【《温室环境智能控制系统设计与实现》23000字】

温室环境智能控制系统设计与实现摘要随着我国农业自动化水平的迅速提高，为了给农作物创造出理想适合的环境，丰富产量，温室系统的建立变得尤为重要，温室系统的智能化水平是国家农业科技水平先进与否的重要标志之一。本设计围绕智能温室，从信息采集处理，到参数调控设计了一款嵌入式，高稳定，实用性强，精确度较高，成本低廉的智能温室控制系统以改善国内传统温室控制对象的单一，缺乏稳定性的不足。对本系统进行分模块化设计包括：微控制器模块；系统供电模块；环境参数数据采集模块；液晶显示模块；输出控制模块；RS485有线通讯模块。从更高的运算速度及更高的指令执行效率，选择了STM32F103RCT6作为整个控制系统微型处理器，并完成了供电电源模块各芯片的选型，对空气温湿度、土壤湿度、CO2浓度、光照强度参数采集的传感器的选型和液晶显示模块的芯片的选型。设计STM32最小系统电路，各传感器采集模块电路（考虑到信号采集范围是否满足单片机的采集要求加入OP07同相比例运算放大器对信号进行处理）；电源模块电路（包括市电利用变压器以及7805稳压芯片变5V电路；利用LM1117芯片5V转3.3V电路）；液晶显示模块电路；环境参数继电器调控电路（电阻丝加热；空调驱动；排风扇驱动；补光设备驱动；水泵抽水驱动）；RS485串口通信电路设计（半双工工作方式），并在其基础上加入104瓷片电容（100nF）滤波，以提高系统抗干扰能力。并针对系统微型控制器、环境数据采集、相应继电器控制设备软件流程图的设计，确定了温湿度的控制采用模糊PID算法；CO2浓度、土壤湿度、光照强度采用常规PID算法。针对于温度的模糊PID控制算法进行了matlab仿真，获得了无静差，无超调的仿真结果。关键词:嵌入式；抗干扰；智能温室环境；模糊PID；MATLAB目录TOC\o"1-3"\h\u6045第一章绪论 118711.1研究背景与课题意义 1292721.1.1嵌入式智能温室的兴起 1241411.1.2物联网温室智能控制技术的意义 1166221.2国内外物联网机温室技术发展现状 2236721.2.1国外发展现状 2232351.2.2国内发展现状 3234481.3研究内容、方法和步骤 4232081.3.1研究内容 4150331.3.2研究方法 474121.3.3研究步骤及组织架构 4246841.4章节安排 5172132.1温室内参数分析 641082.1.1光照 648762.1.2温度 7128492.1.3湿度 8284202.1.4二氧化碳 8291112.2PID控制算法 8261842.3系统的设计目标[10] 9297442.4温室总体结构 10185482.5本章总结 106798第三章嵌入式温室系统硬件设计 12209963.1系统的控制策略 1248673.2系统硬件的总体设计 1319983.3系统硬件设备的选型 13307893.3.1系统微控制器的选型 1360873.3.2空气温湿度传感器 1536473.3.3土壤湿度传感器 18299023.3.4光照强度传感器 19184743.3.5二氧化碳传感器 21265903.4硬件电路的设计 22163433.4.1STM32控制芯片最小系统的设计 22103233.4.2电源电路的设计 24301593.4.3参数显示电路的设计 26163683.4.4温湿度采集电路设计 2631993.4.5CO2采集电路的设计 27180663.4.6土壤湿度采集电路的设计 27268153.4.7光照强度采集电路的设计 28298803.4.8RS485串口通信电路的设计 2936453.5输出控制模块电路设计 2927073.5.1升温控制电路的设计 29305483.5.2降温控制电路的设计 3057513.5.3CO2浓度控制电路 31104403.5.4土壤湿度控制电路 317273.5.5光照强度控制电路 32248553.5.6空气湿度控制电路 32252813.6本章小结 329075第四章温度的模糊PID仿真 33326324.1模糊PID控制原理 3360414.2模糊PID仿真搭建 351344.3本章小结 391199第五章嵌入式温室系统软件设计 40288875.1概述 40251245.2软件流程图的设计 40199375.2.1系统总体软件流程图的设计 40268595.2.2温度控制子程序流程图设计 4134225.2.3土壤湿度控制子程序流程图的设计 44268505.2.4CO2浓度控制子程序流程图的设计 4564325.2.5光照强度控制子程序流程图的设计 465.2.6RS485通信流程图的设计 47193145.3本章小结 472314第六章总结与展望6.1总结 486.2展望 4830562参考文献 49第一章绪论1.1研究背景与课题意义1.1.1嵌入式智能温室的兴起改革开放以来我国经济水平飞速提升，然而农业生产技术的落后以及农业资源的极度损耗却越来越牵制着农业科技化发展和整体经济的振兴。而温室作为现代化农业建设的重要支柱，被我国广泛应用。中国以农业为主国家中的典例，在十九大会上，党中央着重突出了农业问题是制约国民生计的根本性因素，而农业的发展离不开对农作物的种植，农作物的生长问题促成温室技术的发展。传统的农业生产无法为我国人民提供充足营养丰富的反季食物而智能温室的建设就可以通过物联网温室智能控制进行自动化的管理以实现对于反季农作物的大量供应，增产增收。温室内灵活多变的复杂环境参数时时刻刻与植珠的生长状态相关联，温室智能系统本质是由传感器和智能控制设备所结合而成的的自动化系统。温室技术促使了设施农业朝着数字化，精细化，智能化水平发展，而这些指标已经成为了衡量国家现代化农业发展程度的必要标志之一。同时国务院下发文件指出更新提升农业设施，力求建设知识型、技能型、创新型农业经营模式，加快农村的建设。我党在《加强农业现代化建设步伐》中着重指出要通过丰富粮产的方式和对农业生产结构模式适度调整改良以促进农业技术革新，进而达成创新型信息化工业和农业自动化的关键伟大目标，因此智能温室技术的出现为经济社会持续发展提供了有力支持，迎合国家的新政策。《沃达丰物联网市场晴雨表2019》显示：已经有34%的企业与组织应用了物联网技术，其中又有95%表示他们从中受益。在现有的以人力为主的生产模式下，随着我国人口老龄化的日益严重，人均农业资源匮乏与农业资源利用率下降，所以如何充分运用基础农业自动化技术来有效实现农作物培育劳动准确化、智能自动化农业生产,提高农业植物的总产率、资源的综合利用率等成为了化解以上矛头的优先选择。智能温室的建设则是重中之重。1.1.2物联网温室智能控制技术的意义衡量一个国家综合科技力量与相关农业发展水平的重要标志之一是农业物联网技术[1]，温室监测技术对促进农业科学发展具有强大推动力。温室作为人类智慧与科技文明的的伟大发明，除了被应用于花卉培育、果品种植、水产养殖以及种养结合的生产模式以外，已经作为调节农作物生长，控制局部气候的必要方式，已经逐渐进入人们日常的生活旅游，休闲娱乐等行业中。所谓的农业物联网是由感知层，传输层和应用层这三部分结合而成，将此技术广泛应用于温室环境智能控制系统，可以极大的促进农业生产的数字化，自动化，智能化以及设施栽培的科技化、精细化，减少成本、增加收入。传统的农业大棚养护管理方式仰仗于完整全方位人工管理手段。