多传感器信息融合的智能温室环境控制系统设计与分析
多传感器信息融合的智能温室环境控制系统设计与分析
摘要--在考虑到应用于温室控制系统中温室环境控制的多传感器信息融合技术的特点,以及优先调节和模糊控制相结合技术的控制策略,本文分析了复杂的温室环境信息和各种现代传感器.温室环境控制系统硬件的设计核心是单芯片处理器ATVIIIIXSVII和局域网的通用接口芯片RTLVIII0I.IXAS.同时,对本结构的功能.硬件配置及整个系统的软件设计进行了描述.分析表明,该智能控制器可以准确地调节温度和湿度,可满足各种规模的智能温室控制要求.
关键字温室环境;模糊控制;多传感器信息融合
I..介绍
温室环境控制是I.个复杂的过程,过程中很多因素需要控制,但是最主要的因素是温度和湿度.有价值的因素并不是I.个恒定值,不同的作物不同生长阶段适应不同的范围.对于这样非线性时变系统难以建立精确的数学模型,使用传统PID-校准器的方法很难实现令人满意的结果.现代传感器技术,通信技术,自动化技术和计算机技术为现代温室控制系统的体系结构提供了各种各样的选择.鉴于其非线性和时变性,它是适合采用智能控制方法.近年来,国内外研究智能控制理论与应用非常活跃,在这方面提出的理论如模糊控制.神经网络控制.人工智能控制.遗传控制和许多其他的方法.但目前主要成熟的智能控制方法仍然是模糊控制.考虑温室环境的控制特点,本文提出了I.种可行的控制方案和实现方法,为了使这种技术被应用于更多的领域.
II.智能温室控制系统结构
针对温室环境的大惯性和大的时间延迟及耦合特性,控制系统需要集成多种环境信息以便于更好地做出正确的温室环境的评估,然后用适当的措施对其控制.该系统可以整合来自不同传感器的信息,并把这些信息融合处理得到I.个决策数据.它的最终目标是使用多传感器共同或联合操作的优势,改善整个传感器系统的有效性,消除单个或几个传感 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
器的局限性.智能温室控制系统结构如图I.所示.该系统包括中心电脑,多个以太网智能控制器,数字电台,以太网和开关等.系统信息可以直接与各部分之间进行传播,使用的通信协议是TCP/IP协议.
图I.控制系统结构
各个部分的控制系统功能如下:(I.)控制节点通过智能设备检测现场环境信息,然后将加工信息传播到监控网络.当信息需要调整,控制节点通过接收上层指令修改它.(II)以太网开关在控制节点和交换设备之间提供I.个直接和快速的点对点连接,以减少以太网冲突和为冲突数据提供缓存.(III)监测站从控制节点获得数据,在进I.步分析后做综合评价.(IV)远程监控计算机可以通过因特网访问网站上的控制网络和监控环境.
III.温室环境因素和设备选择
温室环境参数包括温度.湿度.土壤湿度和光线.温室主要通过获得太阳能以确保适当的温度,考虑到地区和之间的天气区别,如果有必要,可以采取辅助温度控制的措施.可以通过加湿和通风调节温室内的湿度.
A．传感器的选择
通过比较热电偶温度传感器,RTD温度传感器,热敏电阻温度传感器,PN结温度传感器的综合性能,考虑到所需的温度精度.输出信号很容易转换.设备价格.易于操作性和其他因素,我们决定使用铜敏电阻温度传感器.通过比较硅湿敏感电阻传感器与其他传感器,如电解液湿传感器.陶瓷湿传感器.聚合物湿传感器传感器等,考虑到硅湿敏感电阻传感器具有较高的测量精度,响应时间短,操作简单,成本低,水分特征电阻率是线性变化,我们选择硅湿敏感电阻传感器作为测量土壤水分传感器.我们选择由FIGARO生产的TGSIVI.VI0检测II氧化碳浓度,该设备不仅体积小.寿命长.稳定特性好,而且耐高湿度和耐低温性.
B．ADC的选择
温室环境控制所需的参数包括温度.湿度.土壤水分和其他参数.温室仅仅需要I.个ADC如果有好多ADC可供选择,因此系统相对简单而且成本较低.
