节能型智能温室自动控制系统研发设计

1、节能型智能温室自动控制系统设计摘 要：设计了以节能控制算法为核心的温室自动控制系统上位机软件。在保证温室稳定有效 运行的前提下，引入节能的思想，使温室生产达到高产、低耗的目标， 从而为解决温室高能耗的问 题提供了一条有效途径。关键词：温室自动控制系统 多因子协调控制 温室模型节能优化控制0引言温室作为现代农业发展的载体，具重要性日益被越来越多的国家所重视， 而现代农业发展的最 重要的因素便是发展温室及其控制技术，通过有效的途径来控制温室内的作物生长环境使作物健康 的生长。在能源日益紧缺的今天，如何把节能的思想应用到现代温室的环境控制中也已成为人们关 注的焦点。我国温室产业的发展现状是控制方法简

2、单、技术落后且能耗较高。为此本文在结合国内外温室控制研究的基础上，通过引入以温室模型为基础的节能控制算法，设计了节能型的智能温室控制系统上位机软件，可实现对温室有效的节能控制。闰属钞瘗啾5尻赖。1温室自动控制系统的整体框架托普物联网认为，通常整个温室自动控制系统分为 3层：最顶层是温室控制的上位机软件， 其 中集成了温室控制的控制规则库以及温室的模型方程，还设计了一些面向用户的功能模块，以实现 与用户之间良好的交互性；中间层为温室控制的下位机，用以接收上位机的控制指令并把控制指令 转化为温室内各个执行机构的动作指令，同时接收来自温室现场端传感器采集的温室气候及执行机 构状态信息，并把这些信息转

3、化成一定的格式传给温室控制上位机软件；最底层是温室控制现场， 分布着各种执行机构以及传感器，以实现对温室环境的控制和温室内各种数据的实时采集。系统框图如图1所示。沟熠金獭T爱建谴净。本文的重点在于温室上位机控制软件中节能算法的实现。2上位机功能模块设计Visual Basic 6. 0具有丰富的开发工具，采用面向对象技术、图形化的应用开发环境。它有 一个功能极其强大的集成环境，使得开发人员可通过菜单、界面、图形浏览工具、对话框以及嵌入的各种生成器来轻松地完成各种复杂的操作。基于这种优势，温室控制上位机软件选择了VisualBasic 6 。 0开发环境进行开发设计。残鹫楼静镯梅翻胆酸I。通过对

4、温室控制上位机功能的分析，设计了各个功能模块，分别针对不同的控制要求以及用户 需求。上位机的功能模块框图1如图2所示。r钢极狒b镇桧猪锥。数手自节实1打印远据动动能时报表程采控运优曲视与历网集制行化线频1史曲络发模模控显监线查接送式式制示控询口温室控制系统上位机（PC机）帮 助 菜 单用 户 登 录参 数 设 置【温室控II制规则I库，I温室模II型方程1I控制指令发送I I温室内外数据采集I温室控制下位机温室控制现场图1温症控制系统整体架构1-用户登录 1ms，手动控制鳏二一 _ _ 实时毂据显示_ L机傩控加1报表与历 史曲线查沏 一）r - f自动运行模式_节能控制特1-f指令发送远程网

5、络接口 L帮助菜单数据接收u图2温室上位机功能模块图示温室控制上位机软件有手动控制功能。在手动控制模式下，用户可以根据实际要求在上位机软件中操作执行机构的开启或关闭命令，向下位机发送相应的指令来控制温室现场， 从而可以通过手动操作监控室内上位机的方式控制温室现场的执行机构弹贸摄尔霁毙撰砖卤尻。温室上位机软件还可以运行在自动控制模式下。 在此模式下，上位机可以不在人为干预下自动 控制温室现场。该自动运行模式下所用的控制策略采用温室环境多因子协调控制算法H1。该算法基本思想为：针对温室这样一个非线性、分布参数、时变、大时延、多变量耦合的复杂对象，并且 各控制手段之间也存在着很强的耦合性，通过结合设

