新型農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)仿真研究

　　摘要：新型農(nóng)業(yè)大棚仿真控制系統(tǒng)總共可分為三大部分：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)通信、控制算法。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使用分層控制，實現(xiàn)農(nóng)作物區(qū)域管理劃分，基本事件各控制單元自行處理；數(shù)據(jù)通信，以ＺｉｇＢｅｅ通信協(xié)議為基礎(chǔ)，設(shè)置數(shù)據(jù)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)；控制算法使用基于滯回特性的模糊控制算法，設(shè)置兩個閾值用于返回數(shù)值的判斷，用于加強系統(tǒng)的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。

　　關(guān)鍵詞：ＺｉｇＢｅｅ；分層控制；模糊控制；滯回特性

　?。毕到y(tǒng)模型綜述

　　世界農(nóng)業(yè)的發(fā)展，已經(jīng)在現(xiàn)代化和設(shè)施化的道路上走出了很長的距離，這種高效的生產(chǎn)方式已經(jīng)逐漸代替了傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫室憑借著可控、可檢測、高效率、高生產(chǎn)、管理方便及良好的經(jīng)濟效益等優(yōu)點，已經(jīng)逐漸在世界上越來越普及。系統(tǒng)中使用的控制結(jié)構(gòu)為分層控制，其最大優(yōu)點在于主要數(shù)據(jù)處理單位為最末級的控制單元，將最高層的任務(wù)下放，減輕最高層的負擔(dān)。相對于傳統(tǒng)的集中化數(shù)據(jù)處理方式，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力大大增強；可以對應(yīng)不同種類的種植物，分區(qū)域進行控制管理。

　?。卜謱涌刂葡到y(tǒng)

　　對于智能溫室大棚來說，良好的通信手段與控制方法所帶來的是數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定、可靠與高效率。指令的明確與快速下達直接影響到整個系統(tǒng)的優(yōu)越性，所以控制方式與方法是新型農(nóng)業(yè)大棚有力的心臟。

　?。玻狈謱酉到y(tǒng)的概念

　　現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大棚發(fā)展迅速，越來越趨于大型化、復(fù)雜化，大型的大棚農(nóng)業(yè)園區(qū)越來越多，一般的控制系統(tǒng)已經(jīng)難以滿足需求，因此本文提出一種“分層控制”的概念。分層控制分三層：最高層、組層和控制單元。最高層下連接組層，組層通過類和組的概念進行區(qū)分管理，每個組層下又連接多個控制單元，控制單元為最末級，也是直接控制單位，直接與各個執(zhí)行單元和檢測單元連接［２］。

　?。玻卜謱酉到y(tǒng)的組成

　　將系統(tǒng)分為三級，各級之間相互聯(lián)系，最終形成一張足以覆蓋大面積大棚群的系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)。最高層下連接若干組層控制器，每個組層控制器下連接若干控制單元，直到實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全方位覆蓋。分層控制結(jié)構(gòu)如圖１所示。

　?。硵?shù)據(jù)通信協(xié)議

　　在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大棚中，所需傳輸數(shù)據(jù)簡單，對傳輸速率和傳輸協(xié)議要求不高，只需在固定時間內(nèi)采集數(shù)據(jù)并進行控制和檢測。ＺｉｇＢｅｅ技術(shù)與其他的無線傳輸技術(shù)相比，有著低成本、低功耗、低復(fù)雜度、傳輸穩(wěn)定、可作稍遠距離傳輸?shù)奶攸c，更適合應(yīng)用于農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)［３］。本系統(tǒng)采用ＺｉｇＢｅｅ通信作為傳輸網(wǎng)絡(luò)，并針對農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)的實際情況設(shè)計了數(shù)據(jù)幀。

　?。常保冢椋纾拢澹鍩o線傳輸及其協(xié)議

　?。冢椋纾拢澹迨且环N基于ＩＥＥＥ８０２．１５．４標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，分別提供２５０ｋｂ／ｓ（２．４ＧＨｚ）、４０ｋｂ／ｓ（９１５ＭＨｚ）和２０ｋｂｐｓ（８６８ＭＨｚ）的原始數(shù)據(jù)吞吐率，兩點之間的傳輸距離介于１０～１００ｍ。ＺｉｇＢｅｅ節(jié)點分為三類：協(xié)調(diào)器、路由器和終端。同一網(wǎng)絡(luò)中至少需要一個協(xié)調(diào)器，也只能有一個協(xié)調(diào)器，每個節(jié)點的１６位地址分配（自動分配）由協(xié)調(diào)器負責(zé)。協(xié)議，是指通信多方之間的一種通信標(biāo)準(zhǔn)，是一種由人為所定義的通信語言，協(xié)議定義了基本的發(fā)送格式。ＺｉｇＢｅｅ協(xié)議是基于ＩＥＥＥ８０２．１５．４標(biāo)準(zhǔn)，其協(xié)議開發(fā)可分為五層：物理層（ＰＨＹ）、介質(zhì)訪問層（ＭＡＣ）、網(wǎng)絡(luò)層（ＮＷＫ）、應(yīng)用程序支持子層（ＡＰＳ）、應(yīng)用層（ＡＰＬ）［４］。

　?。常矓?shù)據(jù)傳輸格式與幀結(jié)構(gòu)

　?。冢椋纾拢澹鍏f(xié)議中只提供一種固定的傳輸標(biāo)準(zhǔn)。具體的發(fā)送格式與數(shù)據(jù)幀的具體形式，要在ＺｉｇＢｅｅ協(xié)議所制定的傳輸標(biāo)準(zhǔn)上進行設(shè)計，根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)內(nèi)容再次設(shè)計具體的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。設(shè)計過程，即是對數(shù)據(jù)幀的設(shè)定。數(shù)據(jù)幀中要包含地址、類型號、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)段這四個部分［５］。由于ＺｉｇＢｅｅ通信協(xié)議中已經(jīng)包含了數(shù)據(jù)校驗數(shù)據(jù)校驗位、開始及停止位等部分，在設(shè)計數(shù)據(jù)幀時就不需要再次設(shè)計。

