基于复合PID算法的农业测控系统设计_许梁.pdf

文章编号：1673-887X(2023)01-0069-04基于复合PID算法的农业测控系统设计许梁，杜治锐（延安大学 物理与电子信息学院，陕西延安716000）摘要针对农业温室大棚温湿度每天变化不同的特点，采用基于复合PID控制算法的农业测控系统结合温度湿度每天变化趋势的方式，精准控制环境参数设计了一套集数据处理与控制为一体的大棚测控系统，可通过手机app和PC端远程访问智慧大棚，实时了解大棚内农作物的生长状况。仿真实验结果表明：该算法的测控精度、响应速度均优于常规PID算法，能更好地满足实践要求。为了减少环境参数采集误差，在传统PID算法的基础上，采用分段、分类控制的复合PID算法进行调节。关键词温室大棚；复合PID算法；精准；调节；测控中图分类号S24文献标志码Adoi:10.3969/j.issn.1673-887X.2023.01.024Design of Agricultural Measurement and Control System Based on Compound PID AlgorithmXu Liang,Du Zhirui（School of Physics and Electronic Information,Yanan University,Yanan 716000,Shaanxi,China)AbstractAbstract：According to the different characteristics of temperature and humidity changes in agricultural greenhouses every day,theagricultural measurement and control system based on the compound PID control algorithm is used to accurately control the environmental parameters combined with the trend of temperature and humidity changes every day.A greenhouse measurement and controlsystem integrating data processing and control is designed.The smart greenhouse can be accessed remotely through mobile phoneapp and PC terminal,and the growth status of crops in the greenhouse can be known in real time.The simulation results showed thatthe measurement and control accuracy and response speed of the algorithm are better than the conventional PID algorithm,which canmeet the practical requirements.In order to reduce the acquisition error of environmental parameters,this paper adopted the compound PID algorithm with segmentation and classification control on the basis of the traditional PID algorithm.Key words：greenhouse,compound PID algorithm,precision,regulation,measurement and control目前,我国农业大棚的种植模式多数还停留在人工种植的阶段，耗时耗力且不利于大规模种植1，严重制约着我国设施农业的发展。自我国开展农业现代化建设以来，已经有不少学者将目光锁定在农业现代化对环境参数的调节上，例如：张萍等2在2021年设计了一套基于Zigbee和OneNET平台的温控系统，利用OneNET平台实现远程温控，但是传感器采集数据的方法还是采取传统方式，数据的准确性不高。也有研究基于PID的温室大棚管理系统3，虽然采用PID算法提高了数据采集的准确性，但环境参数在一天内变化的幅度和趋势各不相同，当环境参数趋于稳定时，采用传统PID算法的系统调节存在很大的滞后性。随着现代化农业的发展，农民对于采集数据的准确性要求越来越高，而传感器在采集数据的同时也容易受环境的腐蚀，加上自身物理特性的影响，长时间工作容易出现采集数据的跳变和延迟的情况，从而导致数据采集不准确。为此，文章设计的测控系统，将复合PID算法作为该系统的数据处理方法，根据温度湿度涨幅的特点减弱系统震荡与延迟，提高系统采集的准确性。1系统的架构设计基于复合PID算法的农业测控系统是由主控模块、传感器模块、无线通讯模块、OneNET平台和执行模块组成4，传感器模块负责收集大棚内温湿度数据，并采集大棚内环境图像，然后利用主控模块对采集数据进行处理5，将处理结果通过无线通讯模块传输给OneNET平台，实时显示环境参数，并通过控制执行模块完成对大棚环境参数的调节6。系统框架设计见图1。2系统硬件设计2.1主控与通信模块设计本系统采用 STM32f103ZET6微控制器（MCU）作为主控芯片，速度高达72 MHz，程序存储容量为256 kB，能满足该系统的正常运转。通信模块选用ESP8266是一款比较便捷的WIFI芯片，其前身是一个32位的MCU单元，可以独立访问网络7，也可以搭配其他主控芯片一起接入网络。ESP8266的开发方式有3种：AT指令、LUA和SDK。