（检测技术与自动化装置专业论文）温室大棚光照度无线测控系统的研究与设计.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 承竹寝 日期：2 pj p 缉占籼1 j 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：帮竹器 导师签名：纠丽 v日期：加p 阳肿 栅删川；彻b 删7 1-燃明骀 懈眨 黝8 僦丫 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 温室作为新的农作物种植技术，突破了传统农业种植受地域、自然环境、 季节、气候等多种因素的限制，对农业的生产和发展具有重大的意义。温室 监控是实现温室自动化生产最关键、最重要的环节。而光照是温室作物制造 养分和生命活动不可缺少的能源条件，也是形成温室小气候的主导因素。因 此，本文通过对国内外温室监控技术的发展现状和趋势的分析，综合应用现 代电子技术、通信技术和模糊控制技术，设计了温室大棚光照度无线测控系 统。该系统能够测量温室环境中的光照度环境因子以及对光照度信息的无线 传输，并通过模糊控制算法的运算和处理，实现对温室大棚遮阳装置的控制， 达到调节光照度的目的。 本文首先在分析了系统要求、控制特点及无线传感器网络节点结构的基 础上，设计了温室大棚光照度无线测控系统的总体结构；其次，根据实际的 应用需求以及参考典型节点硬件的设计方案，从能耗、传输距离、数据速率、 安全性和通用性等因素，进行了主要芯片的选型，同时完成了光照度采集模 块、数据处理模块、无线收发模块、驱动模块和能量供应模块的硬件电路设 计和p c b 板的制作；再次，根据模块化的程序设计思想及各模块的功能要求， 完成了各模块的程序设计，实现了光照度信息的采集、处理、无线收发和对 温室大棚遮阳装置的调节；最后，在系统硬软件完成之后，针对系统进行了 各模块调试和系统实验。经过实验验证，该系统工作性能稳定，达到了设计 的要求。 关键词：温室光照度传感器无线传输模糊控制 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t g r e e n h o u s ea san e wc r o pt e c h n o l o g yb r e a k s t h r o u g h e st h el i m i t a t i o n so ft r a - i t i o n a la g r i c u l t u r eb yt h el o c a l ，n a t u r a le n v i r o n m e n t ，s e a s o n ，w e a t h e ra n do t h e rf a - - e t o r s ，a n dh a sag r e a ts i g n i f i c a n c eo na g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o na n dd e v e l o p m e n t g r e e h o u s em o n i t o r i n gi st h em o s tc r i t i c a la n dt h em o s ti m p o t a n tp a r ti nt h e g r e e n h o u s ea u t o m a t i o n l i g h ti sa ni n d i s p e n s a b l ee n e r g yc o n d i t i o nf o rg r e e n h o u 一 s ec r o pm a n u f a c t u r i n gn u t r i e n t sa n dk e e p i n gl i f ea c t i v i t i e s ，a n da l s oi st h ed o m i 一 n a n tf a c t o ri nt h eg r e e n h o u s em i c r o c l i m a t e t h e r e f o r e ，t h o u g ha n a l y s i st h es t a t u s a n dt r e n do ft h ed e v e l o p m e n to ft h eg r e e n h o u s em o n i t o r i n gt e c h n o l o g yo nd e m e - 一s t i ca n di n t e r n a t i o n a l ，i td e s i g n st h ei l l u m i n a t i o nw i r e l e s sm e s u r m e n ta n dc o n t r o l s y s t e ma p p l yt og r e e n h o u s eo nc o m p r e h e n s i v