日光温室卷帘及通风口控制系统研制.pdf

櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄 23 Muresan H Oltean M Fruit recognition from images using deep learning J Acta Universitatis Sapientiae Informatica 2018 10 1 26 42 24 Bargoti S Underwood J P Image segmentation for fruit detection and yield estimation in apple orchards J Journal of Field Robotics 2017 34 6 1039 1060 25 Linker Raphael Machine learning based analysis of night time images for yield prediction in apple orchard J Biosystems Engineering 2018 167 114 125 26 Nyarko E K Vidovic I Radoc aj K et al A nearest neighbor approach for fruit recognition in RGB D images based on detection of convex surfaces J Expert Systems with Applications 2018 114 454 466 27 Simonyan K Zisserman A Very deep convolutional networks for large scale image recognition EB OL 2019 06 01 https arxiv org abs 1409 1556 28 李占波 杨二伟 李进文 基于改进分水岭和区域合并的彩色图 像分割 J 计算机工程与设计 2014 35 7 2458 2461 2503 29 刘 念 苏 杭 郭纯宏 等 基于 Hough 变换圆检测的人眼定 位方法改进 J 计算机工程与设计 2011 32 4 1359 1362 30 熊俊涛 卜榕彬 郭文韬 等 自然光照条件下采摘机器人果实 识别的表面阴影去除方法 J 农业工程学报 2018 34 22 147 154 31 苗中华 沈一筹 王小华 等 自然环境下重叠果实图像识别算 法与试验 J 农业机械学报 2016 47 6 21 26 32 马翠花 张学平 李育涛 等 基于显著性检测与改进 Hough 变 换方法识别未成熟番茄 J 农业工程学报 2016 32 14 219 226 曹瑞红 李晋蒲 赵建贵 等 日光温室卷帘及通风口控制系统研制 J 江苏农业科学 2020 48 5 219 226 doi 10 15889 j issn 1002 1302 2020 05 045 日光温室卷帘及通风口控制系统研制 曹瑞红 李晋蒲 赵建贵 高安琪 韦玉翡 李志伟 山西农业大学工学院 山西太谷 030801 摘要 针对华北地区日光温室管理自动化程度低 劳动强度大 可靠性差的问题 研制了日光温室卷帘及通风口控 制系统 系统采用 STM32MCU 作为控制核心 通过采集温室内外光照度 温湿度调控卷帘和通风口 以使温室中平均 昼温在 18 25 之间 夜温在 9 12 之间 将限位开关与多层次行程开关结合监测保温被的运行过程 实现闭 环控制效果 卷膜机采用比例 积分 微分 PID 模糊控制算法实现通风口大小的自动调控 通用分组无线服务技术 GPRS 的短信息服务功能用于日光温室与用户的远程交互 用户可通过上位机设定不同的温度和光照度范围 以满 足不同季节番茄的需求 本系统实现了日光温室无人管理下的保温被卷放和智能通风 实际运行结果表明 该系统 可有效避免保温被的走偏和过卷 