所有温室都会分别配备有智能温度计,湿度数值测量器,二氧化碳含量浓度数值测量器等各种智能测量仪器和检测工具,通过职工在现场检测以掌握温室目前状态信息,当确认参数数据不匹配后,手动选择相应的控制设施反馈弥补调节，相比之下温室环境实时智能监测管理系统则主要是充分采取先进物联网监控技术,远距离掌握整个温室大棚内部空气的实际温湿度、土壤湿度、二氧化碳含量浓度,光照强度等基本信息。通过远程模拟和数据分析,实时自动控制安装的排风设备,水泵喷淋设备,加温加湿补水挡光的自动农业设施,缔造适合作物量产与高质的理想环境。我国领域辽阔，气候因地理位置迥异不同，正因为如此我国也可以享受到加强温室环境智能控制技术的研发所带来的丰厚的回馈，不仅为淡季植株创造合适的生长环境，而且促进国家经济的发展。此外利用农业物联网技术，单片机，传感器、信息传输通信技术，自动控制技术进行采集形成闭环负反馈对温室环境参数调控，依据环境传感器反馈信息，实时调控驱动模块，达成农业种植合理有效的管控,兑现可持续发展的宗旨,通过加快建设农业现代化,推进新一代农业基础设施在我国农业领域的应用,促进我国全面建成小康社会。将精准传感、远距通信和快速数据处理等物联网技术来创设现代化智能农业,是摆脱农业滞后缺陷的必然趋势。现代化温室，颠覆了老套的农业经营理念，将先进的计算机技术融汇在温室的搭建与管控中，是新型农业革新的关键推动力，也是目前农业技术的具有模范作用的成果。1.2国内外物联网机温室技术发展现状1.2.1国外发展现状信息化发达国家纷纷将“e社会”（ElectronicSociety）和“u社会”（UbiquitousNetworkSociety）作为国家信息化发展战略的关键要素。美国是物联网技术的开拓和领先的国家，格外注重物联网、遥感和气象监测等各类农业信息基础技术，已经开展了深入研究和推广应用,形成了一个专门珍视于现代信息农业基础技术，率先启动了农业物联网关联技术的研发。荷兰，尽管其适合植物生长的土地资源短缺，但在农作物种植方面做到了领先全球，在花卉种植方面更是规模巨大，具有较为先进的自动化水平和高智能化水平的温室控制系统，能24小时通过传感器以及物联网技术调整各项环境因子，为植物创造出适宜的生长环境进行控制与监测。美国CID公司为了做到实时性捕获土壤及植物根系剖面图像，研发出精良发达的土壤活体根系生长状态监测系统将之命为“CI-600”。日本十分注重土地资源的合理使用，并建立了自动化水平极高的智能温室控制系统，采用钠蒸汽取代太阳能光照，使得光照强度更加具有可控性，并能完成自动浇水，施肥，撒种以及对环境因子进行记录与管控。近年来，沙漠干旱气候不断促进以色列温室农业的迅速发展，其拥有极具全球领先位置的温室节水灌溉技术，在1980-1990年内，制作了硬软件兼容温室系统，运用传感器完成湿度检测，处理器用于远程操控温室中的调节设备完成喷灌指令，奠定了温室环境智能调控的新趋势[19]。温室控制是具有高度自动化特性的温室照明控制系统是以色列装备的代表。它可以全天候工作根据不同的自然光自动调整挡板,遮阳设施等设备。在温度控制方面，大多数使用当前领先的雾气控制冷却技术。冰岛地区人们，已经普及了利用地热作为热能，以此来开展温室农业新模式。英国更加重视远程温室智能控制系统的开发，其由伦敦大学研发团队设计的微型处理器控制系统实现对温室环境状态进行超远程检测与调节。英国西尔索夫农业工程该研究所设计了一个分布式控制系统，并使用计算机进行了大规模控制，以实现每个节点的农作物生长在此过程中，温度，湿度，光强度，二氧化碳浓度和营养液的供应以及PH值，EC值等条件的管理和控制。1.2.2国内发展现状目前，国内只有屈指可数的企业使用智能温室种植系统，此外智能温室控制系统开发资金巨大。换一个角度来说，智能温室控制性能和技术缺乏一定的可靠程度。中国农业生产正面临着由粗放型传统农业向现代精细农业的转变要在有限资源的基础上，通过科技手段，努力实现节能减排、集约种植。信息技术随着我国综合国力的提高逐渐步入成熟，我国已逐渐加强现代信息技术与农业种植相结合。在改善农业自动化整体水平的同时，持续驱动农业设施迈向智能化方向前进[14]。相比于国外智能温室控制系统，国内在性能和技术上存在许多明显缺陷和不足。我国农业面临如下几个问题：1.农业生产成本过高；2.生产过程管控方式滞后、无法确保农产品质量优良；3.发展农业的同时生态环境遭到破坏、不满足可持续发展的政策。改革开放以来比如农业信息采集范围狭窄、由于设备的落后导致数据精确性下降，服务方式不够完善等。我国拥有相当的温室范围[3]，然而极简普通的日光大棚，塑料大棚却占主导，并未全面普及智能自动化农业大棚，而智能化温室更为稀少了。智能化的温室的研发与普及迫在眉睫，由于对信息处理不及时使得农业信息服务并不与农业的发展匹配，同时很多农业信息接受的可靠程度不够、传播力弱，与实际不贴切，难以消除农业生产中的复杂问题。为有效减少冬春季因大风较弱而导致的低温自然灾害,连阴天也导致的低温自然灾害都会对日光温室的生产带来一定的影响,黎贞发研究开发出一套涵盖日光温室小气候和生态环境于一体的科学技术方法,加强了农业园区管控、能够建立起网络,数据进行实时采集和无线传输,针对低温自然灾害监测和预防报警,远程自动升温调节。中国农业科学院运用VB软件开发了温室控制与管理系统软件。目前，国内从事温室制造的企业已从20世纪八十年代的5-6家发展到300多家。我国的温室智能控制系统的环境控制技术与国外技术相比依然落后，最近几年才真正实现计算机自动化控制。2012年在《物联网"十二五"发展规划》中首次明确提出发展我国新兴特色现代农业这一国家战略重点产业领域，进一步深入开展特色物联网技术应用和产业示范推广工程,"十二五"发展规划的大纲要把发展我国特色物联网产业作为一个促进推动物与互联网技术跨越产业发展的国家重点产业领域,2009年以来,中央和其他各级地方人民政府通过联合发布产业规划等二十多种形式。我国的温室农业种植面积规模在逐步扩大，并在最近几年，出现了以地热资源作为能源的新型温室形式。1.3研究内容、方法和步骤1.3.1研究内容针对我国目前对温室环境监测与控制技术应用和管理过程，本文的研究内容是以农业物联网技术为手段，同时包括传感器技术、通信技术、自动控制等技术，达到对温室环境的各项参数信息数据的精准采集[1]。能够对农业设施进行视频监控，生产加工环节实现可视化管理，提高劳动效率。并能够实时采集温室大棚内农作物生长所必须的环境参数，进行系统算法分析，对监控的农作物及时采取有效的管理。本文设计的嵌入式温室环境智能控制系统可以实现环境参数的监测，通过传感器获得环境参数信息，从而能够实时获取大棚中农作物的生长环境信息，提高农产品的产量和质量。1.3.2研究方法温室的作用是给农作物的生长提供适合的环境，农作物的状态与环境参数紧密联系，相关参数基本为：空气温湿度、土壤湿度、光照强度、二氧化碳含量。设计也是通过对这些参数进行实时监测并采用理论学习，查阅物联网资料以及实地考察相结合。因此，对监测部分传感器要求变得很重要。其次是传输技术的设计，采集终端的数据完毕后要通过有线传输技术对数据进行传输，传输技术包括短距离无线传输和远距离无线传输，最后是服务器以及控制终端的设计，主要功能是数据的分析、处理、存储等功能。一般的系统在其实践运行过程中，会-出现较大的缺陷，如参数的异常、数据丢失等问题。