ea p p l i c a t i o no ft h em o d e r ne l e c t r o 一 一n i ct e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n df u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g y t h el i - - g h ti n t e n s i t yi ng r e e n h o u s ec a n b em e a s u r e d ，a n dc a l lb et r a n s m i t t e d t h es y s t e m a l s oc a nc o n t r o lt h es h a d i n gd e v i c ei nt h eg r e e n h o u s et oa d j u s ti l l u m i n a t i o n p u r p o s e st h o u g ht h ef u z z yc o n t r o la l g o r i t h mc o m p u t i n ga n dp r o c e s s i n g f i r s t l y , i td e s i g n st h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h es y s t e mo nt h eb a s eo fa n a l y s i s o fs y s t e mr e q u i r e m e n t s ，e o n t r o l l i o n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h es t r u c t u r eo ft h e w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kn o d e ；s e c o n d l y a c c o r d i n gt ot h ea c t u a la p p l i c a t i o nr e q u - i r e m e n ta n dm a k i n gr e f e r e n c et oh a r d w a r ed e s i g n so ft h et y p i c a ln o d e s ，i ts e l e c t s t h em a i nc h i p sf r o me n e r g yc o n s u m p t i o n ，t r a n s m i s s i o nr a n g e ，d a t ar a t e ，s e c u r i t y , a n du n i v e r s a lf a c t o r s i tc o m p l e t e sd e s i g n so ft h et h eh a r d w a r ec i r c u i to ft h ei l l u 一 m i n a t i o na c q u i s i t i o nm o d u l e ，d a t ap r o c e s s i n gm o d u l e ，w i r e l e s st r a n s c e i v e rm o d 一 - u l e s ，d r i v e ro d u l ea n dp o w e rs u p p l ym o d u l e ；t h i r d l y , a c c o r d i n gt ot h ep r o c e d u r e s m o d u l a rd e s i g na n df u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，i tc o m p l e t e se a c hm o d u l eo ft h ep r - 一o g r a md e s i g n ，a n da l s or e a l i z e st h ei n f o r m a t i o nc o l l e c t i n g ，p r o c e s s i n gw i r e l e s s t r a n s c e i v e ra n dt h er e g u l a t i o no fg r e e n h o u s es h a d i n gd e v i c e ；l a s t l y , a f t e rc o m p l e - - t i n ge a c hm o d u l eo fh a r d w a r e s o f t w a r e ，i td e b u g se a c hm o d u l eo f t h es y t e ma n d t e s t st h es y t e m