6、施园艺的一些经验方法，对温室系统进行变换 和等效处理，将问题简化；利用温室对温湿度等因子控制精度要求不是很高的特点，把重点放在多因子如何协调上。通过把温室内的环境参数分为主类因子和次类因子，再建立次类因子与主类因子 的协调关系函数，从而将多因子控制变成以温度单类因子为主的单因子控制；再以前馈和反馈控制消除各类因子协调带来的不确定性，建立多因子协调控制算法。II养技箧志类蒋番基于该多因子协调控制算法设计的上位机自动运行控制软件在上海孙桥等温室基地已验证有 很好的控制效果，能够把温湿度等环境因子控制到一个适宜的区间内，提高了温室作物的产量和生长效率。由于温室的运行需要消耗较高的能耗， 特别是加热的

7、成本较为昂贵，考虑到降低温室控制 的运营成本的需要，引入一种节能的控制方法。该方法主要是基于温室模型的优化控制，运用基于 外部种群的多目标偏好遗传算法一 1,把能耗作为最终的偏好信息，计算出能耗最低的控制量作为 实际温室的控制输入。该节能算法通过与多因子协调控制算法相融合可以有效地实现温室的稳定运 行与降低;能耗的需求。厦礴恳蹒骈畤继骚。3节能优化控制对于温室的作物来讲，作物适宜生长的环境参数一般来说都是一个区间值， 也即温室内的温度、 湿度、CO等环境变量值只要维持在作物适宜生长的范围内即能满足作物的生长要求，这样就为实现温室节能控制提供了一种可能。而使温室内的环境满足所要求的区间会有若干个

8、控制策略，并且对这一组的控制策略进行能耗的计算和分析，选择其中最节能的控制策略来控制温室现场，则既能 达到温室作物生长的环境要求，又能满足节能的要求。茕桢广啊选块网糊目。在温室环境控制问题中，温室内的空气温度、湿度是主要的控制对象，这些量可以通过加热、 喷雾和通风来改变。这样使温室内温度和湿度达到所要求的区间就会有若干组加热、喷雾和通风对应的控制输入。通过计算每组控制量的能耗，选择其中能耗最低的一组控制输入，就能达到节能控 制的目的。鹅娅尽揖鹤惨雇梆3. 1模型与算法在传统的控制问题中，只有把实际的控制输入施加于控制现场才能获得相应的控制结果。然而要在控制施加之前得到控制方法和控制结果的对应关

9、系，必须建立控制对象的模型，在温室控制中也即须建立温室的温湿度模型，在此引入G D. Pasgianos等人提出的一个温室温湿度的动态方程。 髓丛妈趣为赡债蛭练浮。dtW（一奴加1%Q) V加-小）kUad%AtQ4)/Q)+ (5j(t) ,WiB(t) Vh孙n(g) 一 切即(I) 1 ；s() 5.(0 , wiB(t) = a/3Twin(0o其中，儿/七t为温室的内外温度七;吗/卬即为温室的内外湿度，g/（min , m） t 为热交换系数,W,K”;托着物联网开创智慧农业。专业解决畜牧水产养殖自动控制系统、大田种植智能 管理系统、花卉种植控制系统、农产品安全溯源、温室大棚智能控制

10、等。 网址： www. tpwlw. com www. agri50. coidp农业物联网解决方案咨询：132557187230571-81957260 86056609y为温室体积,m二P为空气密度,L2kg - m-3； 品为空气比热,1 006 J/(kgK)t； Q皿“为温室加热的功率,w； Q既为温室喷雾系统的水容量,g-s1； 多为太阳光辐射的能量,W； 人为潜在的热蒸腾,2 257 Jg-1 匕为通风率,sE(,吗.)为作物的蒸腾损失率(g$t),其受到 太阳光辐射的影响；a和仇是参数；，和，分别表示温度和湿度混合的空气体积，总 的来说，匕和 乙占温室几何体积y的60% -70

11、% o通过该温室温湿度动态方程，在已知温室体积、热交换系数等参数的情况下，可以得到温室内 的温度、湿度值的变化量与加热、喷雾以及通风量之间的关系。用基于外部种群的多目标偏好遗传 算法获得一组加热、喷雾、通风，使温湿度达到目标区间内的数据对。该算法的基本思想是根据用 户事先定义的偏好区域设定一个偏好参考点， 这样在遗传算法的进化过程中，通过度量每一代种群 个体与参考点的距离来得到每一代的虚拟聚类点，然后再利用外部种群使得距离参考点最近的个体 保留下来。算法流程1如下：51m圣的破龈讶骅汆。(1)参数初始化，包括种群中个体数目 NIND种群规模Pop外部种群个体数目OutNIND外 部种群规模 O

