基于温湿度的多模式温室设备控制策略设计_田宏武.pdf

基于温湿度的多模式温室设备控制策略设计 田宏武 1 申长军 1 郑文刚 2 1 国家农业智能装备技术研究中心 北京 100097 2 国家农业信息化工程技术研究中心 北京 100097 摘 要 针对简易温室以环境温度和湿度为核心的调控对象 为提高控制设备的利用效率和减小调控过程中环 境波动 设计了以单片机为控制核心 基于调控设备类型划分的多模式控制策略 通过日夜时段划分 控制条件 选择 运行属性配置以及极端条件处理 实现了包括设备分级运行 联动控制 应急保护 自动校准等功能 试验 表明 该设计以相对简单的方式实现了温室内温度 湿度的多回路调控 同时减少了设备频繁启动 使温室环境 变化相对平缓 关键词 控制策略 温室 温度 湿度 多模式 中图分类号 S625 5 文献标识码 A 文章编号 1003 188X 2013 09 0120 05 0 引言 温室环境是一个多变量 非线性 时变滞后的系 统 各个变量之间具有一定的耦合关系 很难建立精 确的数学模型 1 3 同时 多数温室调控设备较少 现 有的调控设备不可能对所有环境因子进行完全调控 环境温度和湿度仍是核心指标 4 5 也是生产管理者 最关心的参数 目前 有大量针对模型控制 6 8 的研 究 而其实现必须依靠计算机和控制设备的结合 对 于大部分生产管理者而言 成本低廉 使用方便 易于 理解的温室调控系统仍有较大的应用需求 为此 设 计了一套温室专用多回路调控系统 并着重设计了设 备控制策略和基于优先级控制的保护策略 既可对设 备独立控制 又能实现不同类型设备间基于温湿度多 参数联合控制的辅助运行 设备联动以及在恶劣气象 条件下的强制保护及自动校准功能 系统成本低 操 作方便 便于扩展 适合普通用户使用 1 系统硬件结构 系统以低成本宏晶系列 8 位单片机 STC12C5A60 S2 作为控制核心 采用双路输出 DC DC 开关电源 分别为主系统和 16 路继电器干结点控制输出部分单 独供电 防止控制部分干扰引入 扩 展 按 键 以 及 240128 收稿日期 2012 09 13 基金项目 十二五 农村领域国家科技支撑计划项目 2012AA1019 03 作者简介 田宏武 1981 男 河北迁西人 助理研究员 硕士 E mail tianhw nercita org cn 通讯作者 郑文刚 1975 男 山东威海人 研究员 E mail zhengwg nercita org cn 点阵液晶作为人机界面 实现控制参数设置 数据及 设备状态的实时在线显示 输入端扩展标准电压电流 模拟信号 脉冲信号 状态输入信号等 3 种类型采集 接口分别用于温湿度及其他传感器 雨量 风速以及 外部状态输入信号的测量 同时实现数据在线查询和 USB 导出功能 系统硬件结构 如图 1 所示 图 1 系统硬件结构框图 2 系统结构设计 2 1 设备类型划分 温室中主要的调控设备包括天窗 侧窗 遮阳网 风机 湿帘泵和照明等 根据其使用中的控制方式将 以上设备分为两类 双向型 正反转型 和开关型 利 用电机转动控制的天窗 侧窗等称为双向型设备 其 开 关 控制需分别使用单独的通道实现 而风机 湿帘等的控制可用单独的通道实现 称为开关型 在 实际系统设计中对于两类设备在硬件和软件上均需 区别处理 2 2 设备状态划分 为了适应温室环境因子变化滞后性的特点同时保 护双向设备驱动电机 为双向设备运行全程划分了若 干阶段 使双向设备 如天窗 可以逐级运行 保证环 021 2013 年 9 月 农 机 化 研 究 第 9 期 境相对平稳变化 避免由于全开全闭导致的环境因子 剧烈波动 双向设备全程配置了关停 止 开停 止 开等待 关等待 打开 关闭共 6 个主要状态 同 时为适应在特殊模式下使用还加入设备强制状态 包 括强制开 强制开停 强制关 强制关停 4 个特殊状 态 双向设备主要状态划分示意图 如图 2 所示 图 2 双向设备状态划分示意图 2 3 时间节点划分 在温室环境控制中 白天和夜间 特别是冬季 对 温室内环境的温湿度要求和控制重点有所差异 同 时 地理位置的不同也会使得白天和夜间起始时间不 尽相同 因此 在系统设计中 加入了日夜起始时刻 设置 用户可以根据实际情况设定日夜交替点 2 4 特殊状态定义 2 4 1 降雨大风模式 保护模式 在系统正常使用中 恶劣的天气会对温室的结构 框架造成损坏 因此 加入降雨模式选择 作为应用 软件控制逻辑最高优先级选项 保证在出现突发恶劣 天气时 启动应急程序保护温室结构不受到破坏 在温室控制过程中 经常遇到降雨和刮风的天 气 将对温室内作物造成破坏 且大风导致的负压还 会对温室覆盖材料造成破坏 所以 在恶劣的气象条 件下 要对作物和温室覆盖材料加以保护 为此 在 系统设计中加入了特殊天气模式选择 该模式在系 统的逻辑判断中有最高的优先级 其工作原理 在该 模式下 系统将根据连接的降雨状态由风速传感器首 先判断当前是否处于恶劣天气条件下 如果不是 则 系统按照正常模式运行 如果是则忽略设定的控制逻 辑 将指定的当前非处于关闭状态的正反转设备无条 件关闭 并且忽略运行的步间等待 当气象条件恢复 正常后 系统会插入一定的延时判断来确认特殊模式 的失效 防止了天气变化较剧烈时的系统 抖动 该 模式失效后系统进入正常的逻辑控制模式 