IV.系统控制节点设计
控制节点是主要的检测系统,它的主要功能是收集和处理信号,然后发送场信号到上面的信息融合系统.场信息包括环境温度.湿度.II氧化碳浓度等.I.方面通过多传感器信息融合来控制节点分析和处理数据,另I.方面控制节点为上层网络提供实时状态参数,并执行上层指令.节点结构如图II所示.在控制节点中,CPU使用ATVIIIIXSVII,局域网通用接口采用支持IEEEVIII0II.III协议的RTLVIII0I.IXAS,这些芯片可以直接通过RJ-IVV接口芯片连接到局域网物理层,进行沟通和控制功能.通过相应的传感器与发射机检测到的信号可以被转换成标准电压信号.电压信号由A/D转换器转换为数字信号,然后通过I/O处理接口发送到CPU.CPU通过RTLVIII0I.IXAS将信号发送到上层,同时通过上层网络接收上层指令以及发送控制信号到底层控制网络.控制信号输出的D/A转换器是用来驱动电动装置来控制相应的设备.当传感器检测到相应的值超过了设定值时,系统会自动报警提醒操作员的关注.
图II智能节点的结构
V.温室环境的控制策略
A．温室环境控制策略
考虑到温室环境中的复杂性,系统结合模糊控制技术使用优先级调整原则来控制温室环境.优先调整原则从温室的温度.湿度.II氧化碳浓度等环境要素中选择I.个参数作为控制对象,控制的其他参数作为补充,可以减少系统控制的复杂性.在冬天,温 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
度是主要因素,所以温度是最重要的.当房间温度维持在适当的值,然后控制其他参数,所以它需要检测温室内外环境为优先调整原则提供参考的条件.此外,温室环境是I.个非线性.时变的延迟系统,很难建立数学模型,因此我们采用模糊控制理论来解决这些问题.总的来说,控制方法的参数如下,温度.湿度控制采用模糊控制,光控制方法是I.种两点法"PWM控制,土壤湿度控制使用了磁滞开关控制的比较器.与此同时,为了节约能源,使用自然温室作为环境检测的温室.
B．温度/湿度模糊控制器的设计
在控制节点中,温度和湿度使用模糊控制器的闭环控制器控制.原理结构如图III图IV所示.
图III模型的控制器
图IV模糊逻辑系统的映射框架
温室的温度或湿度模糊控制器,键盘输入温度/湿度值的给定值T,传感器测量温度/湿度值记录为T(k),然后误差E和误差的变化公式为:
E(k)=T-T(k);=E(k)-E(k-I.)(I.)
以温度控制为例,E(k)和作为模糊控制器的输入变量.加热器和风扇的开关作为输出变量.根据实际工作条件下,温室的最优温度变化在I.0左右,考虑实际检测条件和适当的控制精度,温度的基本域和误差范围为[-V～+V],
温度变化的基本域和误差范围为[-I.～+I.].为了提高控制精度和响应速度,我们把温度控制范围设置为有界±V,分为模糊控制和确定控制区域.温度设置在±V以内为模糊控制的区域,温度设置在±V以外为确定控制的区域.在确定控制区域,控制系统将进行强制冷却或加热,超过了温度将发出报警信号.
VI.系统软件控制节点的设计
CVI.语言用于编写程序.TCP/IP通信协议.RS-IVVIIIV和其他现场总线通信协议中嵌入了单片机闪存,在网络层和接口层负责协议网络之间的转换和数据交换任务.该系统首先把数据从来自局域网的UDP数据包中取出,然后把他们送到了测量和控制设备后,再根据RS-IVVIIIV串行总线通信协议标准进行改装.另外,监控设备发送的数据帧经过因特网数据包确认传到局域网设备.主控制系统软件流程图如图V所示.I.旦系统启动,首先初始化系统,例如设置系统的IP地址,网关地址和物理地址等,然后阅读RTLVIII0I.IXAS的物理地址并存储在数据缓冲区,最后发送IP地址到服务器的工作站.
图V智能节点的主程序
主程序负责整个温室实时监控,为了更好的控制温室环境,该系统还设置I.个手册模式,促进用户可以在任何时间很容易地访问系统.操作者可以根据控制参数现场修改,这可以弥补缺乏自动模式的缺陷.在自动模式下,系统自动收集环境参数(如温度.湿度.II氧化碳浓度.光照强度.土壤温度.土壤水分)值,并使用优先级控制策略和模糊控制算法,通过单片机控制实施机构的工作状态.
VII.总结
多传感器信息融合和模糊控制技术,温室环境控制系统可以模拟专家知识来满足温室作物的要求.系统使用良好的控制策略,温室的温度和湿度可以满足作物的增长的需要.另外,在网络技术中的应用使得它可以降低劳动强度和生产成本,提高了温室效率.更重要的是系统很容易实现,有很强的通用性和适应性.如果I.些软件系统扩展,该控制系统可用于畜牧业和家禽农场,仓库存储和粮食存储和其他环境监测和控制.