e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mi ss t a b l ea n dm e e t st h e r e q u i r e m e n t so fd e s i g n k e yw o r d s ：g r e e n h o u s e ；i l l u m i n a t i o n ；s e n s o r ；w i r e l e s st r a n s m i s s i o n ；f u z z y c o n t f 0 1 西南科技大学硕士研究生学位论文第h i 页 目录 1绪论1 1 1课题的研究背景及意义1 1 2国内外温室监控技术的研究现状与发展趋势l 1 2 1国外温室监控技术的研究现状2 1 2 2国内温室监控制技术的研究现状2 1 2 3 温室监控技术的发展趋势3 1 3 本文的主要工作3 2 系统总体结构设计5 2 1 现有的无线传感器网络节点的结构5 2 2 系统总体结构设计5 2 2 1有线通信技术与无线通信技术6 2 2 2 传统控制方法与模糊控制方法8 2 2 3系统总体结构1 l 2 3 小结l2 3 系统硬件设计l3 3 1现有的无线传感器节点及其设计原则1 3 3 1 1现有的无线传感器节点1 3 3 ，1 2 节点的设计原则1 3 3 2 硬件系统设计l4 3 2 1 光照度采集模块1 4 3 2 2 微控制器l7 3 2 3 无线通信模块2 4 3 2 4电机驱动模块2 8 3 2 5 能量供应模块3 2 3 2 6 显示模块3 3 3 3 小结3 5 4 系统软件设计3 6 4 1总体程序结构设计3 6 西南科技大学硕士研究生学位论文第页 4 2 各模块程序设计3 8 4 2 1光照度采集程序3 8 4 2 2 无线收发程序3 9 4 2 3 光照度模糊控制算法研究5 0 4 2 4 显示程序6 2 4 3 d 、结6 4 5 系统调试和实验结果分析6 5 5 1系统调试6 5 5 1 1 数据采集模块调试6 5 5 1 2能量供应模块和驱动模块调试6 6 5 1 3 显示模块调试6 7 5 1 4 无线收发模块调试6 7 5 2 系统实验及结果分析6 9 5 3 小结7 3 结论7 4 致谢7 6 参考文献7 7 攻读硕士期间发表论文和承担的科研任务8 1 西南科技大学硕士研究生学位论文第l 页 1绪论 1 1课题的研究背景及意义 随着社会经济的迅速发展和人们生活水平的逐渐提高，设施农业成为农 业可持续发展的一个重要途径，越来越受到世界各国的重视。虽然设施农业 目前没有一个统一的定义，但是一般来说，所谓设施农业是指具有一定的设 施，能在局部范围内改善或创造出适宜动植物生长发育的微气候条件，而进 行的有效农业生产。其中温室生产是设施农业的重要组成部分，也是现代 农业发展的高级阶段。温室生产不仅改变了传统农业生产种植方式，避免了 农作物受地域、自然环境、气候等诸多因素的限制，同时也极大地提高了农 业生产效率，从而成为了一种新的农业种植方式，对农业发展具有重要的意 义。 温室的现代化生产主要体现在对温室内部环境因子的监测和控制上，所 以温室环境监控是农业现代化的重要标志。随着现代传感器技术日益朝着智 能化、网络化方向的发展，以及无线通信技术的日渐成熟，无线传感器网络 现已成为国内外研究的热点。同时，温室控制技术也朝着自动化、智能化、 无线化、无人化的方向发展“删c ，。尤其是人工智能技术在温室生产上的广泛 应用，弥补了传统控制方式运用于温室系统中的不足，成为了农业发展的趋 势。 光照是植物生长的关键要素，其影响植物光合作用的速率和效率，因此 在充分研究作物的光谱响应特性及光照强度对植物生长发育影响的基础上， 结合目前国内外所采用的先进的传感器技术、无线通信技术、现代电子技术 等，设计一个用于温室环境中光照度环境因子测量，并能实现对光照度信息 无线传输和模糊智能调节的系统。这不仅为温室测控技术提供了一种新的理 念和方法，而且还迎合了无线传感器网络应用于温室的发展趋势。 1 2国内外温室监控技术的研究现状与发展趋势 温室环境监控就是利用温度、湿度、c 0 2 、光照度等传感器来获取温室 内的各项环境信息，并通过微控制器进行数据分析、处理，同时再结合温室 作物生长发育的特点和规律，对温室内的加温系统、通风系统、遮阳系统等 设施实施监控，来改善不适合作物生长的环境条件，创造出最适合作物生长 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 的微气候条件，从而达到缩短作物的生产周期，提高作物的产量和质量，进 行大规模生产的目的h 1 ”。 1 2 1国外温室监控技术的研究现状 国外发达国家的温室技术起步较早，而且发展迅速。1 9 4 9 年，美国就建 立了世界上第一个人工气候室，开始了植物对自然环境的适应力和抵抗能力 等方面的研究。2 0 世纪7 0 年代后，诸如荷兰、日本、以色列、英国、加拿 大等国的温室技术迅猛发展，温室在园艺、畜牧业、水产养殖等方面得到了 广泛的应用。