12、utpop、运算代数Maxgen渗彩呛俨匀谓鳖调砚金帛。(2)创建初始种群Chrom并置进化代数gen=1。(3)对Chrom中个体进行轮盘赌选择，产生父代种群 Parent_Chrom。(4)对ParentChrom中个体进行交叉和变异遗传操作得到子代种群 offspring Chrom钱卧 泻噬圣骋睨u(廉。将ParentChromffi offspring Chrom合并得到种群 MedianChrom 懒!凤袜备鄱轮烂蔷。(6)计算种群MedianChrom中个体与偏好区域中心的距离，得到虚拟参考点J(t)，根据.(f) 和动态半径r(t)得到虚拟偏好区域o(j(t) , r(t);判

13、断种群MedianChrom中个体与区域o(j(t), r(t)的关系，若属于区域 n(_(t) , r(t)则放入Outpop,否则不放入 Outpop。俣阊B直阊邺钱鼠(7)计算MedianChromO Outpop中个体的rank、拥挤距离。(8)根据rank和拥挤距离对MedianChrom进行选择，更新种群 Chrom根据rank和拥挤距 离对外部种群Outpop进行选择，更新外部种群Outpop。坛搏乡it忏篓锲铃测(9)gen=gen+1 ,如果genMaxgen$(3),否则结束循环并输出 Chrom和Outpop。蜡燮夥刷艮住铉锚 金市赘。其中虚拟偏好区域力(_(t) , r

14、(t)为每一代中的具体数据的一个集合，该集合近似地反映了用户的偏好区间在每一代中的区域。而辅昙叫闫撷凄。通过将该算法与上述的温室模型相结合，也即在算法流程的(6)中增加一步：种群 Median-Chrom的个体输入温室模型中得到相应的温度、湿度值，再根据温度、湿度值是否在虚拟偏好区域 力_(t) , (t)内来判断原MedianChrom的个体是否放入外部种群。由此最后输出所得到的外 部种群Outpop即为满足温室达到温湿度区间内的一组加热、喷雾、通风数据对。由于这 3个控制 输入的功率是不同的一一加热的能耗大，喷雾次之，通风最小一一所以在此引入一个能耗的目标函数。铺税鹏踪韦辕耀。/(I) =

15、；5Qh“M% +0.2Q%,“g +0.05，.。 *上式中的系数值(也即权值)可以根据具体的温室执行机构的功率值来改变其大小，从而可以偏向于选择耗能更低的通风或是喷雾来控制。通过对能耗值的计算和比较可以得到上述外部种群中能 耗最小的数据对，从而可以得到既最节能又符合温室环境控制要求的控制策略。嬲处彦决绥I1饴3E锦。3. 2 VB与Matlab混合编程为了能够让VB编写的上位机软件调用该节能算法从而实现温室的节能运行，首先用 Matlab 编写相应的基于外部种群的多目标偏好遗传算法程序，其中包含了温室的模型方程；再通过Matlab 中的命令生成DLL文件供VB程序来调用。具体步骤如下： 猫

16、至11绘口诛髅既尻。(1)在Matlab命令行中输入COMTOOL令，调用COM成器，出现生成器主窗口；(2)新建工程并输入组件名称(.DLL文件名)，然后再在“ Class Name”框中输入类名称如 “wenshi”；锹籁饕迳琐肇禊鸥娅蔷。(3)在“Component name框中输入组件名称(.DLL文件名)，生成工程；(4)定义工程设置并添加必要相应的多目标偏好遗传算法程序的M文件；(5)选择“Build ”菜单中的“ COM Object”选项来调用Matlab编译器进行编译，生成对象文件及输出文件.DLL并将.DLL文件自动注册到系统。 横氽if簧硕饨芹龈话鸯。该DLL动态文件的入