摘要--在考虑到应用于温室控制系统中温室环境控制的多传感器信息融合技术的特点,以及优先调节和模糊控制相结合技术的控制策略,本文分析了复杂的温室环境信息和各种现代传感器.温室环境控制系统硬件的设计核心是单芯片处理器ATVIIIIXSVII和局域网的通用接口芯片RTLVIII0I.IXAS.同时,对本结构的功能.硬件配置及整个系统的软件设计进行了描述.分析表明,该智能控制器可以准确地调节温度和湿度,可满足各种规模的智能温室控制要求.
关键字温室环境;模糊控制;多传感器信息融合
I..介绍
温室环境控制是I.个复杂的过程,过程中很多因素需要控制,但是最主要的因素是温度和湿度.有价值的因素并不是I.个恒定值,不同的作物不同生长阶段适应不同的范围.对于这样非线性时变系统难以建立精确的数学模型,使用传统PID-校准器的方法很难实现令人满意的结果.现代传感器技术,通信技术,自动化技术和计算机技术为现代温室控制系统的体系结构提供了各种各样的选择.鉴于其非线性和时变性,它是适合采用智能控制方法.近年来,国内外研究智能控制理论与应用非常活跃,在这方面提出的理论如模糊控制.神经网络控制.人工智能控制.遗传控制和许多其他的方法.但目前主要成熟的智能控制方法仍然是模糊控制.考虑温室环境的控制特点,本文提出了I.种可行的控制方案和实现方法,为了使这种技术被应用于更多的领域.
II.智能温室控制系统结构
针对温室环境的大惯性和大的时间延迟及耦合特性,控制系统需要集成多种环境信息以便于更好地做出正确的温室环境的评估,然后用适当的措施对其控制.该系统可以整合来自不同传感器的信息,并把这些信息融合处理得到I.个决策数据.它的最终目标是使用多传感器共同或联合操作的优势,改善整个传感器系统的有效性,消除单个或几个传感 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
器的局限性.智能温室控制系统结构如图I.所示.该系统包括中心电脑,多个以太网智能控制器,数字电台,以太网和开关等.系统信息可以直接与各部分之间进行传播,使用的通信协议是TCP/IP协议.
图I.控制系统结构
各个部分的控制系统功能如下:(I.)控制节点通过智能设备检测现场环境信息,然后将加工信息传播到监控网络.当信息需要调整,控制节点通过接收上层指令修改它.(II)以太网开关在控制节点和交换设备之间提供I.个直接和快速的点对点连接,以减少以太网冲突和为冲突数据提供缓存.(III)监测站从控制节点获得数据,在进I.步分析后做综合评价.(IV)远程监控计算机可以通过因特网访问网站上的控制网络和监控环境.
III.温室环境因素和设备选择
温室环境参数包括温度.湿度.土壤湿度和光线.温室主要通过获得太阳能以确保适当的温度,考虑到地区和之间的天气区别,如果有必要,可以采取辅助温度控制的措施.可以通过加湿和通风调节温室内的湿度.
A．传感器的选择
通过比较热电偶温度传感器,RTD温度传感器,热敏电阻温度传感器,PN结温度传感器的综合性能,考虑到所需的温度精度.输出信号很容易转换.设备价格.易于操作性和其他因素,我们决定使用铜敏电阻温度传感器.通过比较硅湿敏感电阻传感器与其他传感器,如电解液湿传感器.陶瓷湿传感器.聚合物湿传感器传感器等,考虑到硅湿敏感电阻传感器具有较高的测量精度,响应时间短,操作简单,成本低,水分特征电阻率是线性变化,我们选择硅湿敏感电阻传感器作为测量土壤水分传感器.我们选择由FIGARO生产的TGSIVI.VI0检测II氧化碳浓度,该设备不仅体积小.寿命长.稳定特性好,而且耐高湿度和耐低温性.
B．ADC的选择
温室环境控制所需的参数包括温度.湿度.土壤水分和其他参数.温室仅仅需要I.个ADC如果有好多ADC可供选择,因此系统相对简单而且成本较低.