近百年来，随着计算机技术、电子技术和智能控制理论的发展 和进步，更加促进了温室环境控制技术的向网络化、智能化方向的迈进。 目前，国外尤其是西方发达国家的温室环境监控技术已经达到了标准化、 完备化的程度。如：美国研究开发的温室测控系统可以根据温室作物的特点 和要求，实现对温室内温度、湿度、光照度、c 0 2 、肥料等诸多因子进行自 动调控，并利用差温管理技术实现对水果、花卉、蔬菜等植物的开花和成熟 期进行控制；以色列的现代化温室可以利用计算机自动地对温室的内部环 境进行监控，以满足作物对环境的需求，从而实现高效率的生产n 们；日本推 出了全封闭生产体系，该体系代表了当今世界设施农业的最先进水平，它利 用网络通信技术、视频技术等对温室进行远程监控和诊断，并通过机械人或 机械手进行作物的种植栽培，大大地提高了劳动效率和增加了作物产量幢1 。 1 2 2国内温室监控制技术的研究现状 我国是温室栽培起源最早的国家，早在2 0 0 0 多年前我国就已经能够利用 保护措施栽培多种蔬菜，但至2 0 世纪6 0 年代，我国的温室生产始终处于小 规模、低水平、发展速度缓慢的状态。7 0 年代末，随着我国经济的发展和 科技的进步，以及我国从国外陆续引进了许多先进的现代化温室，我国的温 室技术得到了极大的发展。 近年来，随着国家相关科研项目的启动，在学习借鉴和消化吸收国外先 进技术成果的基础上，我国在温室环境监控技术方面也取得了不少的成果。 如：江苏理工大学李萍萍、毛罕平等人研制的基于工控机温室自动控制系统， 该系统是一个多变量输入输出控制系统，它可以利用各类传感器测量温室的 温度、湿度、光照、营养液和二氧化碳等环境因子，并能对各环境因子进行 控制；汪永斌、吕昂等人研制的基于8 9 c 5 l 单片机的温室群全数字式温度和 湿度综合控制系统，用户可以根据作物的生长要求，在上位机一p c 机上设置 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 适合作物生长的温湿度经验数据，该系统就可以自动地对温室温湿度进行控 制：胡建东、肖建军等基于模糊控制原理设计了连栋温室温度控制系统，该 系统利用模糊控制技术可以使连栋温室环境达到最佳状态；此外还有许多高 等院校和科研院所都在进行温室控制系统的相关研究删。这些都预示着温室 监控技术在我国强劲的发展势头。 1 2 3 温室监控技术的发展趋势 温室环境是一个复杂的环境，其具有强耦合、非线性、多变量、时变、 强干扰、不确定等特点，因此温室控制需要运用复杂系统理论的新方法、新 概念去解决其问题。 随着电子技术和农业技术的进步以及市场对高品质产品的需求的增加， 加强控制理论同生产实际的紧密结合，引进模糊控制理论、神经网络、遗传 算法等人工智能方法和智能专家控制技术、分布式计算机控制技术、多环境 因子控制技术，形成包括计算机监控系统在内的人一机智能系统，是未来农 业的发展趋势，并且这些先进技术的采用将会进一步地推动温室监控技术的 发展，也必将加速设施农业的发展进程。 1 3 本文的主要工作 本文在分析研究温室监控系统应用特点的基础上，综合应用现代传感器、 电子、智能控制及无线通信技术等相关知识，研究和设计出基于无线传输技 术和模糊控制技术的温室大棚光照度无线测控系统。该系统以温室大棚为控 制对象，以西红柿的光照度需求为实例，其设计需要达到如下的性能指标： 供电电压：2 5 v d c 5 v d c ( 电机驱动电压除外) 照度测量范围：1 1 0 万1 x 测量相对误差范围：5 5 照度控制范围：5 万l x 7 万l x 照度控制相对误差s 8 根据研究内容和所做工作将本学位论文分为以下几章： 第一章：首先介绍了课题的研究背景及意义；然后介绍了国内外温室监 控技术的研究现状与发展趋势以及论文主要工作。 第二章：根据现有的无线传感器网络节点的结构，同时在仔细对比有线 通信技术和无线通信技术、无线传感器网络中常用的几种短距离无线通信技 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 术的性能以及传统p i d 控制和模糊控制的优缺点后，进行了系统中两大核心 技术：通信技术和控制技术的选择，再结合本系统自身的特点和功能要求， 完成了系统总体的结构设计。 第三章：主要完成了温室大棚光照度无线测控系统的硬件系统的设计。 根据系统总体结构设计，完成了光照度采集电路、无线通信电路、电机驱动 电路、能量供应电路、显示电路等设计，并以超低功耗单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 为控制器，利用其内部集成的丰富的外设接口资源实现了照度控制电路的设 计。 第四章：根据系统的功能需求，完成了各模块的软件设计及程序的实现， 包括光照度数据采集程序、无线收发程序、液晶显示程序以及光照度模糊控 制算法等。 第五章：主要进行了系统调试和实验，首先根据调试过程中的经验总结， 详细的介绍了系统各模块调试的思路及注意事项；其次为验证系统的性能， 进行了相应的实验，并记录实验数据。通过实验结果分析可知，该系统工作 稳定，达到了设计性能指标。 