温室监控无线传感器节点设计.docx
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温室监控无线传感器节点设计
目
录
摘要..................................,........................................................................................I
Abstract...........................................................................................................................II
第一章绪论.....................................................................................................................1
1.1论文研究背景与意义。
.。
....……。
.。
.........……，。
二。
。
·，··························，················……1
1.2国内温室控制技术现状及发展趋势.................................................................2
1.2.1国外温室控制技术发展..........................................................................2
1.2.2国内温室控制技术发展..........................................................................2
1.2.3温室环境测控技术的发展趋势..............................................................3
1.3温室环境智能控制算法....................................................................................4
1.4无线传感器网络的农业应用............................................................................6
1.5论文的主要工作................................................................................................7
第二章系统总体设计与分析..........................................................................................9
2.1系统控制对象分析............................................................................................9
2.1.1温度对作物生长的影响..........................................................................9
2.1.2湿度对作物生长的影响..........................................................................9
2.1.3温度和湿度藕合关系的理论分析........................................................10
2.2温室热环境模型建立....................……‘...................··································……10
2.2.1温室传热示意图...................................................................................11
2.2.z热平衡方程的建立.............……。
.....................................................……11
2.3系统控制策略............................................................................................……16
2.3.1潜热交换分析.....................……。
...............······································……16
2.3.2本文提出的温室环境控制方案............................................................16
2.4系统总体控制方案..........................................................................................17
2.4.1系统总体设计.......................................................................................17
2.4.2无线传感器网络布置...........................................................................18