实现通风口大小的自动控制 既减轻了劳动强度 又缩短了工作时间 提高了日光温 室管理效率 关键词 日光温室 卷帘保温系统 卷膜通风系统 PID 模糊控制算法 GPRS 通信分组无线服务技术 中图分类号 S625 3 文献标志码 A 文章编号 1002 1302 2020 05 0219 08 收稿日期 2019 11 26 基金项目 国家重点研发计划 编号 2017YFD0701501 山西省研究 生教育创新项目 编号 2019SY201 作者简介 曹瑞红 1993 女 山西临县人 硕士研究生 研究方向 为农业电气化及自动化 E mail 1395928736 qq com 通信作者 李志伟 博士 教授 博士生导师 主要从事计算机控制技 术 智能农业装备和生物环境测控技术研究 E mail lizhiweitong 163 com 温室种植反季农作物能够提高作物产量和品 质 不但解决了人们的日常生活所需 同时也为农 事人员带来了可观的收益 1 3 目前 我国日光温 室的面积已达到 70 10 4 hm 2 占我国设施园艺总面 积的 21 日光温室的普及为连续的农事活动和农 产品的跨季节收获提供了可能 4 7 近年来 在我 国北方的设施农业中 低成本日光温室迅速发展 其保温设备的卷放由卷帘机完成 虽然节省了时 间 但是还需专门的管理人员进行操作 为保证卷 帘机的安全稳定运行 操作人员必须守在开关附 近 且单靠人工经验在日出日落时收放卷帘保温 被 难以根据作物品种 自然光照时间和温室保温 性能做到动态管理 自动化程度低 劳动强度大 另 外目前日光温室调控还存在卷帘保温被的走偏和 过卷问题 在调控过程中没有对卷帘棉被运行过程 912 江苏农业科学 2020 年第 48 卷第 5 期 进行监测 达不到闭环控制要求 可靠性差 导致温 室的 保 温 效 果 差 严重影响作物的存活与生 长 8 10 目前对日光温室通风口的操作普遍采用 扒缝放风的形式 当放风时 通过手动拉棚膜来控 制通风口的大小 用户劳动强度大且管理非常不 便 11 13 近年来 随着大棚机械化水平的提高 卷 膜通风机构开始在日光温室大棚上得到应用 与人 工扒缝相比更加省力 并且开口更整齐均匀 但无 法根据实时环境因子的变化做到自动调节通风口 大小 本研究系统通过对温室大棚内外光照度 空气 温湿度等环境因子进行监测 对其通风口 卷帘进 行调控 将限位开关与多层次行程开关结合 以实 现对卷帘的闭环控制 采用比例 积分 微分 PID 模糊控制算法对通风口开度大小进行调控 从而实现日光温室卷帘系统和通风系统的自动 控制 1 系统总体设计 1 1 日光温室的基本构成 日光温室由具有保温和蓄热双重功效的东 西 北 3 面墙体构成 其中前坡面是温室的唯一采光 面 一般无加热设备 透光覆盖材料为聚氯乙烯膜 保温被为外皮防雨绸 内芯纤维棉材质的棉帘 承 重为双骨架斜拉花钢骨架 14 18 日光温室的基本 构成见图 1 目前日光温室大棚中所用到的卷帘机 主要通过手动或遥控控制 卷帘棉被的运行过程需 要专人看守 自动化程度低 在实现卷帘自动控制 过程中 通常无人看守 所以卷帘越位和走偏现象 可能发生 本研究系统将限位开关与多层行程开 关相结合 有效解决了卷帘棉被走偏和过卷问题 卷帘限位开关 SQ1 SQ2 和行程开关 SQ3 SQ4 SQ5 SQ6 SQ7 SQ8 SQ9 SQ10 位置见图 2 1 2 系统整体设计 本研究系统由传感器 微控制器 执行机构 通 用分组无线服务 GPRS 模块和用户 4 个部分组成 图 3 传感器监测模块由环境因子传感器 执行 机构状态监测 驱动机构监测 3 个部分组成 温湿 度传感器和光照传感器采集室内外温度 湿度和光 照度 微控制器经过对数据进行分析和处理 对执 行机构发出调控指令 以达到作物生长的适宜环境 条件 行程开关和限位开关作为执行机构状态监 测模块 通过对同一水平线上行程开关状态变化的 时间隔判断执行机构卷帘保温被的运行过程是 否出现走偏情况 