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 2 系统总体结构设计 2 1现有的无线传感器网络节点的结构 在不同应用中，虽然传感器节点的硬件组成不尽相同，但基本都遵循一 个统一的结构，此结构包括：数据采集模块、数据处理模块、数据传输模块 和电源模块四个部分m ，。同时，根据具体应用需求还可以给节点增加不同的 辅助模块，例如：可以增加定位模块以确定节点自身的物理位置；可以增加动 力模块使得节点可以在待监测区域中作有限的移动；可以增加能源补充模块 使得节点可以从环境中补充能源。各模块之间的联系如图2 1 所示。 数据采集模块由各类传感器组成，负责完成信息的采集以及将各种物理 信息转换成相应电信号；数据处理模块负责完成节点任务处理、设备控制以 及通信算法等工作；数据传输模块用来进行节点间信息的发送和接收；电源 模块负责为整个节点提供能量n 引m ，。 图2 - 1无线传感器网络节点结构 fig 2 - 1wir eie s ss e n s o rn e t w o r kn o d es t r u c t u r e 2 2 系统总体结构设计 光照度是温室重要的环境参数之一，不同种类的植物，因光照强度的不 同，固定二氧化碳的速率差别很大，因此准确、可靠地测控温室内的光照度， 对提高温室作物的光合作用的速率和效率有着至关重要的作用。那么本课题 针对温室大棚光照度所研究设计的无线测控系统极大地满足了温室光照度测 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 控的发展需求。 根据第一章所述的本课题的主要工作可知，该系统的设计需要解决两大 核心问题：一是系统通信方式的选择；二是系统控制方法的选择。因此，下 面将在详细的比较温室测控系统中常用的有线通信技术与无线通信技术、传 统控制方法和模糊控制方法后，得出该系统的总体结构设计方案。 2 。2 1有线通信技术与无线通信技术 2 2 1 1有线通信技术 有线通信是指以电缆、光缆、架空明线等形式为传输介质的通信方式哺钔。 有线通信方式较多，而在温室测控系统中，常用的有线通信技术包括： r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 、现场总线( f i e l d b u s ) 、计算机局域网( l o c a la r e an e t w o r k ， l a n ) 。 r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 是个人计算机与通信工业中应用较为广泛的几种串行通 讯标准。虽然它们较简单，但采用这些技术构成的网络，存在如下的一些缺 点：实时性差、吞吐量低、通信距离短、信息的集成能力差、安装以及维护 成本高、可靠性和开放性差，缺乏互操作性和互换性等h 5 1 哺1 哺”。 现场总线是一种工业数据总线，它的种类较多，而其中运用最广的是 c a n ，l o n w o r k s ，p r o f i b u s ，h a r t ，f f ”i i 。采用现场总线技术形成的控 制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 与以前的分布式控制系统( d i s t r i b u t e c o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 相比较具有系统准确性、可靠性、集成度高、硬件需求 量少、投资和安装费用低、维护容易等优点。 局域网是指在一定的区域内通过电缆或者无线链接的方式连接终端设备 而形成的数据通信网络。其中，有线方式的局域网主要是以太网( e t h e r n e t ) 和 令牌环网( t o k e nr i n g ) 。以太网协议是由一组i e e e8 0 2 3 标准定义的局域网 协议集，它的缺点主要在于有效性和距离限制，。令牌环网是由i e e e8 0 2 5 标准定义的协议，它的缺陷在于数据的传输时间会随着网络终端数的增加而 增加1 4 1 1o 2 2 1 2 无线通信技术 根据通信距离的长短，可以将无线通信技术分为无线短距离通信技术和 无线远距离通信技术。 无线远距离通信包括：全球移动通信系统( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ，g s m ) ，通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os y s t e m ， 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 g p r s ) ，码分多址( c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，c d m a ) ，全球定位系统( g l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 和第三代移动通信( t h i r dg e n e r a t i o n ，3 g ) 、全球微波 接入互操作性( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，w i m a x ) 等技 术。 