日光温室卷帘及通风口控制系统研制

来源:用户上传      作者:曹瑞红 李晋蒲 赵建贵 高安琪 韦玉翡 李志伟

　　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
　　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70×104 hm2，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，包括光照传感器和溫湿度传感器。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。
　　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，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断開，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
　　[CM（20]控制指令对应温室中执行机构的3种情形，分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。
　　 （2）中午，当室内温度T≥番茄生長最高温 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。
　　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。
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　　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。
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