因此，这就对整个系统的硬软件进行细致的选择把控，智能温室的意义即传感器自动实时监测获取环境数据信息，通过中央处理器对参数处理分析，驱动相应调控设施建立适合农作物的发育的理想环境。1.3.3研究步骤及组织架构利用相关集成技术和物联网技术对监测软件和硬件架构搭建管理控制系统和网终端系统。管理系统主要是监控温室各种环境参数和控制执行设备，便于对温室环境进行整体监测；终端系统主要是包括数据的采集模块、继电器模块[1]，采集模块负责获取不同种类传感器参数特征，继电器控制模块主要是控制执行设备，RS485串口通讯模块主要完成采集数据的传输和接收监控系统的执行指令[1]。提供数据传输来实现对温室环境进行全时监测、智能控制调控等功能。步骤流程图如图所示：对农业物联网技术简要分析。如图1.1所示为系统流程图：图1.1系统流程图1.4章节安排本设计的章节安排如下：第一章：绪论，描述了嵌入式温室的兴起背景，NB-loT技术的组成、特点和功能以及发展前景，物联网农业技术在国内外发展的状况，阐述了物联网智能温室存在的意义，并简要概括了本设计的研究方法与内容和步骤。第二章：智能温室设计方案，分析了关键的环境因子对温室内植物的影响并说明了每种因子的独特性，提出了利用PID算法对环境因子（温湿度）进行动态调控的设想，简要描述了模糊PID控制原理。最后提出了系统的设计目标，并对系统的总体结构进行设计，绘制出了系统结构图。第三章：基于嵌入式温室系统硬件设计，从主控制器进行选型到对各环境参数传感器进行选型，再到对电源模块和主控制板电路进行设计并绘制各传感器采集电路图，液晶显示，以及控制系统原理图。第四章：同时针对于温度模糊PID的算法进行了matlab仿真，得到了无超调静差仿真波形结果。第五章：基于嵌入式温室系统软件设计，介绍了PID控制算法的构成，采用模糊PID算法对温湿度控制，传统PID算法控制光照控制器，CO2浓度；土壤湿度并进行软件流程图设计。第六章：总结和展望，对于毕设的综合设计成果内容进行综合描述汇报，同时对于缺陷不足之处进行调整，提出改善的措施。第二章智能温室总体设计与关键算法本系统控制终端的主要功能是采集到的数字信息整合、分析、处理，主要内容是对数据的处理方法，温室智能环境控制系统是一个非线性，复杂多变且多种耦合关系的系统，基本组成为：中央处理器（微型控制器）、上位机通信、多种类别传感器、驱动电源，电动执行器。温室内的传感器承担对温室环境参数数据的检测采集，通过有线串口通信上传至上位机。中央控制器依据植株生长状态设定设置值，经过系统处理后完成调节指令，传输给输出调控设备来控制排风机、水泵、空调、加热电阻丝等设备，最终是对目标环境因子的智能调控，首当其冲的就是对温室环境进行分析。2.1温室内参数分析2.1.1光照光是光合作用的决定性因素，植物的叶片结构对于光的吸收具有高度专一化特性，是进行光合作用的的保障，然而并不是光照强度越强光合速率就越高[9]，光能过强以及植物至于黑暗中比如在夜间时，光合速率反而下降产生光抑制，因此在温室内需将光照约束在一个区间，通过挡光和增光措施，使得光合速率得到理想的设置，生物学的角度以光补偿点与饱和点来描述作物光合过程。光饱和点的定义：是指在某种程度的光照强度内，因光照程度的连续增强使得光合速度加速，但超过这一光照强度范围后，光合作用强度维持某一强度稳定进行，这一时刻临界点视为光饱和点。所谓的补偿点为光合作用吸收的二氧化碳与呼吸作用释放的相互抵消。如图3.1为光合作用曲线：图2.1光合作用曲线2.1.2温度大多数作物生长的合适温度大致为25-35℃范围内，温度直接决定酶活性，室温过低时，酶促响应削弱；室温超过限定值，叶绿体被损伤，酶特性受到影响导致了呼吸与光合作用异常。日光下较高温供给了足够生长必需原料；夜间较低温可削弱呼吸对有机产物的耗损，加速作物生长。植物处在低温环境的时间越久，对于生长发育的延迟影响程度越深，在温室大棚栽培中[9]，严格把控早晚温差，促进作物健壮生长。因此对于果蔬作物，做好变温处理，通过智能温室操控室内一天的温度，使得植物日间促进其光和速率，应在白天时保持恒定的温度，若温度超过限制范围，做好通风换气的工作，避免温度过高的情况；对于夜晚应在一段时间之内维持较高的温度，加速光合作用产物的转移，并在一段时间之后调控至较低的温度来抑制其呼吸作用以此提高产量与质量。如图3.2.所示为不同种类植物的生长温度对比：图2.2不同种类植物的生长温度对比2.1.3湿度对于大多数植物而言，空气中的水分含量主要影响花卉的蒸发，进而影响花卉在土壤中吸收水分，从而影响植株的含水量，长时间处于干燥环境下的植株的叶片气孔会关闭，不利于生长发育而过湿的环境，妨碍花药开放会影响花粉的传播，花粉管延展阻碍，导致结果异常，造成落花落果。由于夜温的温度较低使得土壤湿度加大，由于越过了临界饱和点变成了雾气，随着时间的推移浓度增大并会在植株表面液化成水珠，导致好湿性的细菌进入气孔，会诱发出许多病虫害的严重后果，湿度是影响植物是否健康无害虫的主要因素，较高湿度以及害病的温度条件会促进害虫的繁殖，必须科学合理的加以控制。如图所示3.3为不同植物生长对湿度要求：图2.3不同植物生长对湿度要求2.1.4二氧化碳空气中的CO2浓度相对低，是光合作用的主要原料之一[9]，也是限制光合作用的主要因子。CO2浓度的变化是按一定规律进行的。随着CO2浓度的增加，光合速率明显增加，随着CO2浓度的进一步提高，使得光合速率呈线性趋势上升，当环境中的CO2浓度时大气中的2-3倍时，植物产量会倍增，但达到一定程度时，光合速率便不在增加，每种植物的CO2补偿点与CO2饱和点都会各不相同，特别是C3植物和C4植物有较大差别，因此尽管光照温湿度等条件符合要求，在密闭的温室内也仍会发生CO2浓度不足导致光合作用不理想[11]。在温室搭建的过程中，温室处于密闭状态时非常普遍常见的，因此对于温室中的作物来说CO2的供供给时远远不够，如果温室内的二氧化碳含量过低会使得植物的光合作用停止，一般而言，正常的植物生长环境要求二氧化碳的体积比率大致在1%—1.5%的范畴内，当然不同的植物对二氧化碳需求还是有所差异的。如果不达标进而会影响到植物的生长水平。2.2PID控制算法在闭环系统中，PID控制是被广泛应用自动控制的算法,基本思想为计算偏差并去除偏差[11]，它根据给定值r（t）与实际输出值c（t）求出控制偏差量：（2.1）将偏差利用比例（P）、积分（I）和微分（D)进行线性组合形成输出控制量u，对被控对象进行控制，三个参数是利用PID进行最优控制的关键[4]。同时，PID算法有较理想的自适应，鲁棒性较优，控制算法简便高效，格外符合复杂的工业自动控制，过程控制对象可针对一阶惯性环节带有纯滞后以及二阶惯性环节带有纯滞后，保证了系统整个动态过程稳，准，快。其控制规律为: （2.2）离散化以后位置式表达式为： （2.3）如图3.4所示为常规PID控制结构框图：图2.4常规PID控制结构框图总体来说，PID控制器各矫正环节的作用如下：比例环节：实时成比例反映负反馈闭环系统的偏差量e(t),同时比例放大倍数增大会动作灵敏，加快系统的响应速率，并能减弱稳态误差，过大会引起振荡次数的增加。积分环节：其最大的作用则是用于消除静差，以此来提升控制系统的无差率。使得系统能够更稳定的运行，能够做到完全消除偏差，积分作用对系统性能的影响是由积分时间常数TI决定的,TI过大，无法彻底消除稳态误差，使系统的性能效果大打折扣。3.微分环节：微分环节时间参数TD，适当的TD可以帮助调节系统的动态性能，减弱超调，缩短调节时间，同时加快惯性系统的响应速度。