新型温室二氧化碳智能模糊测控系统

1、新型温室二氧化碳智能模糊测控系统摘要：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：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

2、和科研领域。Fig.1 Agricultural greenhouse carbon dioxide measurement and control system hardware architecture1 系统硬件结构及原理系统原理结构框图如图1所示。部分测控采用从机模块化结构【1】，根据应用场合不同、测控点不同而选用不同的配置。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120的红外光，通过一定长度的气室吸收后，经过一个4

3、.26波长的窄带滤光片后，由红外传感器监测透过4.26波长红外光的强度，以此表示CO2气体的浓度。CO2浓度设计测量范围为02×10-3mol/ mol1。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.2 NDIR schematic diagram of infrared gas analys

4、is温湿度测量选用基于CMOSens技术的新型智能温湿度传感器SHT112，SHT11将温湿度传感器、信号放大调理、AD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0100%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

5、。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。Fig.3 Schematic diagram of carbon dioxide concentration fuzzy control systemSTC12C5A32S2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

6、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。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

7、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

8、之差e及其变化率ec作为输入变量，则有 （1） （2）以即其中，k采样周期；k次采样值与设定值yr的差值；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

9、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 Evaluating of the variable parametersParametersDomainquantization valuee-3%-13%06ec-3%7%-63Refilling time interval /s66006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,-1,0，1，2，3。模糊语言集分为七档5，记为NB (负大)、NM(负中)、NS(

10、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续型高斯型函数，模糊推理采用Mamdani法6，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 Fuzzy cont rol rule偏差E偏差变化ECPBPMPS0NSNMNBPBNMNBNBNBNM00PMNMNBNBNBNM00PSN

11、MNMNMNM0PSPS0NMNMNS0PSPMPM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。 （3） （4）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 List of fuzzy cont rol ruleOutput control time UDeviation E-6-5-4-3-2-10Deviation change EC-66665552-56655552-46555431-35544331-25443320-144332200433221013322

12、10023321000311110003 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。4 实验结果将系统安装在秦皇岛地区面积为200m2，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

13、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%。由实际运行可以看出，用这种模糊控制器来控制二氧化碳浓度,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。5 结束语Fig

14、.4 Flow graph of main programme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,2004,6.2422452 孟臣,李敏,李爱传.I2C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,200