并通过限位开关判断卷帘棉被是 否运行完整 避免卷帘棉被出现过卷现象 若出现 走偏现象 微控制器做出调控 若调控次数超过上 限 通过 GPRS 的短消息服务 SMS 反馈给用户出 现故障信息 若在设定调控次数范围之内 且执行 机构运行完整 通过 SMS 将执行机构状态和环境参 数反馈给用户 电流互感器用来监测驱动电机是否 出现过载现象 电流互感器与继电装置相结合控制 继电器 使卷帘机停止工作 从而避免卷帘卡死而 使卷帘机烧毁 保护系统安全 日光温室的内部环境具有时变性强 线性度 差 惯性大 滞后明显 耦合性强等特点 在同一时 间内 卷帘保温被和通风口大小的变化 会影响室 内光照度 温度 湿度等环境因子 因此在温室内外 各布置一组传感器 包括光照传感器和温湿度传感 器 将室内环境因子传感器置于种植区中心点采 集高度为 2 m 处 该位置最能代表日光温室内环境 因子的整体情况 2 硬件设计 日光温室自动卷帘与通风控制系统主要由核 心处理器 STM32MCU 监测模块 执行模块 人机 022 江苏农业科学 2020 年第 48 卷第 5 期 交互模块组成 总体硬件设计见图 4 其中监测模 块由环境因子监测模块 执行机构监测模块和驱动 机构监测模块 3 个部分组成 执行模块由卷帘机和 卷膜机 2 个部分组成 人机交互模块由有机发光二 极管 OLED 显示模块和 GPRS 短信通知模块 2 个 部分组成 环境因子监测模块主要通过温湿度传感器 DHT11 光照传感器 GY30 采集室内外环境参数 将 信息送入 STM32MCU 并在 OLED 显示屏上进行显 示 STM32MCU 输出的控制信号被送入继电器 继 电器控制卷帘机和卷膜机工作 并将信息通过 GPRS 短信通知模块以短信形式反馈给用户 执行 机构检测模块中的行程开关和限位开关用来对卷 帘保温被的运行过程进行监测 若运行过程出现走 偏现象 通过 STM32MCU 控制继电器使卷帘机正反 转 以保证保温被平行下降或上升 驱动机构监测 模块电流互感器与继电装置相结合控制继电器 使 卷帘机停止工作 从而避免卷帘卡死而使卷帘机烧 毁 保护系统安全 2 1 电源模块 通过对本研究系统中各单元所要完成的功能 进行分析可知 需要的电源类型为 DC 3 3 V DC 5 V 2 种 其中控制单元主芯片 STM32MCU 与 OLED 显示模块的供电电压为 DC 3 3V 控制温湿 度监测模块 光照监测模块 GPRS 短信通知模块和 继电器模块的供电电压为 DC5V 本电源模块中采 用 2 个电压稳压器 LM1117 为芯片 STM32 和 OLED 显示屏提供 3 3 V 电源 为温湿度监测模块 光照监 测模块 GPRS 模块和继电器模块提供 5 V 电源 其 电源电路设计见图 5 122 江苏农业科学 2020 年第 48 卷第 5 期 2 2 微控制器 本研究系统的微控制器采用 ARM 处理器 内 置实时时钟 RTC 模块 当前时间可通过程序设置 搭配 OLED 显示屏实现实时显示 便于采集行程开 关 限位开关状态变化的时间点以及 GPRS 短信通 知模块的通信可通过 USART 串口实现 2 3 监测模块 2 3 1 环境因子监测 日光温室的内部环境具有 时变性强 线性度差 惯性大 滞后明显 耦合性强 等特点 在同一时间内 卷帘保温被和通风口大小 的变化 会影响室内光照度 温度 湿度等环境因子 的变化 因此环境因子监测包括光照监测模块和温 湿度监测模块 2 部分 光照监测模块采用 GY 30 传感器 图 6 GY 30 是一种数字光照度传感器 不能区分环境 光源 它具有高分辨率的特点 可以检测到 0 65 535 lx 范围内的光照度变化 该传感器具有一 个内置的 16 位模数 A D 转换器 可通过集成电路 IIC 总线与 STM32 建立连接并完成数据传输 温湿度监测模块采用 DHT11 数字温湿度传感 器 其接线图如图 7 所示 它是具有校准的数字信 号输出的温度和湿度复合传感器 使用的是专用的 