2.3系统的设计目标[10]设计目标为：性能稳定：智能温室大棚环境的监测要进行全程实时监测，数据采集，传输，分析，存储每个环节都要保证正常运行。同时，数据在传输过程中也非常安全，并且高效，可靠。性价比高，适用性强：温室的设计实施应该以低成本为重要宗旨之一，尽可能节省开支，降低投入。系统设计之初要进行实际考察，充分利用可利用资源，并尽量节省资源的使用。在设计的过程中要充分利用现代化信息技术，广泛获取大量的信息资源，以获得在设计过程中的设计灵感。简单适用，维护廉价方便：系统的应用要以简单为宗旨，操作过程尽量去繁就简，易于上手，简单明了。在维护方面要尽量的降低成本，降低维护的投入，保证低价且正常运行。方便扩展：系统的设计之初要考虑到后期的升级换代，随着社会的发展和科技的进步，任何一种先进的系统终究会被淘汰掉，所以系统的设计最关键的一点就是考虑到以后的扩展，从而满足时代的需求。系统设计之初要充分考虑到以后的升级换代问题，也就是软硬件扩展问题，通过不断的升级和扩展不断地满足时代发展的要求。2.4温室总体结构本系统可分为三部分，分别是数据采集、传输和设备控制。他们分别对应物联网技术的感知层、网络层、应用层。本系统严格按照物联网的体系结构进行系统设计，采用模块化的设计方法进行设计。一是清晰明了，二是考虑到了以后各部分可能进行更新。数据采集终端的主要作用是采集农作物生长所需要的数据信息；数据传输层主要任务是传输数据信息采集部分。应用终端的任务是采集环境信息、传输已经采集到的数据信息给用户。农作物生长信息和自动采集系统节省了大量人工，降低了成本，并且利用本系统采集的农作物生长环境参数具有客观性、准确性。而人工感知生长条件具有主观性和不确定性。2.5本章总结温室智能控制系统的构成分为如下几个部分：温室自动控制器：控制当前的环境参数的数值与设定值相同，并将采集到的数据通过网络技术，上传至集合操控设备环境因子监测传感器：监测并测试出当前的温室环境因子的信息数据。集合操控设备：对环境参数数据进行处理控制及整定，形成负反馈闭环控制系统。智能温室环境：通过对以上设备操控器的密切配合实现对温室环境的智能化控制。如图3.5所示为本设计的智能温室闭环控制原理框图：图2.5智能温室闭环控制原理框图第三章嵌入式温室系统硬件设计3.1系统的控制策略智能温室系统实质上是一个耦合性强，变量复杂的系统，因而需要对各部分的环境因子进行控制算法的设计，提高控制的精确性同时加强其抗干扰的能力。利用各环境因子传感器来采集其物理信息（模拟量），由于STM32单片机内部嵌有12位AD转换器，采用逐次逼近法自行A/D转换。将这些模拟量转化成数字量传至节点控制器读取并处理传感器值。将结果与设定值（数字量）进行比较分析，之后把差值利用模糊PID以及位置式PID算法计算输出控制值。控制量U调整PWM输出占空比从STM32输出至相应控制电路来控制设备工作，比如开窗通风喷水等。利用模糊PID算法控制器调控温度，位置式PID调控其他参数。对于温度的控制：使用温度传感器对温度参数实时监测，微控制器将采集值与设定值对比，若低于设定值，则加热电阻丝进行升温控制，若高于设定值则启动空调进行降温控制，整个过程采用模糊PID控制，获得E与EC送入模糊控制器实时修正PID参数获得输出控制量U以控制被控对象（继电器控制电路）的PWM输出的占空比，以修正控制设备的工作时间。对于土壤湿度，CO2浓度光照强度：由各传感器采集信息送入单片机实现实时监测，并判断高于或低于设定值时，由继电器控制水泵抽水，排风扇，照明灯开关的工作，利用常规位置式PID算法（PID三个参数是不变的）获得输出控制量U控制继电器电路，通过调节PWM输出占空比实时修正设备的工作时间。如图3.1所示为硬件设计流程图：图3.1硬件设计流程图3.2系统硬件的总体设计系统使用STM32单片机作为主控系统，显示模块使用LCD1602，温湿度采集、CO2检测、土壤湿度采集、光照强度采集由对应传感器完成。通过STM32单片机处理采集温湿度、土壤湿度、光照强度、CO2浓度等信息，显示相应的传感器信息，同时判断采集的信息是否超过告警门限值，如果超过启动声光警告，并控制继电器，实现设备开启，比如：土壤湿度过低，开启水泵抽水等工作。总体硬件包括：环境参数数据信息采集模块；电源模块（5V与3.3V电源）；参数显示模块（由LCD液晶屏实现）；输出控制模块（通过继电器来自动控制各个设备的动作），同时设计RS485有线接口通信电路实现普通PC机监视下位机的工作状况与通信，显示信号变化。然后结合自动控制算法算法运算，各参数数据低于或高于设置值，进行调控，控制各环净参数维持在设置值附近，达到自动调节，使系统稳定，3.3系统硬件设备的选型3.3.1系统微控制器的选型本设计关键在于对微控制器（单片机）的选用。ARM因其功能性、低成本、低能耗等优点而被广为应用，ARMCortex-M3内核的STM32处理器系极具性价比，内部资源优于MCS51单片机，具有较强的软硬件兼容性能，当从管脚较少扩展到管脚较多的同一系列的控制芯片时,无需对程序进行修改既可以直接使用，STM32是32位的Cortex内核MCU，相对于以往的8位、16位的MCU，拥有更高的运算速度及更高的指令执行效率。因此考虑到了性价比水平，技术需求以及系统对硬件的要求，采用了STM32F103RCT6作为本设计的控制处理器，本质是嵌入式-微控制器的集成电路(IC)。其中，芯片体宽：32位；最高主频为72MHZ.连通性：CAN（控制器局域网络），稳定机敏的通信技术；I2C（两线式串行通讯总线），用于连接微控制器及其外围设备，是同步通信的一种特殊形式，接口线少，控制方式简单；IrDA（红外数据传输）；LIN（LocalInterconnectNetwork）低成本的串行通讯网络，是对CAN的一种补充；SPI（SerialPeripheralInterface）串行外设接口是一种高速的，全双工的，同步通信总线，为PCB的布局节省了空间；UART（用于异步通信的串行数据总线，双向通信）；USART（全双工通用同步/异步串行收发模快）；USB。外围设备:DMA（直接内存访问，不经过CPU而是在存储器和外设之间直接进行高速数据交换），电机控制PWM（脉宽调制），PDR（网络安全），POR，PVD，PWM，温度传感器，WDT（监测单片机运行，若监测到死机则输出RST复位信号，复原处理器代码的运行），晶振（时钟源，提供时钟频率，调控单片机工作速率)。STM32的优点如下表3.1所示：表3.1STM32的优点STM32具有以下特性：输入/输出数:51；程序存储器(ROM)容量:256KB；程序存储器类型:FLASH；数据存储器（RAM）容量:48KB；电压-电源(Vcc/Vdd):2V~3.6V；振荡器型:内部；工作温度:-40°C-85°C；封装/外壳:64-LQF。IO口有PA，PB，PC，PD口，每个口功能和每个口数量等,只能输出高低电平0/1信号，本系统是3.3V的系统，以此高电平即为VDD（3.3V），低电平为0V；内部嵌有12位的ADC，输入模拟量自动进行AD转换，转换范围（0-3.6V）。具体参考芯片数据手册，控制电路原理图参考芯片数据手册画的。如图3.2所示为STM32F103RCT6的引脚分配图：图3.2STM32F103RCT6的引脚分配图3.3.2空气温湿度传感器在复杂多变的温室环境中，空气温度和湿度是决定作物生长水平的重要因子之一。