2.5本章小结.........................................................................................................21
第三章系统硬件...........................................................................................................22
3.1主控制模块.....................................................................................................22
3.1.1微处理器...............................................................................................22
I
第一章绪论
论文研究背景与意义
农业是国民经济的基础，设施农业是采用一定设施和工程技术手段，按照动植物
生长发育要求，通过在局部范围改善或创造环境气象因素，为动植物生长发育提供良
好的环境条件，从而在一定程度上摆脱对自然环境的依赖进行有效生产的农业fll，它
是获得高产量，优质量农产品的新型生产方式，随着广大农民的物质文化生活水平的
不断提高，发展设施农业势在必行。
设施农业生产设施种类很多，温床、日光温室、
塑料拱棚和塑料大棚、连栋温室，植物工厂等，近几年我们所说的设施农业是指以温
室为主要设施的农业生产方式[fzl。
世界设施农业发展速度较快，形成了成套的技术、
完整的设施设备，并逐步向自动化、智能化、网络化和无线化的方向发展【3,4]0
我国设施农业发展历史悠久，其结构有简单到复杂，机械设施由单一到综合，管
理由粗放到集约。
此外，我国科研人员不断引进国外先进技术同我国实际情况相结合，
大力推动了我国设施农业的发展且取得许多科技创新的成果，如现代工厂化农业设施
的建设，种苗技术创新，少部分设施环境综合调控技术达到国际先进水平等等。
当然
我国设施农业建设也存在很多不足[[5,6]:
科技含量低、管理水平低、机械化程度低，
温室生态环境恶化等。
此外，无线传感器网络（WirelessSensorNetworks，简称WSN）是近年来迅速发展
和倍受重视的新型网络技术，由于其活动性强，扩展方便，在学术界和工农业领域都
受到高度关注。
在传统农业中，人们测量农田信息主要通过人工测量的方法，这种方
法不仅信息误差偏大，而且耗费人力。
随着设施农业的发展，把无线传感器网络技术
应用于农业不仅可以有效的降低人力消耗，获取精确的作物信息。
还解决了温室内因
大量布线而导致安装困难的问题。
所以，将无线传感器网络应用于农业领域可以带来
巨大的社会经济效益。
鉴于上述，为提高我国设施农业技术的科技水平，弥补我国设施农业存在的不足，
把无线传感器网络技术引入到温室生产中，使以ARM为核心的32位高性能处理器与
无线传感器网络相结合，通过模糊PID控制算法对温室内温湿度值进行调控，给温室
作物创造出良好的生长环境，对大幅度提高温室作物的单位面积产量和资源产出率，
具有重要的现实意义。
1.2国内温室控制技术现状及发展趋势
温室环境控制技术决定现代温室优劣的重要因数之一，它随着自动检测技术、过
程控制技术、通讯技术、计算机技术的发展而发展起来的。
温室通过无线传感器网络
将温室有关的环境参数的数值（温度、湿度、光照等）采集到计算机并按一定的控制规
则驱动执行机构（如天窗、风机、湿帘等），以达到人工控制温室环境的目的。
1.2.i国外温室控制技术发展
在温室技术上，荷兰、美国、以色列处于国际领先地位。
荷兰是设施农业最发达
的国家，从20世纪80年起就全面开发温室自动控制技术，并研发了形形色色的控制软
件。
至2009年底，荷兰拥有温室约为1.47万}z，其中使用计算机进行栽培的约占
85%}}}。
美国针对温室内光照、温度、湿度等的特点，研发了计算机温室管理系统，
利用其对温室进行自动调控。
此外，美国还研发了全球定位系统、电脑和遥感遥测等
高新技术应用于温室生产。
以色列由于其干旱的沙漠气候，首先对水系统进行研究，
其应用于温室的节水灌溉技术已经达到国际先进水平。
通过安装传感器安装于作物附
近用来检测水、肥的状况，利用中心计算机对田间的控制器进行遥控灌溉和施肥，使
水肥的利用率达到80%^'90%}g'9}o
1.2.2国内温室控制技术发展
我国对温室技术的研究开始于20世纪70年代起，研究人员吸收国外的先进技术并
与我国国情相结合，对温室控制技术不断地创新。
80年起，计算机就开始应用于我国
温室控制领域。
90年代初期，温室控制与管理系统在中国农业科学院农业气象研究所
和蔬菜花卉研究所被研发，并研发了其控制软件。
90年代中期，江苏理工大学毛罕平
等研制开发了温室软硬件控制系统，能对温室内温度、湿度等环境因子进行自动调控，
是国内温室控制系统的经典之作【ion0“九五”期间，为了提高计算机在温室中应用的
利用率，国家科技攻关项目和国家自然科学基金均增设了设施农业研究项目，其中“智
能型连栋塑料温室结构及调控设施的优化设计及实施”的专题直接在国家重大科技产
业工程“工厂化高效农业示范工程”中被设置。
“十五”期间，我国启动了“温室环
境智能控制关键技术研究与开发”课题【11]。
此外，国家“863”计划包含温室自动控
制系统，信息采集系统等。
我国温室控制技术虽然发展历史悠久，并也创造出很多科技成果，但由于我国国
土辽阔，地区贫富差异不均，导致大部分温室仍然靠人工手动管理。
这不仅使在生产
中误差量较大，而且产出率低，影响经济效应。
可见发展设施农业是提高我国农业经
济的基础，大力发展温室控制技术是提高设施农业的关键之一。
1.2.3温室环境测控技术的发展趋势