温度和湿度感测以及数字模块采集技术 具有高精 度 高分辨率和高可靠性的特征 它采用单线串行 接口将采集到的数字信号发送到处理器 2 3 2 执行机构监测模块 运用机械式限位控制 技术 通过在大棚顶部和底部安装机械式触动限位 开关 将开关接入控制电路 当保温被到达停放位 置时 触碰限位开关 切断电源 卷帘机停止工作 并且通过 SMS 将卷帘棉被状态和棚内各环境因子 反馈给农民 一方面 它有效地防止了卷帘机滚动 不当的问题 另一方面 实现了自动开关棚 减少了 劳力投入 在采光面左右两侧水平布置行程开关 将其分 为 3 层 在卷帘保温被运行过程中 通过监测两端 行程开关状态变化的时间差并结合电机转速对保 温棉被两端距离差作出判断 若偏差超过阈值 15 cm 控制电机反方向运转 恢复至初始出发位置 222 江苏农业科学 2020 年第 48 卷第 5 期 继续执行开棚或关棚操作 若连续走偏次数达到 5 次 通过 SMS 通知管理人员出现故障 并将棚内环 境因子反馈给用户 以便管理人员在了解故障的同 时作出决断 2 3 3 驱动机构监测 电流互感器与继电装置相 结合 在雨雪天气或保温被出现过度走偏而导致卷 帘机出现过载现象时控制继电器 使卷帘机停止工 作 以避免卷帘卡死而使卷帘机烧毁 保护系统安 全 并通过 SMS 将信息反馈给管理人员 2 3 人机交互模块 人机交互模块由 OLED 显示模块和 SMS 短信 通知模块 2 个部分组成 通过 OLED 显示模块在大 棚内直观显示出棚内外温度 湿度和光照度 通过 SMS 短信通知模块将棚内外环境因子及卷帘保温 棉被状态通过短信形式反馈给农民 达到了远程监 测的效果 2 3 1 OLED 显示模块 OLED12864 是 128 列 64 行的点阵 OLED 单色 字符 图形显示模块 本 设计中 需要显示实时温度 湿度 光照度 以便于 直观地进行人机交互 在硬件接线时可直接与模拟 IIC 引脚连接 不需要外部的驱动电路 2 3 2 SMS 短信通知模块 在执行机构运行过程 中 当卷帘保温被触碰到限位开关时 电机停止工 作 系统通过 SMS 短信通知模块将信息反馈给工作 人员 但是 在系统实现过程中 除了考虑执行机 构正常停止工作的情况外 还要考虑运行过程中特 殊情况的出现 例如 走偏调整次数超过 5 次 电流 互感器监测到过载信息时电机紧急制动 此时除了 蜂鸣器报警之外 本研究系统会通过短信息形式将 数据发送至管理人员的手机上 GPRS 短信通知模块通过 TEXT 纯文本 和 PDU 协议数据单元 2 种方式发送短信 其中以 TEXT 模式发送短信操作简单但只能发送英文消 息 考虑用户使用方便性 采用 PDU 模式 PDU 模 式发送信息需要 3 步 第 1 步 设置短信发送模式为 PDU 模式 第 2 步 设置信息长度 第 3 步 发送 短信 2 4 执行模块 2 4 1 卷帘机控制 本研究系统温室大棚内的执 行机构为卷帘机和通风口卷膜机 它们都属于强电 设备 在控制方面需要通过单片机 I O 口输出高低 电平来使继电器运行 从而控制电机的正转 反转 或停止 卷帘机控制模块电路见图 8 单片机引脚 PA6 口连接继电器 JQ1 控制卷帘机上卷 PA7 口连 接继电器 JQ2 控制卷帘机下卷 PA5 口连接继电器 JQ3 控制卷帘机停止工作 图 8 中 为了应对紧急情况 在卷帘机控制模块 电路中设置了总开关按钮 SB1 和正转 反转按钮 SB2 SB3 并且总开关按钮通常处于闭合状态 交流 接触器 KM1 和 KM2 互锁功能的设计 可确保 2 个 线圈不同时通电 避免卷帘机因同时接收到正反转 误操作信号同时工作而损坏的问题 当指令控制卷帘机上卷时 PA6 端口输出低电 平 继电器 JQ1 起作用 交流接触器 KM1 线圈通电 KM1 互锁触点断开 确保了 KM2 线圈无法通电 交 流接触器 KM1 自锁触点闭合 交流接触器 KM1 主 触点闭合 卷帘机正转 卷帘被卷起 到达温室顶部 时 触碰上限位开关 SQ1 