必须对其监测的准确性进行严格的把控。因此温湿度传感器的选择对整个系统采集参数的准确性起着至关重要的作用。传感器应尽可能的满足节能，高精确，抗扰动，以及高性价比等要求，本设计从对温湿度的监测范围，速率，与STM32对硬件的要求，设计的简便性，以及高性价比方面，综合选择了DHT11数字温湿度复合传感器。DHT11是款已校准数字信号输出的复合型温湿度传感器[11]，输出数字信号输出，采用特殊的数字模块采集技术和温湿度传感技术，保证产品具有耐用，高度稳定可靠，抗干扰。其湿度精确度为，温度精确度为℃，湿度范围，温度范围为℃，DHT11的供电电压应设置为在3-5.5V，上电后，会存在一秒钟的不平稳的状态，必须等待使其通过之一不平稳的状态，在这一时间段内，不需要传达一切命令，同时为了达到滤波作用的目的，可在电源引脚（VDD，GND负极）中间加入一大小为100nF的电容实现温湿度信息的采集，其中VDD为供电电压，GND为负极接地。DHT11数字温湿度复合传感器内部结构嵌有两个重要的元器件[17]，其一为是电阻式湿度传感器（电阻式感湿元件），通过湿敏元件随着湿度改变而发生改变的的物理特点，一般的湿敏元件在其绝缘成分的表面涂有吸湿功能的成分，也有的是由分子薄膜，半导体材料制成的，而其阻值之所以会随着湿度改变而改变的原因是因为在其感知湿气环境的运作中，水发生了电离，产生了氢离子，导体状态产生改变；其二为NTC测温元件,本质上是由热敏电阻组成，尺寸小巧而灵活可达到0.01英寸甚至更小的直径尺寸，用于监测温度参量，NTC是指随着温度的增加电阻呈指数关系减少。如表3.2所示为DHT11传感器的特性：VDD=5VT=25℃表3.2DHT11电气特性如图3.3所示为DHT11实物图：图3.3DHT11温湿度传感器实物图内部结构除了上述两种元件之外，还接有性能比较高的8位微型处理器，同时在其内部装有可进行一次性编写程序的OTP存储器[17]，需要进行校验的因数会以代码的形式寄存在OTP存储器中，当该传感器监测到了环境因子之后，会对OTP存储器内的校验因数进行调用，选用4针单排直插引脚封装，再加上DHT11传感器采用单线制串行接口（单线双向），因而减小了体积，极大程度的降低了功耗，可以支持二十米以上的远距离信号的传输（当连线距离不足二十米时接5000欧姆的上拉电阻，如果连线距离超过二十米时应根据具体要求连接合适的上拉电阻），较为适合温室系统的体系并且结实耐用，响应的灵敏度较高，拥有较快的相应的速度和较强的抵抗干扰的能力以及精准的监测结果和优良的性价比。如下表所示3.3所示为DHT11相对温湿度参数表：表3.3.1DHT11相对湿度性能表表3.3.2DHT11相对温度性能表如图3.4所示为DHT11温湿度传感器电路图：图3.4DHT11温湿度传感器电路图3.3.3土壤湿度传感器在多变的温室环境中，土壤湿度也是决定植物生长状况的的关键性参数，土壤湿度的程度影响着土壤的PH值和土壤中的盐分[13],如果土壤过于潮湿会导致土壤中以离子状态而存在的盐分的下降，反而如果土壤过于干燥会导致盐分比例增加，过高的盐分比例会导致土壤逐渐发生酸化，对于植株本身来说，会导致自身的缺水干旱，过高的盐分会抑制植株根部位汲取水分，还会导致水分的外渗，金属离子的毒害作用会严重影响植物的生长状况同时过高的盐分会抑制光合作用所用的酶的生成因此造成植株代谢异常的后果[13]。此外PH值的减少导致土壤的酸化进一步影响了土壤的肥沃程度，阻碍了植株对营养成分的汲取造成作物减产的不良后果，因此设置土壤湿度传感器调节土壤环境对提高土壤肥沃程度是举足轻重的[13]。根据温室土壤环境长时间深埋入地下的特殊要求，土壤湿度传感器应具有抗腐化的特质以抵抗不同酸碱程度的侵害，本方案应用的传感器是由绵阳市湘蜀电子科技有限公司所制造的TR-101土壤湿度传感器，模拟电压形式输出。此传感器采用电磁脉冲原理测量土壤的表观介电常数，进而获得土壤的真实的水分含量，具有快速准确；稳定可靠；抵御化学物质以及金属离子的侵扰等特点，是用来监测土壤湿度参数的不二之选。TR-101土壤湿度传感器有如下特点：结构精简，性能可靠；操控简便；利用较发达的陶瓷技术。在土壤内掩埋，避免了经常维护的工作；集成水平程度优；体积精巧；功耗极微；便于捎带；真正实现低成本；低价格；高性能；寿命长；便利性；高可靠性；支持二次开发。TR-101技术参数：1）测量范围：0-100%2）分辨率：0.1%3）准确度：±3%4）供电方式：直流供电（DC）+5V5）工作温度：-50℃-80℃6）相对湿度：0-100%7）产品功耗：310mW8）输出方式：模拟电压0-5V如图3.5所示为TR-101土壤湿度传感器实物图：图3.5TR-101土壤湿度传感器实物图3.3.4光照强度传感器光照强度一般采用光敏传感器测量，利用了光敏器件的特性，采集的光信号在其内部变换为电信号。本系统从精准的测量精度以及较低耗能和抗扰水平的角度，选择对较弱光线仍具备超高灵敏度的带滤光片的硅蓝光伏探测器作为光敏传感器，型号为GZD-ASD光照强度传感器,输出0-5V的模拟电压，经ADC转换。其实物图如图3.6所示：图3.6GZD-ASD光照强度传感器实物图该传感器有如下优点：1.通过降低功率的消耗,达到降低电流的效果；2.利用除光噪音功能加强了检测的可靠稳定性；3.最小误差在±20%左右；4.线性度好，多种形式输出，传输距离远；5.几乎不受红外线干扰的影响；6.可测得的输入光的范围比较大（），测量范围宽；7.对弱光也有较强的灵敏度，且可靠性高；8.结构美观，防水能力强。参数额定值单位供电电压24（DC）可定制电压V操作环境温度-10-70℃操作环境湿度0%-70%RH模拟电压输出0-5V室外测量范围0-15万LUX（勒克斯）室内测量范围0-2000LUX波长测量范围380-730nm精度±7%如表3.4所示为该传感器最大额定参数：表3.4GZD-ASD传感器最大额定参数如图所示3.7所示为GZD-ASD传感器的接线说明：图3.7GZD-ASD传感器的接线说明3.3.5二氧化碳传感器在智能温室的实时监测中，应做好实时对二氧化碳浓度进行测量与调控的工作，并同时要求传感器能够对气体进行精准的选择且具有耐用性。本设计采用MG811二氧化碳传感器来监测CO2的浓度。如图3.8所示为MG811的实物图：图3.8MG811传感器实物图MG811其本质是固体电解质电池原理，较多的采用于CO2含量测量系统，因其对该气体有着理想灵敏度和选择性，不易被其他环境因子例如温湿度所干扰，极高的稳定性,结实耐用，极快响应以复原特质;陶瓷探头可插拔，便于改换，隔热散热性能优良，带温度补偿输出Tcm，避免温室温度变化，使得输出电压改变，保证检测准确有效性。模拟电压（0-2V）信号的形式输出。当器件置于CO2的气氛中时会触发以下电极反应：负极：（3.1）正极：（3.2）总电极反应：（3.3）模块器件作用及端口定义如表3.5所示：端口作用与定义VCC电源正(DC6V)GND电源负用于接地DoutTTL电平信号输出口（默认输出高电平，浓度符合要求。达到设定值超标时输出低电平红色指示灯亮)Aout模拟输出口（0-2V），且浓度越低输出电压越高，接单片机或的AD芯片的ADC接口。