本系统选用的是AT指令通过串口发送 AT命令的方式就可以实现对 ESP8266 的控制。ESP8266允许配置为 AP、STA和 APSTA 3种模式，本系统选用STA模式，用路由器接入网络，实现系统控制与数据传收稿日期2022-10-28基金项目延安大学教育创新计划项目（YCX2021065）。作者简介许梁（1996-），男，安徽人，硕士研究生，研究方向：设施农业数据测控与传输。第1期（总第397期）理论研究69输。通信模块引脚接线图见图2。网络应用层智能传输层信息感知层WiFi土壤湿度模块温度监测模块继电器模块视频采集模块STM32参数监测 远程影像 设备调控智慧农业云端图1系统框架设计图Fig.1 System framework design diagram10UC2C20.1UR41KPG133.3VESP8266PG143.3VR312KC510P3.3VR11KPB10PB113.3VSD_01DIOSD_D1DIOSD_CLK CLKSD_CMD CSSD_D3WPSD_D2HOLDVDDALNAVDD3P3VDD3P3VDD_RTCTOUTCHIP_ENXPD_DCDCGPIO5SDIO_DATA1SDIO_DATA0SDIO_CLKSDIO_CMDSDIO_DATA3SDIO_DATA4VDDGNDEX_RSTBRES12KVDDAVDDDXTAL_INXTAL_OUTXTAL_OUTUOTXDUORXDMTMSMTD1VDDPSTMTCKMTDOGPIO1GPIO0GPIO4图2通信模块引脚接线图Fig.2 Pin wiring diagram of the communication module2.2数据采集模块设计系统采集模块主要分为空气温湿度采集模块、土壤湿度采集模块、图像采集模块。数字量采集的模块通过I2C总线接收信息，具体包括温湿度数据及图像传感器数据8。图像传感器模块选用的是适用于高灵敏度低亮度的OV7670传感器，模拟电压2.53 V，操作温度-3070，稳定工作温度 050。通过 I2C 接口，能够对图像的饱和度、色度、白平衡和伽玛曲线进行处理。DHT11模块用于对空气温度湿度进行采集9，因农作物对环境温度变化有一定的抵御能力，故不需要较高的精度，使用DHT11传感器完全能满足系统要求。其电压随温度线性变化，转化范围为35.5 V。湿度传感器YL-69对土壤湿度进行检测，A0引脚输出数值范围为 0100。当传感器悬于空中时，A0 引脚输出 100。插入土壤中，根据土壤的介电常数不同，输出不同的模拟量。各传感器模块引脚接线图见图3。PE4PE5PA8PC5PA2PC4PD4PA3WENOEOV7670VDDGNDXCLKRCLKRRSTWRSTSIO_CSIO_DDOODO1DO2DO3DO4DO5DO6DO7HREFVSVNCPB8PB9PB10PB11PB12PB13PB14PB15PC6PC73.3VYL_69AOUTVCCGNG3.3VPD7VCCDATANCGNDDHT11PD63.3VR74.7K图3各传感器模块引脚接线图Fig.3 Pin wiring diagram of each sensor module2.3调节模块设计调节模块主要通过继电器模块SRD-05VDC-SL-C实现对电磁阀、通风机和加热器的控制10，完成对大棚环境参数的调节。调节模块电路图见图4。电磁阀加热器通风机负极220 VDC+DC-IN1IN2IN3NC1NC2NC3COM1COM2COM3VCCGNDIN1IN2IN3图4调节模块电路图Fig.4 Circuit diagram of regulating module3系统软件设计系统软件主要包括主程序、各模块子程序和OntNet云平台搭建11，具体有：空气温湿度采集程序、土壤湿度程序、图像采集程序，串口驱动程序及OntNet云平台上传程序和调节模块控制程序。3.1OneNET云平台OneNET是中国移动打造的一款PaaS物联网开放平台，能够快速为开发者实现设备接入与设备连接，实现设备产品的开发部署，为智能家居、智能农业等应用提供完善的物联网解决方案。首先，在OneNET平台官网注册账号并创建物联网项目；其次，前端数字检测设备按照MQTT协议接入、摄像头按照RTMP（ODVP）协议接入；最后，通过WIFI模块将采集到的数据传输到OneNET平台12。也可以通过网页发布控制指令，控制物联网设备的运转。3.2主程序设计智慧大棚控制系统下机位程序是在KeilVision5环境下开发，使用C语言编程。先初始化调试串口、温湿度传感器接口、土壤湿度传感器接口和USB串口。接着初始化与主控芯片相连的总线接口和GPIO口，包括连接继电器的端口以及电源控制端口等。最后微控制器通过UART总线获取传感器数据，并接收来自物联网平台的指令，平台成功上传后用户可实时了解大棚内部情况13。主程序流程图见图5。理论研究许梁，杜治锐：基于复合PID算法的农业测控系统设计70开始初始化初始化成功YES配网配网成功YES连接服务器连接成功YES数据采集与上传云平台接收指令执行云平台指令设备运转结束NONONO故障提示配网失败显示显示重新连接图5主程序流程图Fig.5 Main program flowchart3.3复合PID控制算法设计在完成对环境参数的滤波处理后，根据PID参数的自整定原则，将模糊控制器选取2输入3输出模式。分别选取温湿度值与设定值之差e以及偏差ec作为模糊控制器的输入变量，然后经过模糊化、解模糊化运算处理，与PID控制器初始值相加，最后输出输出变量为Kp、Ki、Kd。根据PID参数对输出特性和环境特性的影响，结合大棚内温度参数变化的不同趋势，总结出PID算法的自整定原则：当输入偏差较大时，为了加快响应速度，此时应选取较大的，另外为了避免超调效应，应选取较小的；当输入偏差较小时，为了使系统保持良好的稳定性，Kp与Ki应较大，Kd取适中，从而避免系统的震荡。湿度