IV.系统控制节点设计
控制节点是主要的检测系统,它的主要功能是收集和处理信号,然后发送场信号到上面的信息融合系统.场信息包括环境温度.湿度.II氧化碳浓度等.I.方面通过多传感器信息融合来控制节点分析和处理数据,另I.方面控制节点为上层网络提供实时状态参数,并执行上层指令.节点结构如图II所示.在控制节点中,CPU使用ATVIIIIXSVII,局域网通用接口采用支持IEEEVIII0II.III协议的RTLVIII0I.IXAS,这些芯片可以直接通过RJ-IVV接口芯片连接到局域网物理层,进行沟通和控制功能.通过相应的传感器与发射机检测到的信号可以被转换成标准电压信号.电压信号由A/D转换器转换为数字信号,然后通过I/O处理接口发送到CPU.CPU通过RTLVIII0I.IXAS将信号发送到上层,同时通过上层网络接收上层指令以及发送控制信号到底层控制网络.控制信号输出的D/A转换器是用来驱动电动装置来控制相应的设备.当传感器检测到相应的值超过了设定值时,系统会自动报警提醒操作员的关注.
图II智能节点的结构
V.温室环境的控制策略
A．温室环境控制策略
考虑到温室环境中的复杂性,系统结合模糊控制技术使用优先级调整原则来控制温室环境.优先调整原则从温室的温度.湿度.II氧化碳浓度等环境要素中选择I.个参数作为控制对象,控制的其他参数作为补充,可以减少系统控制的复杂性.在冬天,温 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
度是主要因素,所以温度是最重要的.当房间温度维持在适当的值,然后控制其他参数,所以它需要检测温室内外环境为优先调整原则提供参考的条件.此外,温室环境是I.个非线性.时变的延迟系统,很难建立数学模型,因此我们采用模糊控制理论来解决这些问题.总的来说,控制方法的参数如下,温度.湿度控制采用模糊控制,光控制方法是I.种两点法"PWM控制,土壤湿度控制使用了磁滞开关控制的比较器.与此同时,为了节约能源,使用自然温室作为环境检测的温室.
B．温度/湿度模糊控制器的设计
在控制节点中,温度和湿度使用模糊控制器的闭环控制器控制.原理结构如图III图IV所示.
图III模型的控制器
图IV模糊逻辑系统的映射框架
温室的温度或湿度模糊控制器,键盘输入温度/湿度值的给定值T,传感器测量温度/湿度值记录为T(k),然后误差E和误差的变化公式为:
E(k)=T-T(k);=E(k)-E(k-I.)(I.)
以温度控制为例,E(k)和作为模糊控制器的输入变量.加热器和风扇的开关作为输出变量.根据实际工作条件下,温室的最优温度变化在I.0左右,考虑实际检测条件和适当的控制精度,温度的基本域和误差范围为[-V～+V],
温度变化的基本域和误差范围为[-I.～+I.].为了提高控制精度和响应速度,我们把温度控制范围设置为有界±V,分为模糊控制和确定控制区域.温度设置在±V以内为模糊控制的区域,温度设置在±V以外为确定控制的区域.在确定控制区域,控制系统将进行强制冷却或加热,超过了温度将发出报警信号.
VI.系统软件控制节点的设计
CVI.语言用于编写程序.TCP/IP通信协议.RS-IVVIIIV和其他现场总线通信协议中嵌入了单片机闪存,在网络层和接口层负责协议网络之间的转换和数据交换任务.该系统首先把数据从来自局域网的UDP数据包中取出,然后把他们送到了测量和控制设备后,再根据RS-IVVIIIV串行总线通信协议标准进行改装.另外,监控设备发送的数据帧经过因特网数据包确认传到局域网设备.主控制系统软件流程图如图V所示.I.旦系统启动,首先初始化系统,例如设置系统的IP地址,网关地址和物理地址等,然后阅读RTLVIII0I.IXAS的物理地址并存储在数据缓冲区,最后发送IP地址到服务器的工作站.
图V智能节点的主程序
主程序负责整个温室实时监控,为了更好的控制温室环境,该系统还设置I.个手册模式,促进用户可以在任何时间很容易地访问系统.操作者可以根据控制参数现场修改,这可以弥补缺乏自动模式的缺陷.在自动模式下,系统自动收集环境参数(如温度.湿度.II氧化碳浓度.光照强度.土壤温度.土壤水分)值,并使用优先级控制策略和模糊控制算法,通过单片机控制实施机构的工作状态.
VII.总结
多传感器信息融合和模糊控制技术,温室环境控制系统可以模拟专家知识来满足温室作物的要求.系统使用良好的控制策略,温室的温度和湿度可以满足作物的增长的需要.另外,在网络技术中的应用使得它可以降低劳动强度和生产成本,提高了温室效率.更重要的是系统很容易实现,有很强的通用性和适应性.如果I.些软件系统扩展,该控制系统可用于畜牧业和家禽农场,仓库存储和粮食存储和其他环境监测和控制.
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