“工业一科技一信息”是当今世界先进工业国家的转变趋势。
现代温室自动化发
展的目标是“以高新技术为核心，以信息电子化为手段，提高工农业产品附加值”[12]0
当今温室应用的自动化控制系统正向着分布式、网络化、智能化、无线通讯化的方向
发展。
（1）分布式
分布式系统是建立在网络之上的软件系统。
正是因为软件的特性，所以分布式系
统具有高度的内聚性和透明性。
因此，网络和分布式系统之间的区别更多的在于高层
软件（特别是操作系统），而不是硬件。
考虑到国内经济承受能力、对可靠性的要求以
及具体的使用环境（温室环境电气干扰较小），在温室环境控制系统中，各个温室的控
制功能一般由ARM（子处理器）完成。
分布式控制方式具有高可靠性、开放性、灵活性、
易于维护、协调性、控制功能齐全等优点，因此它将在现在和以后很长一个时期广泛
应用于温室环境控制系统中。
（2）网络化
网络化是指将原来的散落的工作状态，落后的单机技术，通过联网，断口通信等
技术改良，成为具有高效能传输，高资源共享，高技术支持的新的技术和设备状态。
它是90年代最具活力、发展速度最快的高新技术。
把网络技术应用于农业，能及时解
决农业发展中的技术问题。
随着设施农业的规模化和产业化程度的不断提高，网络通
讯技术会在温室控制与管理中得到广泛的应用[13]。
从微观上看，现有的总线技术及串
口通讯技术可以被网络技术所代替。
从宏观上看，随着网络通讯技术的发展，地区之
间甚至跨国之间可以通过互联网技术，进行远程控制或诊断。
我国幅员辽阔气候复杂，
种植模式多样，利用现代化网络技术进行在线服务具有广阔的应用前景。
（3）智能化
智能化农业即利用智能化家业信息技术来指导农业生产。
以农业专家系统为代
表，它是一种拥有高层次、多方面农业专家知识、并能模仿人类的推理过程，在计算
机上以形象、直观的方式向使用者提供各种农业问题决策咨询服务的实用软件系统。
智能化温室是基于农业科技与计算机自动控制技术于一体的新型农业，它是现代农业
科技向产业转化的物质基础。
栽培者通过使用计算机管理系统对温室内温湿度等环境
因子进行自动检测，并实时存储，同时通过控制算法对环境因子进行调节，驱动执行
机构，为作物生长创造一个良好的生长环境。
目前PID控制，模糊控制等人工智能技
术在温室控制中得到重视并逐步发展【14,15]0
（4）无线通讯技术
随着温室技术的不断发展，温室面积逐渐扩大，且温室作物对温室环境要求越来
越高。
所以在容积大的温室系统中，各测控点分布范围广、数量多、距离远，因此铺
设电缆难度大，布线困难。
采用无线通讯技术在温室控制系统中运用有着非常现实的
意义。
传感器之间通过无线传输协议，不但提高了温室作物的测量精度，而且布线少，
方便，美观。
目前在各种无线通讯技术中，GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，
是以封包（Packet）式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并
非使用其整个频道，理论上较为便宜【‘“]。
短距离无线通信中，基于Zigbee技术的无线
传感器网络，也开始受到广泛的关注【o]0
1.3温室环境智能控制算法
温室智能控制系统是通过控制算法对采集来的环境因子值进行调节后再驱动执
行机构的过程，控制算法在很大程度上决定了智能控制系统的性能。
近年来，应用于
温室控制系统的控制算法不断的在传统的控制算法中加以改进。
（I）PID控制算法:
PID控制是在传统工业中应用的最广泛的控制算法之一，它具
有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单
等优点。
它将输入的偏差值，按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被
控对象加以控制，并将其结果用以输出控制。
本文采用的是增量型PID控制算法，它
是通过位置型PID控制算法变化而来的，而位置型PID控制算法是通过把基本PID控算
法离散化得到的。
所以说采用步进电机作为执行机构的系统一般要用增量型PID控制
算法，但对于控制精度要求高的系统一般采用位置型PID控制算法【’”]。
（2）改进的PID控制算法:
常规PID控制器的参数不易在线调整，容易产生超调，
抗干扰能力差，不能满足现代温室环境智能控制的要求。
为了弥补上述不足，提高控
制精度，研究人员将PID控制进行了改进，如积分分离的PID控制，即偏差较大的时，
取消积分作用;当偏差较小时才将积分作用投入【’”]。
不完全微分的PID控制，实
现了对时滞对象的有效控制，有较好的抗干扰性和鲁棒性[[2O]。
变速积分的PID控制，
通过改变积分项的累加速度，可以有效的避免PID控制中积分项引起的超调，提高调
解品质[（2}1。
此外，对PID控制的改进还有微分先行型PID控制、带死区的PID控制、单
神经元自适应PID控制、融合型智能PID控制器等等。
（3）模糊控制算法:
模糊控制是用模糊数学的知识模仿人脑的思维方式，对模糊
现象进行识别和判决，它无须知道被控对象的精确数学模型，根据栽培者的经验或研
究人员的实验结果给出模糊控制规则，通过模糊逻辑推理完成控制决策过程，对被控
对象进行控制[[22]0
（4）改进的模糊控制算法:
模糊控制与常规的如PID控制相比具有调节速度快、
鲁棒性好等优点，但由于其稳态精度欠佳这也是需要改进的地方。
研究人员为了更好
的利用模糊控制的优点，弥补模糊控制的不足，提出了多种改进的模糊控制器。
如:
复合型模糊PID控制器，将模糊控制器和PID控制器并联在一起，通过阀值进行调节，
在大偏差用模糊控制器，小偏差用PID控制器，使系统既具有模糊控制器的灵活，自
适应强的特点，又具有PID控制器的稳态精度高的特点[[23]。
参数自整定模糊PID控制
器，将偏差和偏差变化率通过模糊控制规则调整PID三个参数，并实时进行修改，确