SQ1 触点断开使得 KM1 线圈失电 常开触点 KM1 断开 电动机断电并停止 旋转 当指令控制卷帘下放时 PA7 端口输出低电平 继电器 JQ2 起作用 触点 JQ2 闭合 KM2 线圈通电 常开触点闭合 卷帘机反转并到达下限位置 下限 开关 SQ2 触点断开 线圈断电 KM2 常开触点断开 卷帘机停止工作 图 8 中 SQ3 SQ4 SQ5 SQ6 SQ7 SQ8 SQ9 SQ10 分别为布置在大棚左右两侧的行程开关 与按 钮作用类似 卷帘棉被运动过程中触碰 将位置信 号反馈给核心处理器 完成卷帘棉被动作过程的 监测 2 4 2 卷膜机控制 通过微控制器使 PA8 口输出 高电平 三极管导通 驱动继电器 实现卷膜机的工 作 正转 继电器常开触点 JQ4 闭合 线圈 KM4 上 电 常开主触点闭合 电机正转 通风口逐渐变大 当通风口开度开到最大时 触碰限位开关 SQ11 卷 帘机停止工作 同理 PA9 控制电机反转 使通风口 逐渐变小 卷膜机控制模块电路见图 9 3 软件控制流程 系统控制流程见图 10 系统初始化后 每 6 min 测量并处理温度 湿度和光照度等环境因素 并调整执行器的状态 以保证将温室中的环境因素 控制在最适值的允许范围内 当参数超过限制时 相应的执行器将开始工作 以使参数更接近最适值 3 1 卷帘保温系统调控策略 控制指令对应温室中执行机构的 3种情形 分 322 江苏农业科学 2020 年第 48 卷第 5 期 别为早上卷帘保温被打开即开棚 中午卷膜机运行 自动调控通风口大小 晚上卷帘保温被关闭即关 棚 结合番茄最适生长昼温为 18 25 夜温为 9 12 控制条件如下 1 早上 当室内温度 T 番茄生长最低温 9 且光照度 L 生长最低光照度 11 000 lx 时 微控制 器发出开棚指令 若环境参数不在范围内 为保证 番茄有充足的光照时间 09 00 开棚 在执行开棚指 令前首先判断保温被是否处于上限位位置 以有效 避免棚已处于开棚状态 因环境参数变化重复发出 开棚指令的误操作 开棚过程中监测卷帘棉被位 置 达到闭环调控效果 422 江苏农业科学 2020 年第 48 卷第 5 期 2 中午 当室内温度 T 番茄生长最高温 28 时 调用 PID 模糊控制算法自动调控通风口 大小 当温度达到 17 时 关闭通风口 3 傍晚 为保证番茄生长夜温可达到 10 以 上 当光照度 L 1 000 lx 且室内温度 T 15 时 发出关棚指令 若 17 00 仍未关棚 微控制器直接发 出关棚指令 关棚过程中通过行程开关信号监测动 作过程 达到闭环控制目的 短信通知按卷帘机工作状态分为 2 种类型 即 正常工作短信和报警短信 1 当开棚或关棚指令 下发后 保温被运行过程正常或走偏距离和调整次 数都在阈值范围内 则发送正常工作短信 通知用 户棚内情况正常 开棚或关棚动作完成后 将环境 因子反馈给用户 2 当开棚或关棚动作过程中 保温被运行过程中走偏距离和调整次数超出阈值 范围时 卷帘机紧急制动 并发送报警短信通知 用户 3 2 卷膜通风系统控制策略 卷膜通风系统采用模糊 PID 控制算法 该算法 将使用最广泛 最稳定的传统 PID 控制算法与模糊 控制相结合 模糊控制被添加到传统 PID 控制算法 的前端 以调整控制精度 在该控制系统中 调节室内温度 并且将给定 的室内温度和所测量的室内温度偏差 ET 和偏差 变化率 ETc 作为输入量 输出量为卷膜机动作 U 其中 输入量的模糊子状态均为 NB NS ZE PS PB 其中 NB NS ZE PS PB 分别表示负大 负小 零 正小 正大 结合北方日光温室内作物生长环境 输 522 江苏农业科学 2020 年第 48 卷第 5 期 出变量的模糊子状态为 ZE PS PB 分别代表通 风口大小的 3 种状态 即通风口全部关闭 半打开 全部打开 模糊规则采用 if then 语句 控制规则 见表 1 表 1 通风口大小控制规则 ET U NB NS ZE PS PB NB