2 4 2 设备自动校准 双向设备的运行以时间为基准 在使用过程中外 界因素如用户手动操作可能会导致设备实际位置与 控制系统识别记忆的位置有所偏差 设备自动校准的 作用就是保证两者的一致性 自动校准过程可描述 为 默认所有双向设备当前处于全部打开 开 度 100 状态 以最高优先级根据设定的设备全程运行 时间参数 将设备从开度 100 无步间等待地关闭至 全关 0 状态 然后退出校准状态 启动正常运行 以下 3 种情况之一将启动设备的自动校准过程 包括 1 系统上电或系统断电后重新启动 2 白天夜间模式更替时间节点 3 对双向设备的全程运行时间参数 打开步数进 行修改 此外 系统运行过程中如果发现系统记录位置和 设备实际位置偏差较大时 可通过一键式操作实现手 动强制校准 3 多模式控制逻辑设计 3 1 系统主任务结构 在系统设计中调控设备被划分为两种类型 在系 统应用软件中 可根据白天和夜间温室环境控制的不 同特点实现温室环境白天和夜间两种控制模式 通 过对不同的模式下不同类型的温室调控设备 包括正 反转型和开关型 运行方式的设计和设备间关联运行 逻辑的设计 更加精确和高效地实现对环境参数的自 动控制 提高设备的使用效率 降低能耗 根据温室环境闭环控制的特点 将系统主循环任 务划分为 3 部分 逻辑判断 设备运行定时和设备状 态更新 系统主循环任务结构图 如图 3 所示 图 3 系统主循环任务结构图 1 逻辑判断 主程序根据当前时段和对不同类型 设备当前设定的控制条件进行逻辑判断 如果满足启 动条件 则在主程序中启动对应设备同时置位设备启 动标志位 2 设备运行定时 主循环中 定时检测是否有设 备启动标记置位 如果有则启动设备运行定时参数 并开始倒计时 当设备运行阶段时间溢出时 置位设 备运行定时器溢出标记 等待状态更新 3 设备状态更新 程序主循环中定期检测是否有 设备运行时间溢出标记 如有溢出则更新设备当前运 121 2013 年 9 月 农 机 化 研 究 第 9 期 行状态 根据实现定义的运行阶段划分 设备的最 新状态将作为主程序逻辑判断的最新依据进行新的 逻辑判断和设备控制 从而实现闭环结构 3 2 多模式控制逻辑 根据上述对时间和设备类型的划分 系统的独立 控制逻辑可细分为双向设备日模式 双向设备夜模 式 开关设备日模式 开关设备夜模式 同时 通过独 立控制逻辑的结合使用 可实现设备间联动和常用的 调控过程 3 2 1 双向设备日模式 以下选择双向设备天窗为例说明在白天和夜间模 式下不同控制逻辑的实现方法 双向设备日模式参 数设置 降雨模式 是 否 控制条件 温度 时间 时间 温度 开始时间 HH MM 10 30 结束时间 HH MM 14 30 启动温度 35 0 温度回差 5 0 打开步数 1 4 4 步间等待 s 300 与开关设备同步关闭 1 4 4 在正常情况下 在每天的 10 30 14 30 时段内 当测量温度高于设定温度上限 35 时 则系统打开天 窗 打开的过程分为 4 个阶段 每个阶段打开全程的 25 在每个阶段结束后 延时等待一定时间 如果 在此期间温度调节至回差范围内 则保持当前位置 否则继续打开 相反 如果测量温度低于回差范围下 则执行设备关闭操作 打开和关闭均采取 边打开 关闭 边判断 的方式 参数 与开关设备同步关闭 将在强制通风部分论述 双向设备日模式控制流程 图 如图 4 所示 图 4 双向设备日模式控制流程图 3 2 2 双向设备夜模式 相对白天模式 双向设备天窗夜间独立运行的作 用是通过通风换气降低温室内湿度 双向设备夜模 式参数设置 开始时间 HH MM 20 30 结束时间 HH MM 22 30 开时长 HH MM 00 10 关时长 HH MM 00 10 最大开度 60 最低温度 20 0 除启动方式由时间决定外 为保护作物 设定了 最大开度和最低温度两个限制条件 且具有高优先 级 天窗将在设定时段自动打开 且保证最大开度不 大于 60 根据设定的开关时长循环动作 如果检测 到室外温度过低或温差过大 将强制停止通风过程 全部关闭天窗 防止温室内热量流失 双向设备运行的相关参数符合以下关系 T max S P max 100 1 T o T c T r T h 2 其中 P max 为设备指定开度百分比 S 为双向设备 全程运行时间 T max 为设备打开为指定开度所需时间 T o 为设备全开时间 T c 为设备全关时间 T r 为设备运 221 2013 年 9 月 农 机 化 研 究 第 9 期 行时间 T h 为设备运行停止后保持时间 3 2 3 特殊模式 1 强制通风 强制通风是在温室一端设置侧窗 在另一端设置风机 利用风机由室内向室外排风 使 室内形成负压 强迫空气通过侧窗进入温室 穿越温 室由风机排出室外 在开关型设备白天参数设置中 强制打开双向设 备 选项 具有最高优先级 同时与上文提到的双向设 备参数 与开关设备同步关 组合设置 实现在开关设 备 如风机 打开的同时无条件关闭指定的双向设备 如侧窗 实现强制通风 系统将对双向设备的当前 状态和相关运行参数进行自动调整 而当风机停止运 行时 侧窗将退出强制状态 强制逻辑失效 此时侧窗 进入正常控制逻辑状态 如利用风机和窗户实现强制通风 设置方式如 下 在双向设备设置界面除了双向设备 1 