Tcm温度补偿输出接口表3.5器件作用及端口MG811型号传感器的技术参数如表3.6所示所示：供电电压直流（DC）6V工作电流200mA左右监测范围0-10000ppm输出信号（模拟电压）0-2V（非线性）浓度越低输出电压越大0-4V（非线性）预热时间≥2小时存储温度-20-70℃工作温度-20-50℃规格尺寸（㎜）外观尺寸40*25*35安装尺寸34*19*35表3.6MG811技术参数表3.4硬件电路的设计3.4.1STM32控制芯片最小系统的设计本系统选择STM32F103RCT6单片机，通过调用封装库并且参考芯片数据手册，在原理图上对STM32单片机进行绘制。IO口选择的原则是：没有特殊功能的引脚可以随便接，但是要考虑到布线的方便性，根据实物位置和要求进行接线。电源（VDD）接电源，地（VSS）接地，数据口接STM32的IO口。STM32芯片内部自带的ADC功能，STM32的ADC是12位的ADC，内部自行采用逐次逼近法，具体ADC有哪些管脚，看STM32芯片数据手册。其中用到的PA0-PA7;PC0-PC5都具有ADC功能。STM32时钟源大致包括：HSI（高速内部时钟）、HSE（高速外部时钟）、PLL（锁相环倍频输出）、LSI(低速内部时钟)、LSE（低速外部时钟）。STM32可外接2个晶振（外部时钟源）以为其供给时钟信号；驱动单片机的工作，有高与低速率两种形式。前者可为控制系统提供稳定而准确主频,后者则可提供精确的日历时钟。为了提高晶振精度，本设计采用外部高速时钟的方式，规避了内部高速时钟低精确性的缺陷，STM32通过使用外接8M晶振，电容使用22pF大小的电容，接在单片机的PD0和PD1脚（依据操作手册，此为固接法，不能变。），利用倍频的方法，以实现其工作的正常频率72MHZ。本设计的STM32的最小系统包括：STM32芯片、晶振电路、复位电路、电源电路、程序下载口电路、程序启动方式配置电路。如图3.9所示为STM32F103RCT6芯片外接8M晶振电路原理图：图3.9外接晶振电路原理图同时利用3.3V的电压对微控制芯片进行供电。为了滤除电源纹波，增强抗干扰的能力，在+3.3V电源与之间加入滤波电容，以防失电丢失数据信息。如图3.10所示为STM32芯片原理图：图3.10STM32芯片原理图STM32单片机使用低电平复位，通过上电复位的方式，进行系统复位，接stm32复位脚NRST（固定管脚，不可以变）。如图所示为3.11STM32复位电路原理图：图3.11复位电路原理图通过SW的方式下载程序，节省IO口。如图3.12所示为程序下载口电路原理图:图3.12SWD程序下载口电路原理图控制芯片程序启动方式取决于BOOT0,BOOT0接GND（低电平）实现程序从Flash启动，若BOOT0接高电平则从RAM启动，可实现烧写程序的功能。如图3.13所示为程序启动方式配置电路原理图：图3.13程序启动方式配置电路图3.4.2电源电路的设计本设计的供电分为5V与3.3V两部分，如图3.14所示为市电转5V给系统供电：图3.14市电转5V电路市电220VAC输入，经过变压器变压，在经过整流桥整流，电容滤波，得到稳定的直流电。采取7805芯片进行稳压功能，在整流以后用电解电容和104的瓷片电容（100nF=100000pF）分别进行低频与高频滤波，最终获得5V稳定的直流电，给系统供电。整流桥是全波桥式整流电路，利用二极管单向导电性，在电压处于负半周时也能把次级输出引向负载,正半波时由D1与D2导通，电流方向由上至下导通D5发光，负半波形时由D3与D4导通，电流方向依然不变导通D5发光二级管，变压器输出交流电压建议7.5V，当输出较大电流时，7805加上散热板。采用3.3V电源给传感器和单片机供电。Stm32单片机是3.3V供电，不能直接接于5V电源，会烧坏芯片，启用LM1117芯片（低压差调节器），LDO芯片LM1117，实现5V到3.3V的转换，压差大小是1.2V，所产生的负载电流大小达至800毫安，同时此芯片不仅具有电流限流的功能还可以对电路进行热保护，功能性较强，对于LM1117的输出端要求必须至少有1个10μF的电容，目的是改良并加强瞬态响应灵敏度以及稳定性。如图3.15所示为系统的电源电路原理图：图3.15系统电源电路原理图3.4.3参数显示电路的设计温室环境对于显示要求亮度较高且清晰可见，本设计选用性价比较高的LCD1602液晶屏作为显示温湿度，光照强度以及CO2参数信息。是一种工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符即显示两行，每行有16个字符液晶模块(把字符或数字显示出来)。LCD1602液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，针对液晶屏幕显示区域利用电压操纵控制，即可以显示出图形。重点在于引脚的连接：LCD1602的数据为8位口，接在STM32PA0-PA7，E使能端接PB12，RW读写选择端接PB13，RS（数据，程序选择端）接PB14。通过STM32写液晶程序，实现液晶控制和内容显示。如图3.16所示为液晶显示电路原理图:图3.16液晶显示电路原理图3.4.4温湿度采集电路设计如图3.17所示为DHT11电路原理图：图3.17DHT11采集电路原理图DHT11传感器，三个脚，分别为电源脚，地脚，数据脚（可直接输出数字信号），并加入滤波电容提高抗干扰的能力。数据脚接STM32的PC3，STM32根据温湿度传感器的时序，编写程序，控制PC3读写数据、指令等，控制温湿度传感器，实现读取温湿度值。3.4.5CO2采集电路的设计如图3.18所示为MG811传感器采集电路原理图：图3.18CO2传感器采集原理图CO2传感器，通过检测浓度，STM32实时采集，超过进行告警。根据CO2传感器实物引脚，对应放排针或者接口，和实物接口一致，VCC是电源3.3V，GND是STM32地，其中AO是模拟电压输出（0-2V）。DO是数字电平输出，0或1电平。本设计需要采集模拟电压值代表CO2浓度，浓度越低输出电压越高，接于配置好的ADC转换口PC5。为了确定CO2传感器是否超过安全浓度，DO接STM32的PC1脚。如果CO2正常，DO输出高电平，PC1读取到高电平，表示CO2浓度合适。如果DO输出低电平，PC1读取到低电平，表示CO2浓度超标，并加入104的瓷片电容滤波提高抗干扰的能力。3.4.6土壤湿度采集电路的设计如图3.19所示为TR-101土壤湿度传感器采集电路原理图图3.19TR-101传感器采集电路原理图TR-101土壤湿度传感器，3个脚，电源脚，地脚，模拟脚。因为设计需要采集模拟电压表示湿度情况,所以湿度模拟脚经104的瓷片电容滤波，同时考虑到采集信号的范围（TR-101传感器输出模拟电压0-5V，而STM32检测范围0-3.3V），确保输出电压能够满足STM32的正常检测范围加入运算放大器（OP07为同相比例放大电路）进行模拟电压调节，而STM32将引脚PC2配置为ADC模式，因此将模拟脚接于PC2，在经过滤波电容滤波，实现不同湿度对应输出不同电压，STM32的PC2采集到不同的电压而知道不同的湿度情况。根据虚短虚断确定放大倍数公式如（3.1）所示：（3.1）可确定放大倍数为0.66，并确定电阻值（已在图中标出阻值大小）实现等比例减小电压满足检测范围，滤波电容可提高抗干扰的能力。3.4.7光照强度采集电路的设计如图3.20所示为GZD-ASD传感器采集电路原理图：图3.20光照强度采集原理电路图共2个脚，一个电源，一个模拟脚，因为设计需要采集模拟电压表示光照强度情况，由于驱动电源为24V加入同相比例运算放大器放大3.3V电压至24V左右。