　?。常硞鬏敻袷礁鞑糠肿饔?/p>

　?。常常鳖愋吞栴愋吞柋硎究刂茊卧墓灿袑傩?mdash;——類的數(shù)據(jù)，直接用ＺｉｇＢｅｅ通信協(xié)議中的１６位組號來表示。這樣，對某一個類的控制單元進行控制時，只需要對該組進行組播即可，這也大大提高了效率。

　?。常常驳刂凡煌冢冢椋纾拢澹逋ㄐ艆f(xié)議中的短地址，這里的地址是指控制單元的編號，共１６個數(shù)據(jù)位。地址共分為三部分：層號、組號以及控制單元號［６］。根據(jù)分層控制思想，層數(shù)有最高層、組層和控制單元層三種，所以層數(shù)要在數(shù)據(jù)幀中占２位。其余１４位由組號以及控制單元號組成，根據(jù)分組中控制單元的最大個數(shù)來決定。為保證組層控制器的控制可靠性，每個分組中的控制單元個數(shù)一般應(yīng)控制在１２７個以下，故控制單元號應(yīng)占７位，剩下的７位為組號，規(guī)定層號全零的控制器為總控制器，控制單元號全零的控制器為層控制器。

　　４控制算法

　　一個控制系統(tǒng)的搭建，必須要依據(jù)一種規(guī)則或方式進行控制，即控制算法。此次新型農(nóng)業(yè)大棚仿真控制系統(tǒng)的搭建中，所使用的控制算法是將滯回特性概念和模糊控制相結(jié)合后的一種基于滯回特性的模糊控制算法。

　　４．１滯回特性

　　施密特觸發(fā)器擁有兩個閾值電壓，稱為正向閾值電壓和反向閾值電壓，兩個閾值電壓之差稱為回差電壓。輸入電壓從低到高逐漸上升時，當(dāng)電平高于某一電壓值時，輸出值變高，這一電壓值稱為正向閾值電壓；輸入電壓從高到低逐漸下降時，當(dāng)電平低于某一電壓值時，輸出值變低，這一電壓值稱為反向閾值電壓［７］。在電壓傳輸曲線上，此特性呈滯回性，兩電壓之間，稱為回差電壓?；夭铍妷褐校瑹o論電壓如何變化，輸出保持不變。如圖３所示。

　　４．２基于滯回特性的模糊控制算法

　　在控制系統(tǒng)的算法設(shè)計中，可應(yīng)用基于滯回特性的模糊控制方式，設(shè)置正向閾值和反向閾值模擬回差電壓，此回差值直接影響模糊度。模糊度越大，控制的精越低。當(dāng)將基于滯回特性的模糊控制算法使用到控制系統(tǒng)中時，首先要設(shè)置兩個閾值，相當(dāng)于設(shè)置模糊區(qū)間。當(dāng)超出模糊區(qū)間的范圍時，就執(zhí)行對應(yīng)動作。其優(yōu)點在于系統(tǒng)無須一直調(diào)節(jié)，允許數(shù)值有一定的變化幅度，增強了系統(tǒng)的容錯率。５結(jié)語新型農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)搭建中的所有涉及的技術(shù)框架的開發(fā)成本較低，所設(shè)計的方案中，從通信系統(tǒng)、傳輸方式到控制系統(tǒng)和控制算法都進行了分析。通信系統(tǒng)我們主要使用ＺｉｇＢｅｅ無線通信技術(shù)，解決了以往現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大棚中鋪設(shè)線路煩瑣、復(fù)雜和難以檢修的問題；將分層、分類、分組思想融入設(shè)計過程中，以便通信對控制系統(tǒng)更好地服務(wù)；控制系統(tǒng)中，通過分層控制思想，將數(shù)據(jù)處理任務(wù)下放，保障系統(tǒng)穩(wěn)定，減輕最高層任務(wù)繁重問題，分批分區(qū)分類進行控制，方便數(shù)據(jù)收集和任務(wù)控制；控制算法中，使用模糊控制，解決系統(tǒng)運行過程中的不確定性，使用滯回特性式的模糊控制方法，將判斷所允許范圍增大，解決數(shù)據(jù)波動所導(dǎo)致的命令不斷重復(fù)下達問題，增加系統(tǒng)包容性與適應(yīng)性。

　　參考文獻

　?。郏保莞队裰荆冢冢椋纾拢澹寮夹g(shù)的智慧農(nóng)業(yè)實時采集和遠程控制系統(tǒng)［Ｄ］．杭州：浙江大學(xué)，２０１５．

　?。郏玻萃蹩疲冢疲校牵梁停粒遥偷陌l(fā)射機功放控制系統(tǒng)設(shè)計［Ｄ］．成都：成都理工大學(xué)，２０１８．

　?。郏常萁冢冢椋纾拢澹寮埃牵校遥拥氖卟舜笈镞h程無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［Ｄ］．沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，２０１８．

　?。郏矗堇铈マ保冢冢椋纾拢澹宓臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究與設(shè)計實現(xiàn)［Ｄ］．南京：南京郵電大學(xué)，２０１４．

　?。郏担葜苡裆剑冢疲校牵恋亩嗤ǖ溃樱粒裕两涌谠O(shè)計與實現(xiàn)［Ｄ］．西安：西安電子科技大學(xué)，２０１７．

《新型農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)仿真研究》

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