无线短距离通信包括：基于i e e e8 0 2 1 1 b 标准的无线局域网( w i r e l e s s f i d e l i t y ，w i f i ) 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 、红外数据标准协议( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ， i r d a ) 、射频识另l j ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 、i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 、 超宽频( u l t r aw i d e b a n d ，u w b ) 等技术。它们有着不同的立足点，在性能、 应用领域等方面存在着差异。 2 2 1 3 系统的通信方式的选择 总体上看，温室环境测控系统基本上都是采用有线通信技术，因为有线 方式具有数据传输速度快、可靠性高、运行稳定、抗干扰能力强、互操作性 好等优点，但是仍具有如下不足2 儿圳： ( 1 ) 采用有线通信技术，无法适应实际的长期高温、潮湿、较高的酸碱 性的应用环境，因为这样的恶劣环境容易造成通信电缆的老化，从而导致系 统的可靠性降低。 ( 2 ) 实际的农业生产应用，需要密布传感器节点，才能实现对监测区域 的有效覆盖，因此采用有线通信技术将导致农业设施内部线缆纵横交错，同 时系统安装及维护成本的增加。 ( 3 ) 如果测控系统工作在线路架设困难或腐蚀、爆炸等场合，或者采集 对象是运动物体时，有线方式的应用就受到了限制。 而无线通信技术能较好的克服以上有线方式的缺陷，并且具有安装灵活、 组网便捷、维护方便、成本低廉等优点，因而在设施农业环境测控系统中得 到了极大地应用。但是在无线传感器网络中常采用的是短距离无线通信技术。 表2 一l 罗列了无线传感器网络中常用的几种短距离无线通信技术，并对它们 进行了性能比较。 根据现有的实验条件，同时再结合系统的功能需求，在此系统中选择了 r f 无线通信技术。因而在设计该系统的无线收发模块，需要选择支持r f 无 线通信技术的无线收发芯片。 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 表2 - 1 常用短距离无线通信技术的性能 t a b 2 1 p r o p e r t yo ft h ec o m m o ns h o r tdis t a n c ewir ele s sc o m m u nic alt o n t e c h n o f o g y ax 表示1 9 2 2 2 传统控制方法与模糊控制方法 2 2 2 1传统控制方法 在传统的控制系统中，最常用的控制规律就是p i d 控制算法，即将产生 的偏差信号，通过比例( p r o p o n i o n ) 、积分( i n t e g r a l ) 和微分( d i 脆r e n t i a l ) 运算后 产生的输出，驱动执行机构，实现对被控对象的控制。图2 2 为系统原理图。 图2 - 2p i d 控制系统原理图 f i g 2 - 2 s h e m a t i cd i a g r a mo ft h ep i dc o n t r o is y s t e m 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 由上图可知，该系统是由p i d 控制器和广义被控对象组成。图中，r ( t ) 是给定值，y ( t ) 是系统的实际输出值，给定值与实际输出值构成控制偏差e ( t ) 作为p i d 控制的输入，u ( t ) 作为p i d 控制器的输出和被控对象的输入。p i d 控制的控制规律可以见式( 2 一1 ) ： 吗+ 丢re o 砂+ 乙掣 浯， 式中：k p _ 控制器的比例系数 t i 一控制器的积分时间，也称积分系数 t d 一控制器的微分时间，也称微分系数 ( 1 ) 比例部分 比例部分的数学表达式是：k p e ( t ) 比例部分的作用是当系统偏差产生时，控制器立即产生控制作用，使控 制量向着减少偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数k ，比例系 数k ，越大，控制作用越强，则过渡过程越快，控制过程的静态偏差也就越小； 反之，则容易产生振荡，破坏系统的稳定性。 ( 2 ) 积分部分 积分部分的数学表达式是：等j ：e o 净 积分部分的作用是消除系统的偏差，但如果积分常数t ；越大，消除静态 误差。