ZE ZE ZE ZE ZE NS ZE ZE ZE PS PS ZE ZE ZE ZE PS PB PS PS PS PS PB PB PB PS PB PB PB PB NB ZE ZE ZE ZE ZE 4 试验设计与分析 本研究于 2019 年 1 月验证日光温室自动控制 系统的实用性和可靠性 在山西省晋中市冀村 地 理位置 112 74 E 37 49 N 进行日光温室控制系统 试验 温室内除卷膜通风口装置和卷被保温装置外 无其他调控装备 经试验考核该系统主要性能指 标已达到 系统漂移系数小于 5 执行机构执行准 确率和调控准确率都达到 95 以上 对温室内温度 调节水平大于 3 光照度调节水平大于 1 000 lx 试验初期 番茄处于开花期 株高 1 m 左右 和对照 棚相比 试验大棚番茄坐果率提高 2 病虫害发生 率减轻 60 70 收获期延长 2 5 个月 单位产 量增加 1 倍 5 小结 通过监测日光温室内外光照度 温度和湿度 对温室内环境进行自动调控 将限位开关与多层 次行程开关结合 有效解决了卷帘保温被运行时的 过卷和走偏现象 日光温室开花期番茄验证试验 的结果表明 该卷帘和通风系统稳定可靠 可实现 日光温室卷帘系统和通风系统的自动控制 提高了 日光温室的管理效率 参考文献 1 丁小明 我国日光温室卷帘机技术现状分析 J 农机化研究 2011 33 12 217 222 2 张传帅 徐岚俊 李小龙 等 日光温室主要环境参数对番茄本体 长势的影响 J 中国农业大学学报 2019 24 10 118 124 3 王建春 张雪飞 刘绍伟 等 基于多点数据采集远程温湿度监控 系统的研究及应用 J 山西农业科学 2015 43 3 333 336 4 张国祥 刘星星 张领先 等 基于 CFD 的日光温室温度与卷帘 开度关系研究 J 农业机械学报 2017 48 9 279 286 5 裴 雪 范奥华 刘焕宇 等 基于温光耦合的温室卷帘机控制设 备开发 J 农机化研究 2018 4 83 86 6 张 杰 卢博友 张海辉 等 基于 ZigBee 的温室卷帘机精准控 制系统设计 J 农机化研究 2013 5 77 80 7 李亚迪 苗 腾 朱 超 等 北方日光温室智能监控系统的设计 与实现 J 中国农业科技导报 2016 18 5 94 101 8 张国祥 傅泽田 张领先 等 中国日光温室机械卷帘技术发展现 状与趋势 J 农业工程学报 2017 33 增刊 1 1 10 9 彭秀媛 白 冰 王 枫 等 日光温室内环境科学数据监测传感 器的布设 J 江苏农业科学 2017 45 10 167 170 10 董 亮 王家忠 孔德刚 等 日光温室卷帘机自动接缝装置设 计 J 河北农业大学学报 2016 39 6 107 111 11 李天华 常金明 魏 珉 等 山东省日光温室通风设施应用现 状及问题分析 J 农业工程技术 2018 38 16 22 26 12 牟华伟 王金星 刘双喜 等 日光温室集中式最优化控制通风 系统 J 农机化研究 2015 9 113 117 13 宋明军 邱仲华 甘肃省日光温室通风技术的发展现状 问题与 对策 J 农业工程技术 2016 36 25 17 20 14 王 蕊 杨小龙 马 健 等 日光温室保温技术应用现状 J 农业工程技术 2016 36 19 9 11 15 杨学坤 蒋 晓 黄可京 日光温室保温被防风装置的研制 J 中国农机化学报 2015 36 2 70 72 16 陈春玲 王 泷 许童羽 等 北方日光温室群环境智能监控系 统的研究与设计 J 沈阳农业大学学报 2015 46 1 85 90 17 王 勇 刘 林 侯加林 等 智能型日光温室卷帘机的研制 J 山东农业科学 2014 46 5 21 25 18 宋庆恒 刘英德 马 源 等 基于多传感器数据融合的温室温 湿度控制系统设计 J 江苏农业科学 2015 43 6 394 396 622 江苏农业科学 2020 年第 48 卷第 5 期