17、口函数为f=jiaquan-nsga(cintw),其返回值为加热、喷雾以及通风的标 定值。而其输入cintw为一个数组，包含了以下信息：温室内的初始温度、初始湿度，温室外的初 始温度、初始湿度，温室的体积以及温室模型所需的其他温室参数。然后就可以在VB中通过引用来调用该DLL文件。VB中调用DLL文件的部分代码如下：辄峰隔槿斛话跚I虢荥。PrivatemydllAs wenshi . wenshiclassSet mydll=New wenshi . wenshiclassCall mydll . jiaquannsga(1 , f, cintw)。通过混合编程可得到节能算法的加热、喷雾以及

18、通风的返回值，该处的返回值为相应的加热焦 耳值、喷雾出水量值以及通风风量。根据执行机构的配置可以把相应的值转化为加热、喷雾、通风三个执行机构的动作时间，通过上位机发送相应的控制指令使执行机构进行相应的操作。尧侧部瞪绚勘蜕督。3. 3节能控制算法的实现在实际的温室控制中，温室的执行机构除了模型中涉及的加热、喷雾以及通风之外，还有外遮阳、CO施肥系统、内遮阳、天窗等，如果忽视了这些执行机构的动作则不能实现真正的温室控制； 因为光照太强或 CO浓度过低也不能让作物健康的生长。因此通过节能控制算法对加热、喷雾及 通风进行控制，同时引入多因子协调控制算法的部分控制策略对其他的执行机构进行控制。从这个角度

19、上讲，由于模型的局限性，也只能实现局部意义上的节能。识蟠B昆缢雕!嗜俨豪图3为温室节能优化控制的程序流程图。 其中可以选择单次优化计算并运行；也可以选择自动循环运行该节能优化控制算法，通过一个温湿度的判断来自动选择是否加载节能算法并施加控制到 温室。该节能优化控制若要付诸具体的温室现场控制中，需要有一个可以能够完全反映实际温室环境中各种因子相互作用机制的温室模型，而就目前在温室模型方面的研究来说，这样的模型还未完善到完全可适用的程度。基于此原因，以节能控制算法为主的控制策略对温室进行完全控制之前， 需要有一个验证温室模型的过程，同时考虑到具体的温室运行现场对控制稳定性的要求，提出了一个较为稳定

20、的控制方法即结合节能算法的自动运行方式。潮娘劳嘛皆痫嫦胫汆。托普物联网开创智慧农业.专业解决畜牧水产养殖自动控制系统、大田种植智能 管理系统、花卉种植控制系统.农产品安全溯源、温室大棚智能控制等。 网址1 www. tpwlw. com www. agri50. cohh-1农业物联网解决方案咨询. 132557187230571-81957260 8605660%图3节能控制算法流程图4基于节能优化的自动运行方式在实际的温室控制中，由于温室模型与实际温室之间存在着差异， 再加上温室控制执行机构的 动作误差以及温室控制中存在的时间延迟，由节能算法求得的控制策略可能会存在较大偏差， 使温室内的温

21、湿度达不到理想目标区间内， 这样就需要重复迭代节能算法以获得一个新的控制输入。基于这种考虑，可能会出现节能的控制方法所消耗的能耗大于在同等情况下的多因子协调控制方法的 能耗。于是引入了多因子协调控制算法与节能算法相结合的方法，在一定程度上达到节能控制的目标；同时由于多因子协调控制在实际温室控制中可以保证系统的稳定运行，采用该混合控制方法更能够在保证温室稳定运行的前提下实现节能控制。药潦辅灭萦欢壕t鹫球多因子协调控制作为温室控制的主要方式， 通过温室环境多因子协调控制算法可以自动控制温 室内的环境。然而在该模式下的控制是无模型的控制， 必须通过一个控制过程才能够得到温室执行 机构的动作时间。在本软件的设计中取 1 h为一个计算时间单位，可以得到一个时间单位内相应的 控制能耗总值；与此同时，通过节能算法可以在线计算出同等时间段内采用节能优化控制算法所需 要的能耗化 从而可以在每个小时比较一次总能耗，然后再进行总能耗的对比。鲨爵制WWr瞰碑。能耗的对比方法分为两种：一种是用户自己进行对比并决定是否在多因子协调控制下调用节能 算法对温室进行控制；另一种是上位机软件自动对比作出