的时间就会增加，积分的累积作用就越弱；反之，如果t 。较小，虽积分 作用较强，但这时系统可能产生振荡。 ( 3 ) 微分部分 微分部分的数学表达式是：g p x 乃掣 微分部分的作用是可以根据偏差的变化趋势预先做出适当的纠正，加快 系统稳定。 2 2 2 2 模糊控制方法 美国控制理论专家查德( l a z a d e h ) 教授于1 9 6 5 年首先提出了模糊集合 的概念，奠定模糊控制理论的基础。随后，1 9 7 4 年英国教授曼丹尼 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 ( e h m a m d a n i ) 首次将模糊集合理论应用于加热器的控制，开创了模糊控制应 用的新纪元。因此，模糊控制应工业控制的实际需求而生，其不依赖于被控 对象精确的数学模型，通过模拟人的思维方式，将专家的控制经验和知识转 化成一系列的模糊控制规则和表示对象特性的语言规则，由此形成模糊控制 器实现对被控对象的智能控制。模糊控制系统一般由四个部分组成，其结构 图如图2 3 所示。 ( 1 ) 模糊控制器：它是模糊控制系统的核心，主要实现模糊控制的核心 过程，即模糊化、模糊判决和清晰化。它可以是微型计算机，也可以是单板 机或单片机。 ( 2 ) 输入输出接口装置：其包括模数和数模转换，被控量经a d 转换 成数字信号进入模糊控制器，同时将模糊控制器的决策后的输出数字信号经 过d a 转换成模拟信号，送给执行结构去控制被控对象。 ( 3 ) 广义对象：包括执行机构和被控对象。 ( 4 ) 传感器：将被控量转化为电信号的一类装置。 图2 - 3模糊控制系统结构图 fig 2 3s t r u c t u r edia g r a mo ft h ef u z z yc o n t r ois y s t e m 2 2 2 3 系统的控制方法选择 传统的p i d 控制方法因其算法简单，成为当前普遍采用的控制算法。但 是p i d 控制算法有它的局限性和不足：p i d 控制算法要达到理想的控制效果 必须要使p 、i 、d 三个参数达到最佳的系数组合，而这些系数的选取难度较 大；同时，传统控制是以控制对象的精确的数学模型为基础，然而在实际应 用中许多被控对象由于具有非线性、时变性、变结构、多层次、多干扰以及 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 各种不确定性，因而难以建立精确的数学模型，可见传统的控制理论对于明 确系统有强而有力的控制能力，但对于过于复杂或难以精确描述的系统，则 显得无能为力了。 为解决这样的问题，因此人们把模糊理论、模糊逻辑和模糊推理等相关 概念引进到控制理论中，形成了现代的模糊控制，利用它可以用来解决那些 用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题。而温室系统是一个复杂的系统， 它具有的特点：温室系统是一个非线性系统；温室系统是一个时变系统； 温室系统是一个大延时、大滞后系统；对控制时间和跟踪误差要求不高。 而根据前述的温室复杂的环境特点可知，采用传统的p i d 控制方法不会 取得好的控制效果，由于本论文中的设计对控制时间和误差要求不高，而模 糊控制算法比较容易实现，易于对控制规则进行及时地验证和修改，可以比 较快速地应用到实际的温室中，并能及时地看到控制效果，所以在本论文中 采用模糊控制方法对温室内的光照度进行调节。 2 2 3 系统总体结构 本文在分析了系统要求、控制特点及无线传感器网络节点结构的基础上， 设计了如图2 4 所示的用于温室大棚光照度的无线测控系统的总体结构。该 系统是一个闭环控制系统，由下位机、上位机、驱动模块和能源供应模块四 大部分组成。其中下位机包括：数据采集模块、数据处理模块、无线发送模 块；上位机包括：无线接收模块、控制模块、显示模块。各模块的功能说明 如下： ( 1 ) 数据采集模块：该模块利用光照度传感器将光照度信息转化为电信 号，供处理器使用。 ( 2 ) 数据处理模块：数据处理模块主要负责对光照度信息的定时采集、 处理和无线发送。 ( 3 ) 数据传输模块：该模块主要实现光照度信息的可靠传输。 ( 4 ) 控制模块：主要负责对光照度信息的接收、定时显示和模糊控制算 法的实现等。 ( 5 ) 数据显示模块：该模块显示由下位机传输的光照度信息。 ( 6 ) 驱动模块：该模块根据模糊控制算法的输出量，实现对温室遮阳幕 的智能控制，从而调节温室内的光照度。 ( 7 ) 能源供应模块：该模块主要负责对整个系统的提供能量。 图2 - 4系统总体结构图 f i g 2 - 4 o v e r a iis t r u c t u r ed i a g r a mo ft h es y s t e m 2 3 小- 结 本章在综合分析了现有的无线传感器节点结构、有线和无线通信技术及 传统控制方法和模糊控制方法优劣点的基础上，再根据温室环境特点，设计 了系统的总体结构。