保系统的优化运行，使系统既满足技术性能指标又能最大限度节约能[[2a]0
（5）神经网络控制算法:
神经网络控制是20世纪80年代末期发展起来的自动
控制领域的前沿学科之一。
它是智能控制的一个新的分支，为解决复杂的非线
性、不确定、不确知系统的控制问题开辟了新途径。
它是由许多神经元按照一定
的拓扑结构相互连接的网络结构。
复杂非线性映射问题可以通过3层BP神经网络逼近
任一连续函数来解决[[25]。
神经网络算法一般不需要精确的数学模型，它具有良好的非
线性映射能力，自适应能力，联想记忆能力及容错性能。
BP算法的稳定性分析与权
值有关，若选择不当会出现收敛速度很慢甚至不收敛的现象。
因此，若要对系统进行
优化控制，须将神经网络算法与其它控制算法结合使用[[26-28]0
由于温室控制系统是一个非线性，大滞后、多输入和多输出的复杂系统，单一的
控制算法很难满足温室控制系统的要求，须对传统的控制算法加以改进，将两种或两
种以上控制算法相结合，优缺点互补，以此来提高智能控制系统的性能，为温室内作
物创造出良好的生长环境。
1.4无线传感器网络的农业应用
随着微电机系统（Micro-Electro-MechanismSystem,MEMS）、片上系统（SOC}
SystemonChip）、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育出无线传感器网络
（WirelessSensorNetworks,WSN），并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带
来了信息感知的一场变革。
无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型
传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。
无线传感器网络最早应用于农业是在2002年，英特尔公司在俄勒冈建立的世界上
第一个无线葡萄园。
把若干无线传感器节点分布在葡萄园内，每隔一分钟检测一次土
壤温度、湿度和日照等;然后把测得的数据通过无线通信技术发送到信号接收节点;
再通过网络发送到计算机上，再由计算机系统中的相关应用软件对数据进行分析处
理;最后由葡萄园主从显示系统中观看其分析结果[[29]0
随着设施农业技术的不断发展，无线传感器网络应用于农业的事例又开始出现，
下面介绍几个无线传感器网络应用于农业的为数不多的例子。
（1）无线传感器网络应用于温室环境系统
2005年7月，北京市科委计划项目“蔬菜生产智能网络传感器体系研究与应用”
正式把农用无线传感器网络示范应用于温室蔬菜生产中。
在温室环境中，单个温室可
以作为无线传感器网络一个测量控制区，采用不同的传感器测量节点和具有简单执行
控制的节点（能对风机、调温机器、阀门等设备进行相关控制）构成无线传感器网络，
其中节点用来测量土壤湿度、土壤成分、PH值、温度、空气湿度、气压、光照强度
和C02浓度等数据，以便知道温室中的环境状况，为对温室环境进行适当的调控提供
科学依据。
最终使温室中的传感器执行控制的标准化、数据化，利用网关实现控制装
置的网络化，从而达到现场组网方便、提高作物产量、改善品质、调节生长周期、提
高经济效益的目的。
（2）节水灌溉系统
节水灌溉是根据作物需水规律及当地供水条件，为了有效地利用降水和灌溉水，
获取农业的最佳经济效益、社会效益、生态环境而采取的多种措施的总称。
无线探测
自动节水灌溉系统基于嵌入式系统、无线通信与计算机技术集数据采集、智能分析与
自动化控制于一体，实现水资源的合理利用，达到节约灌溉用水与节省人力的作用。
DigitalSun公司开发的自动洒水系统目前受到国际上多家媒体的报道。
它使用无线传
感器感应土壤的水分，并在必要时与接收器通信，控制灌溉系统的阀门打开或关闭，
从而达到自动、节水灌溉的目的[[30j0
此外，无线传感器网络还为贵重药材生长条件检测与模拟、果园、高经济价值作
物的生长条件分析与人工干预、林业防火防盗等提供有力手段[31,32]。
采用无线传感器
网络建设农业环境自动监测系统，用同一套网络完成风、光、水、电、热和农药等的
数据采集和环境控制，可有效提高农业集约化生产程度，简化系统复杂性，降低设备
成本。
目前，无线传感器网络在国内的报道还处于起步阶段，对此研究有一定的价值。
1.5论文的主要工作
考虑到对于温室环境控制系统，由于其有许多干扰因素，所以控制系统的设计是
一个重要问题。
只有合理、有效的控制系统设计，才能最大程度的体现环境因子调控
的优势，即误差小与稳定性强的特点。
本文针对这个问题主要做以下几方面工作:
（1）通过阅读大量的国内外文献，对国内外温室控制系统的发展，控制算法的发
展，无线传感器网络应用于农业的现状作了介绍，并分析了温室控制系统的发展趋势。
对温室控制系统的构成和特点作了阐述，并对现有温室控制系统所采用的控制策略进
行了，急结和分析。
（2）介绍了系统被控对象温度和湿度对温室内作物的影响，并对它们的藕合关系
进行理论分析。
研究温室环境中的主要热力学过程，建立了温室的一般机理模型。
根
据模型反映的信息、“假定系数法”、门窗和执行机构的位置布置传感器节点。
设计
温室控制系统的总体结构，并对其硬件进行选型。
（3）根据上章的总体结构及所选择的硬件型号进行电路设计。
其中包括主控模块
中处理器本身自带的集成资源的辅助电路设计，采集模块设计，人机交互模块设计、
执行机构模块设计等。
（4）分别介绍了PID控制和模糊控制的原理，优点和不足。
同时，依据前文对温
湿度祸合关系的分析，设计了基于模糊PID温湿度控制器。
该控制器是在温湿度有无
祸合关系的情况下分别设计的。
在不考虑温湿度祸合关系时，控制器的设计原则是依
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