的设置界面 中 与开关设备同步关闭 选项不需要设置外 保持为 0 其余 2 3 4 双向设备设置界面中需将 与开关设 备同步关闭 选项对应的编号设置为 4 强制通风使 用的风机 同时 在开关设备 4 的设置界面中 需要 相应的将 强制打开双向设备 选项设置为配合其实 现强制通风设备编号 1 2 辅助通风加温除湿 冬季 该模式只在夜间 模式有效 当室外温度较低而双向设备 窗户 处于通 风除湿情况下 当开关设备连接加热设备时 通过设 置夜间模式开关设备参数选项 协同设备 1 4 则 该输出将与指双向设备 协同 动作 被动 其优先级 高于自身控制逻辑 其可理解为在进行开窗通风的 同时强制打开室内加温设备 通风结束天窗关闭后 强制加温停止 按照自身控制逻辑运行 该过程用于辅助除湿和加温 防止冬季可能出现 室内外温差太大导致的通风过程室内温度下降过快 的问题 3 多级降温 温室的降温过程涉及多个设备 除 了通过天窗或侧窗进行自然通风外 风机和湿帘泵也 是降温的重要手段 特别是在夏季中午温度较高且 升温很快 单纯的依靠风机不能达到迅速降温的目 的 同时也会导致温室内部空气干燥 影响作物生长 在此情况下经常要在打开风机的同时打开湿帘泵 来 达到迅速降温的目的 系统中通过对风机和水泵启动条件的简单设置就 能达到自动两级降温 假设控制输出 1 连接的设备为 风机 控制设备 2 连接的设备为湿帘泵 风机输出控制参数 控制条件 温度 打开温度 32 温度回差 5 湿帘泵控制参数 控制条件 温度 打开温度 32 温度回差 5 打开湿度 H 60 湿度回差 H 10 控制输出 2 的温度参数可以设置为大于或等于控 制输出 1 的打开温度值 当环境温度超过 32 时 风 机打开 此时如果环境相对湿度小于 60 温度较高 湿度不是很高的情况下 控制输出 2 条件满足 则湿 帘将打开 这样用两个设备实现了风机和湿帘的联合 降温加湿处理 如果控制输出 2 的温度上限设置高于 控制输出 1 的限值 如 35 则将降温划分为了两级 控制 当单独风机降温能够满足需求时湿帘泵不启 动 如果风机降温不能及时将环境温度调控到适宜状 态 环境温度继续升高超过 35 则启动湿帘泵形成 联合降温 提高了降温的效率 注意 此处引入了湿 度控制条件主要目的是防止启动水泵后室内湿度过 大 导致作物病虫害的发生 4 结论 通过上述分析设计 为简易温室提供了一种以温 室内温度和湿度为核心调控因子 针对调控设备的多 模式控制方法 通过对设备类型划分以及控制参数的 设计 以相对简单的方式实现了对温度 湿度的合理 调控 包括单因子控制 优先级控制以及设备联动运 行 同时 充分考虑了地域时间差异因素 设备自身 属性以及气象信息等因素 加入了间隔运行 低温优 先 恶劣天气保护等措施 保证了系统运行期间的安 全性 并在一定程度上降低了系统能耗 提高了效率 目前 系统已经出口以色列 并且在实际生产中得到 应用 参考文献 1 冯帆 邱立春 刘维佳 模糊控制在温室温湿度控制中的 应用 J 农机化研究 2009 31 6 148 150 2 李红军 智能温室控制算法和数据管理的研究 D 杨 凌 西北农林科技大学 2007 3 王立舒 杨广林 徐向峰 等 日光温室温 湿度模糊控制 系统研究 J 东北农业大学学报 2005 36 5 625 627 4 卢佩 刘效勇 温室大棚温湿度模糊解耦控制系统设计 与仿真 J 农机化研究 2010 32 1 44 47 321 2013 年 9 月 农 机 化 研 究 第 9 期 5 蔡象元 现代蔬菜温室设施和管理 M 上海 上海科技 技术出版社 1999 6 王子样 秦琳琳 吴刚 等 基于切换控制的温室温湿度 控制系统建模与预测控制 J 农业工程学报 2008 7 188 192 7 李琳 张领先 李道亮 等 温室智能控制系统适用性评 价指标体系选择模型 J 农业工程学报 2012 3 148 153 8 章海亮 刘雪梅 刘燕德 温室环境下多变量的控制系统 设计 J 农机化研究 2010 32 4 147 150 Multi mode Control Strategy Design of Greenhouse Equipment Based on Temperature and Humidity Tian Hongwu 1 Shen Changjun 1 Zheng Wengang 2 1 National esearch Center of Intelligent Equipment for Agriculture Beijing 100097 China 2 National Engineering esearch Center for Information Technology in Agriculture Beijing 100097 China Abstract For easy greenhouse ambient temperature and humidity as the core the regulation object in order to improve the use efficiency and reduce environmental fluctuations in the regulatory process of the