将输出的模拟电压经过瓷片电容滤波，为了确保输出电压在正常的检测范围（GZD-ASD传感器模拟电压输出为0-5V，而STM32检测范围0-3.3V）加入Op07同相比例运算放大器，调节模拟电压，再经电容滤波，并接于PC0脚，因为STM32将PC0配置为ADC模式，实现不同模拟电压表示不同的光照强度，PC0采集到模拟电压感知光照强度情况。其放大倍数公式如（3.2)所示（3.2)可确定放大倍数为0.66，并确定电阻值实现等比例减小电压满足检测范围。3.4.8RS485串口通信电路的设计如图3.21所示为单片机与上位机（普通PC机，显示信号的变化对下位机运行状况进行监视）通信的RS485串口有线通讯电路:图3.21RS485有线通讯电路图RO与DI接STM32单片机串口1（PA9和PA10），PA9与PA10分别作为STM32的TXD与RXD。其中PA8为控制脚，固定接法。实现RS485收发控制，PA8输出低电平，RS485接收数据。PA8输出高电平，RS485发送数据。P10为通信接口，可以外接RS485设备。R20为120Ω匹配电阻，加于A，B之间以提高抗扰能力并增加滤波电容，使RS485芯片电源工作稳定。MAX485芯片特点为半双工的通讯方式，RO为接收器的输出端口；DI是驱动器的输入端口，按先后顺序接于STM32的RXD与TXD。,RE与DE分别示为读写使能端，RE低电平时，元件工作于接收;当DE为高电平1时，元件工作于发送，由于半双工工作，所以只需用STM32一个管脚控制读写使能端;A和B先后是接收和发送的差分信号端,若A的电平信号大于B，发送1;若A的电平信号小于B，发送0，指代数据。3.5输出控制模块电路设计3.5.1升温控制电路的设计如图3.22所示为升温控制电路：图3.22升温控制电路其中R18，R24，R21为限流保护电阻，MOC3062为光电耦合器件，触发晶闸管，作为光电双向可控硅驱动器，TH1为可控硅。通过外接加热电阻丝，实现加热。控制电路接STM32的PB2管脚。Q5为NPN型8050三极管，目的是为了将PB2的高电平转换成为低电平，实现信号翻转，PB2高电平，加热，PB2低电平，不加热。具体过程：由于温度是通过模糊PID控制的，在可控硅电路中设置好控制周期，再通过输出控制量U（在0-1之间），输出限幅后控制可控硅电路，乘以控制周期，不断地调整PWM（脉宽调制）输出占空比来修正电阻丝的加热时间，实现升温。占空比，即在一个控制周期内，信号为高电平的时间与整个信号控制周期时间之比。对于单片机如何输出PWM信号:本设计利用普通的I/O口，设置参数以产生PWM信号，高低电平的不同结合构成了所谓的PWM信号，在需要控制各继电器电路的STM32引脚（I/O口）加入定时器，通过定时器中断进行计数以达到输出PWM信号频率和定时器基本一样。3.5.2降温控制电路的设计如图3.23所示为继电器降温电路：图3.23继电器降温控制电路STM32单片机通过控制继电器，控制降温空调是否工作，实现降温。R15，R17为限流保护电阻，R16和LED1为指示电路，继电器工作，LED灯亮。Q4为8050NPN三极管，不同于PNP三极管，基极B与发射极E需要正向电压才能导通，且发射极电流=基极电流+集电极电流。所以把E（发射极）接GND，C（集电极）接正5V，B（基极）接STM32的PC4管脚，PC4输出高电平，触发三极管导通，继电器驱动空调工作，PC0输出低电平，三极管截至，空调不工作。具体原理与升温电路一致，通过模糊PID的输出控制量U,输出限幅以后，乘以控制周期不断调节占空比以修正空调通断时间。3.5.3CO2浓度控制电路如图3.24所示为CO2浓度控制电路：图3.24CO2浓度控制电路STM32单片机通过控制继电器，控制排风扇是否工作，实现CO2浓度控制。R1，R4为限流保护电阻，R3和LED1为指示电路，继电器工作，LED灯亮。Q1为8050NPN三极管，接STM32的PC7管脚，PC7高电平，继电器驱动排风扇工作，PC7低电平，排风扇不工作。当CO2浓度高于设定值，启动排风扇，当CO2浓度低于设定值，关闭排风扇，实现CO2调控。3.5.4土壤湿度控制电路如图3.25所示为土壤湿度控制电路：图3.25土壤湿度控制电路STM32单片机使用继电器，触发水泵抽水，实现土壤湿度控制。R2，R6为限流保护电阻，R5和LED为指示电路，继电器工作，LED灯亮。Q2为8050NPN三极管，接stm32的PC8管脚，PC8高电平，继电器驱动水泵工作，PC8低电平，水泵不工作。秉承负反馈思想，控制土壤湿度。3.5.5光照强度控制电路如图3.26所示为光照强度控制电路：图3.26光照强度控制电路STM32单片机通过控制继电器，控制照明灯工作，实现光照强度控制。继电器工作，LED灯亮。Q3为8050NPN三极管，接STM32的PC9管脚，PC9高电平，继电器工作驱动照明灯开启，PC8低电平，照明灯关闭。秉承负反馈思想，当室内光照强度高于设定时关闭日光灯，光照强度低于期望值时打开日光灯照明，实现光照强度的调控。3.5.6空气湿度控制电路如图3.27所示为空气湿度控制电路：图3.27空气湿度控制电路当湿度超过了设定值，PC10输出高电平，驱动继电器控制除湿器工作，降低湿度。3.6本章小结本章对硬件的型号和电路进行了总体的设计：各环境参数传感器采集电路、电源电路、STM32最小系统、继电器控制电路、MOC3062作为双向可控硅驱动器驱动电阻丝加热的调温电路、RS485串口通信电路、参数显示电路。以上硬件电路的搭建皆从便于对温室进行控制的角度出发，并为接下来软件流程图以及温度模糊PID的仿真打下基础。如图3.28所示为基于STM32单片机的温室环境智能控制硬件电路图：图3.28基于STM32单片机的温室环境智能控制硬件电路图第四章温度的模糊PID仿真4.1模糊PID控制原理模糊PID控制通过模糊逻辑并制定相应模糊规则以对PID算法的参数实时改进，弥补了常规PID算法中各参数不能进行优化调整的弊端。模糊化，制定模糊规则（模糊推理），解模糊（清晰化）共同组成了模糊PID控制流程。模糊系统首先确定对偏差E和本次偏差和上一次偏差的变化率EC模糊化确定对应的隶属度，之后利用定义的模糊规则进行模糊推理求出输出值的对应的隶属度，模糊参数需要解模糊得到精确值，最终获得PID控制参数，因此在每次采样后，PID三参数都是不同的。如图4.1所示是模糊PID控制过程图。图4.1模糊PID控制过程4.1.1模糊化仿真如下：将信号追踪控制系统输出信号与原输入信号（设定值）做差运算会得到偏差E，和本次偏差和上次偏差的变化率EC（构成二维输入）。例如当前控制系统输出的信号（此处通过闭环反馈的方式引入输入端，得到反馈控制信号）与原信号的偏差为60，而上一次偏差为40，则E为60，EC为60-40=20。首先模糊化处理E与EC。自定义采集后求得偏差E的区间范围，区间较大便于调节,假定为[-100,100],正负即为上下偏差，高于或低于给定值。同理EC可以设为[-50,50]。模糊化的重点在于对隶属度范围的划分，此仿真将E区间[-100,100]划分为[-100,-60];[-60,-30];[-30,0];[0,30];[30,60];[60,100]。