 0 0 0

3 系统软件设计
系统软件采用模块化结构编制,主要分为4 大模块:主程序控制模块、初始化模块、计算模 块和采集控制模块。 主程序控制模块包括主监控 程序及键盘扫描子程序, 显示子程序和打印输出 子程序; 初始化模块包括参数设定子程序, 数字 键处理子程序和提示符显示子程序; 采控模块包 括数据采集中断服务子程序和通讯中断响应子 程序; 计算模块包括数据滤波子程序、 数制转换、 插值子程序等。主程序流程图如图4所示。

设偏差e量化值为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0}, 输出控制量u的量化值为{0,1,2,3,4,5,6}, 变化 率ec的量化值为10级{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1, 2, 模糊语言集分为七档[5], 3}。 记为NB (负大)、 NM(负中)、NS(负小)、0(零)、PS(正小)、PM(正 中)、PB(正大)。根据文献 的研究成果,二氧 化碳浓度偏差的输入模糊集隶属度函数选用连 [6] 续型高斯型函数,模糊推理采用Mamdani法 , 结合实际操作经验, 室内外温差较大时, 用二氧 化碳发生器控制, 室内外温度相差不大时采用通 风方式。总结出模糊控制器的控制规则如表2。 当偏差的变化也为负(NB、NM或NS)或等于零时, 控制量应尽快消除偏差,使控制量加大,故u应 取正大; 而偏差的变化为正时, 应减小控制量的 变化。
Table 2 偏差E PB PM PS 0 PB NM NM NM NM PM NB NB NM NM Fuzzy cont rol rule 偏差变化EC PS NB NB NM NS 0 NB NB NM 0 NS NM NM 0 PS NM 0 0 PS PM NB 0 0 PS PM

4 实验结果
将系统安装在秦皇岛地区面积为200m ,高 为2.5m的温室中,经过冬春夏(2月~8月)几个 季节的连续运行、监测, 运行状态表现良好。 1)1到3月,冬季室外温度低,二氧化碳补 充全部通过控制二氧化碳发生器完成, 系统响应 迅速,控制阀持续导通时间不超过15s,浓度绝 对误差≤3%。 2)4到5月,白天室外温度较高,夜晚室外 温度较低, 二氧化碳补充白天有时通过通风换气 完成, 二氧化碳气体发生器工作时间减少, 气源 成本减少很多, 但室内温度稍有影响, 浓度绝对 误差≤4%。 3)6到8月,室外温度高,二氧化碳补充几 乎都通过通风换气完成, 二氧化碳气体发生器几 乎不工作。 系统调节速度有所降低, 通风时间有 时超过30s,浓度绝对误差≤4%。
3
2

根据表2的控制规则,按以下公式进行模糊 推理,得到一个模糊集合。

?R k (U ) = min {?E i (E ), ?E cj (E c ), ?U k (U )}(3)
?R k (U ) = max{?R k (U )}
(4)

由实际运行可以看出, 用这种模糊控制器来

5 结束语
通过实际应用和测定,农业温室二氧化碳 测控系统具有以下特点: 1)专为温室和其他农业场所设计,可监测 CO2,温度,湿度,并控制 CO2 生成器以及温 湿度设备,白天/夜间不同工作模式控制 CO2 发 生器的工作状态。 2)硬件电路模块化设计,具有 RS485 通讯 接口, 根据需要可进行从机扩展, 且数据信号可 , 以进行远距离传输。 3)采用模糊控制技术, 使用模糊控制规则确 定输出,取得理想的控制效果。 [参 考 文 献]
[1] 刘士光,马继伟.农业设施测控系统的研制[J].农业 工程学报,2004,6.242~245 [2] 孟臣,李敏,李爱传.I C 总线数字式温湿度传感器 SHT11 及其在单片机系统的应用[J].国外电子元器 件,2004(3):50~54. [3] 任文涛,杨懿,张本华等.温室节点式渗灌自动控制 系 统 设 计 与 实 现 [J]. 农 业 工 程 学 报,2009,25(8):59~63. [4] 李迎霞,杜尚丰.中国温室环境智能控制算法研究进 展[J].农业工程学报,2009,25(8):59~63. [5] 王振宇,成立.基于模糊控制的温室调节装置的研究
2

Fig.4

Flow graph of main programme

[J]. 浙 江 大 学 学 报 ( 农 业 与 生 命 科 学 . 版),2006,32(2):195~199. [6] 汤兵勇,路林吉,王文杰.模糊控制理论与应用技术 [M].北京:清华大学出版社,2002

控制二氧化碳浓度,响应速度快,温室内温度受 影响较小,有利于作物的生长,降低了系统的能 耗,更符合实际生产要求。

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