control equipment multi mode control strategy which selected MCU as the core and based on the type of control equipment was designed bythrough the day and night periods dividing controlled conditions selection run property configuration and dealing with extreme con ditions to achieve a grading equipment running linkage control emergency protection automatic calibration function tests showed that the design realized in greenhouse temperature and humidity multi loop control by a simple method and reduced equipment frequently start to make changes in the greenhouse environment is relatively flat at the same time Key words control strategy greenhouse temperature humidity multi mode 上接第 119 页 11 安东诺夫 履带行驶装置原理 M 魏宸官 译 北京 国防工业出版社 1957 1 181 12 任奕林 文友先 李旭荣 计算机三维实体造型在工程 设计中的应用 J 农机化研究 2005 4 245 247 13 毛文武 王隽烨 基于 Solidworks 的便携式捆包机 CAD 三维建模与初步分析 J 包装工程 2007 28 12 150 154 14 时玲 张海东 翟兆斌 等 我国微耕机技术现状与发展 方向 J 农机化研究 2004 5 1 4 15 高连兴 师帅兵 拖拉机汽车学 M 北京 中国农业出 版社 2009 179 206 Abstract ID 1003 188X 2013 09 0116 EA Design of a Small Double tracked Power Chassis Used in Mountainous Areas Du Mengmeng 1 Ji Jiangtao 1 Du Xinwu 1 He Zhitao 1 Liu Jianjun 2 1 Vehicle Motive Power Engineering College Henan University of Science Technology Luoyang 471003 China 2 Henan Tobacco Company Zhengzhou Branch Zhengzhou 450001 China Abstract In order to solve the problems of low mechanization level and great labor intensity of manual transportation film mulching and ridging a small double tracked power chassis and relevant farming equipments are designed Entity models of the power chassis s transmission system are built and virtual assembly simulation test and interference analysis are performed With the modular design methods independent working parts are developed so that the farming machine is to execute the tasks of rotary tilling ridging earthing weeding and spraying when they are attached to the power chassis by the fast hitch device Experiments indicate that this machine has excellent hill climbing capacity strong tractive and appendiculate performance good operating stability and high passing ability in soft farm lands Key words power chassis double tracked virtual assembly modularization rotary tilling mountainous areas 421 2013 年 9 月 农 机 化 研 究 第 9 期