-100；-60；-30；0；30；60；100分别对应NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB七个隶属度值，例如，当E为70时，可确定E隶属于PM与PB这一区间，因此E对应两个隶属度。E隶属于PM（60）的比例计算为（100-70）/（100-60）=3/4，相同计算原则，隶属于PB（100）的百分比为（70-60）/（100-60）=1/4。无论隶属于那个区间只要确定其中一个隶属度为a，那两一个隶属度定为1-a。本质上则是对[60,100]隶属区间线性瓜分，E数值更靠近于PM与PB中的一个，则隶属度相对于较大（若偏差E大于100（PB）时，则隶属度为1，隶属度值为PB，说明E完全隶属于PB。模糊化EC的过程也是利用这个划分：[-50,-30];[-30,-15];[-15,0],[0,15];[15,30];[30,50]。如图4.2所示为fuzzy2.fis建立的图像：图4.2所示为fuzzy.fis两边的高斯逻辑，作用是边缘处理，使信号变得圆滑，中间五个是三角逻辑。4.1.2模糊规则模糊控制系统会对每一次采集回计算的E与EC判断属于NB,NM,NS,Z0,PS,PM,PB哪一个区间并求出隶属度，并且可以对应模糊规则表求出每次输出值的隶属度。如表4.1所示为自定义的模糊规则表:UECNBNMNSZOPSPMPBENBNBNBNMNMNSNSZONMNBNMNMNSNSZOPSNSNMNMNSNSZOPSPSZONMNSNSZOPSPSPMPSNSNSZ0PSPSPMPMPMNSZOPSPSPMPMPBPBZOPSPSPMPMPBPB表4.1模糊规则表譬如E数值隶属于[ZO,PS]区间，E属于ZO的隶属度为x（x<1），则属于PB的隶属度为（1-x）。同理譬如EC数值隶属于[PS,PM]区间，其属于PS的隶属度为y，则属于PM的隶属度为（1-y）。通过模糊规则表，对于输出值隶属于PS的隶属度为;PM的隶属度，且所有隶属度之和为1，用其对PID三参数进行优化，完成控制。4.1.3清晰化（解模糊）同理设置输出值的范围为[-100,100],一般与E一致，并按NB;NM;NS;ZO;PS;PM;PB七个隶属度值划分隶属区间；用隶属度与对应隶属值相乘并求和算出输出值精确解。所以此输出精确值为：+如图4.3所示为定义的49条模糊规则，不同的输入对应不同的输出：图4.3对应49条模糊规则4.2模糊PID仿真搭建如图4.4所示为温度模糊PID仿真：图4.4温度模糊PID仿真整体过程原理：两个step（阶跃信号）是为了模拟温度的起伏变化作为原输入信号，与输出信号构成负反馈闭环系统，算偏差E同时对E作微分计算得到偏差变化率EC，E与EC作为输入量送入模糊控制器，经过模糊化，模糊规则，解模糊求出输出K精确值，以此计算出KP，KI，Kd三个PID参数的隶属度值，再加入相应的传递函数环节，带入到PID公式中，最后求和得到总的PID系统，调整传递函数系统，进行分段化，在不同时刻对应不同的PID数值，通过反馈控制信号来找到误差最小时的PID数值，得到控制量U来控制后续加入惯性控制环节与时间延迟系统，最后输出给示波器，以便显示出原信号和输出信号的追踪效果。Y是输出信号的数值。左上角的t显示仿真时间。Kp：最大程度的追踪输入信号，促进系统灵敏动作，速度加快，削弱稳态偏差；过大会增加超调。Ki：完全避免稳态误差的出现，过小会加大超调；KD：适当会减弱超调，加快惯性系统的响应速度。双击subsystem进入模糊PID控制器，如图4.5所示：图图4.5模糊PID控制器传递函数的参数和常数数部分需要调试的，没有捷径和原理可言，就是看输出是否达到误差追踪要求，最后得到不断变化的PID三个参数的输出，用来控制传递函数系统。如图4.6所示为温度模糊PID动态波形：图4.6温度模糊PID动态波形此波形实现了在第200s时15℃~35℃的变化和在第600s时35℃~20℃的变化，但是在这两个过程中温度变化并不十分稳定，控制过程中存在超调以及振荡次数较多问题以此可调节积分与微分环节参数以削弱超调作用。如图4.7所示为控制过程中的超调量、tr、tp、ts：图4.7控制过程中的超调量、tr、tp、ts升温过程，上升时间为16s；峰值时间为24s；调整时间为83s，超调量为38.4摄氏度。降温过程，上升时间为16s，峰值时间为24s；调整时间为88s如图4.8所示为积分环节传递函数参数改良：图4.8.1调整前积分环节参数图4.8.2调整后的微分环节参数如图4.9所示为微分环节传递函数参数的改良：图4.9.1调整前微分环节参数图4.9.2调整后微分环节参数由于理想的微分环节难以实现，通常采用带有惯性环节的微分环节，分别调整参数加快了系统响应速度，使系统更加稳定并削弱超调量，消除稳态误差后得到如图4.10所示为调整后的无静差与超调的温度模糊PID动态波形：图4.10调整后的温度模糊PID动态波形调整时间ts为180s，使系统稳定无超调静差的同时增大了调整时间。4.3本章小结本章针对于温度控制的模糊PID原理进行了描述，主要从模糊化，模糊规则的定制，解模糊，进行设计。并对仿真结果进行了优化，得到了了稳态无静差无超调仿真结果。第五章嵌入式温室系统软件设计5.1概述智能温室系统对于软件的设计才能驱动硬件电路能够高效无误的工作，以执行单片机采集与控制的指令，只有硬件与软件的互相配合才可实现系统的功能，在温室复杂的控制系统中，对于软件的设计才是监测与控制功能的实质。对于温度的控制采用模糊PID算法，对于湿度，光照强度，CO2浓度采用传统的PID控制器算法，采用模块化编程思维的总体软件设计包括：STM32处理器总体软件设计；各环境参数采集以及继电器调控软件部分。如图所示5.1所示为环境参数控制结构框图：图5.1环境参数控制结构框图5.2软件流程图的设计5.2.1系统总体软件流程图的设计从主程序进入对各硬件与软件进行初始化设置，确保设施正常稳定工作，此后校准时间，确保时间与外界的一致性，并对各传感器模块进行延时，最大程度的降低传感器采集过程中对采集数据的偏差。传感器将采集到的信息传送至STM32单片机，与存储的设定值相比较，单片机自行判断读取信息与设定值的关系，进而决断是否输出信号驱动继电器以控制相关设备的运行或停止，如果在限制范围内则实时监测直至结束，使整个系统稳定运行。如图5.2所示为系统的总流程图：图5.2总体流程图软硬件初始化：所有设备在程序执行时均需进行初始化设置，以确保设施稳定良好的状态。时间校正：完成对时间参数校正的工作。读取数据信息：传感器完成对温室环境参数信息的采集，STM32对传感器采集数据进行实时读取与监测。环境数据信息显示与继电器控制：传感器采集到的环境参数信息数据通过LCD液晶屏显示并与STM32内存储的设定值进行对比，决断是否输出信号，控制继电器调控设备。5.2.2温度控制子程序流程图设计如图5.3所示为温度采集调控流程图：图5.3温度采集调控流程图对各硬件设备软件进行初始化以后，将DHT11采集到的温度信息传给STM32处理，利用模糊PID算法控制，首先设定好设定值，作为输入信号，传感器采集的信息作为输出信号构成负反馈闭环控制，通过液晶屏显示，若不为设置值，告警。若偏差E＞0，证明此时温度较低，需进行升温控制，单片机将输出信号控制双向可控硅电路驱动电阻丝加热，通过模糊PID算法控制整个加热过程：输出控制量U乘以控制周期实时调整PWM输出占空比（导通时间与电路工作控制周期之比），以修正电阻丝的加热时间，DHT11传感器再将控制以后改变的温度