此结构不仅迎合了无线传感器网络应用于温室的发展趋 势，同时也极好地满足了温室这种复杂环境下实现光照度测控的需求，为后 续的硬件平台的搭建和软件程序的开发奠定了基础，也提供了可靠和可行的 思路。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 3 页 3 系统硬件设计 3 1现有的无线传感器节点及其设计原则 3 1 1现有的无线传感器节点 目前，在国内外出现了很多的无线传感器节点的硬件平台，但因其应用 背景和对节点的功能、性能要求的不同，这些节点的组件在微处理器、传感 器、无线芯片等方面存在差异。表3 1 就现有的无线传感器网络节点从微处 理器、无线收发芯片、无线通信技术以及电池类型几个方面进行了对比。 表3 - i现有的无线传感器网络节点 t a b 3 - 1e x is t i n gw ir e i e s s s e n s o rn e t w o r kn o d e 节点名称处理器公司无线芯片无线技术电池类型 w e ca t 9 0 s 8 5 3 5a t m e lt r l 0 0 0r fl it h i u i b r e n e e h t m e g a l 6 3 a t m e l t r l 0 0 0 r fa a m i c a a t m e g a l 2 8 l h t m e lt r l 0 0 0r fa a w i c a 2 h t m e g a l 2 8 l a t m e l c c l 0 0 0r f a a m i c a 2 d o t a t m e g a l 2 8 l a t m e lc c l 0 0 0r fl i t h i u m w i c a 3 a t m e g a l 2 8 l h t m e lc c l 0 2 0r f从 w i c a z a t m e g a l 2 8 l a t m e lc c 2 4 2 0zig b e e从 t o l e sm s p 4 3 0 f 1 4 9 t i c c 2 4 2 0 z i g b e e a a p l a t f o r m lp i c l 6 l f 8 7 7 n i c r o c h i p b l u e t o o t h & r f从 z a b r a n e tm s p 4 3 0 f 1 4 9t i9 x s t r e a mr fb a tt e r y p l a t f o r m 2t m s 3 2 0 c 5 5 xt iu w bl i t h i u m p l a t f o r m 3 a r m 7 t d m i 核+ b l u e t o o t h 集成( z e e v o ) b a t t e r y x y z n o d e m l 6 7 q 5 0 0 x o k ic c 2 4 2 0 z i g b e en i m n r e c h a r g e a b l e 3 1 2节点的设计原则 目前，无线传感器网络在农业中得到了广泛应用。它是由随机分布在监 测区域内大量的传感器节点组成的，并通过无线通信方式形成的一个多跳自 组织网络“。其中，传感器节点是一个集数据采集、处理、无线传输等功能 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 为一体的微型嵌入式系统，是构建无线传感器网络的基础硬件平台m ，。尽管 不同的具体应用，传感器节点的结构也不尽相同，但是其设计原则是一致的。 总体来说，在设计时要考虑以下原则伯盯： ( 1 ) 低功耗原则。因为节点常被放置在无人值守的地方，无法频繁地更 换电池，所以如何尽可能地降低功耗是考虑的首要问题。 ( 2 ) 低成本原则。由于无线传感器网络中需要的节点数量巨大，因此每 个节点的成本不能太高，否则将会影响其大规模的使用。 ( 3 ) 微型化原则。因为无线传感器网络中节点数量众多，所以必须使传 感器节点体积应做的尽可能微小，以适合不同的应用场合。 ( 4 ) 高扩展性原则。传感器节点根据任务的不同，需要不同的传感器。 因此，节点预留的接口必须能满足此要求，以方便后续功能的扩展。 该系统以无线传感器节点的结构模型为框架，所以其设计也必须要满足 以上的原则。 3 2 硬件系统设计 根据系统总体结构和设计原则，同时在参考典型节点硬件的设计方案的 基础上，本文从功耗、数据处理速率、传输距离、通用性等方面，进行了主 要芯片的选型和各功能模块的硬件电路设计。 3 2 1 光照度采集模块 数据采集模块是整个硬件平台的基础，该模块主要实现将模拟光信号转 换为电信号。根据系统的性能指标及其设计原则，此传感器需要满足以下条 件：光照度测量范围在0 l o 万i x ；高感光性：高精度；供电电压 需满足在2 5 v d c 5 v d c ；电路结构简单；所需外围器件少。因此经过 综合比较，选择了美国德州仪器( t i ) 公司生产的可编程光频智能转化器 t s i ，2 3 0 m l 。 3 2 1 1t s l 2 3 0 的结构 可编