黄 侠，吴 舰，吴 楠

（贵州师范大学机械与电气工程学院，贵阳 550001）

由于花卉种类繁多，在花的成长培育中温度、湿度、光照强度、二氧化碳的浓度等都对其生产有着重要影响，在一年四季中有些花卉在春天季节盛开在秋天凋谢，有的甚至冬天盛开在春天凋谢。各种花卉对温室温度的要求不一样，一般可以分为冷室温室花卉、低温温室花卉、中温花卉和高温温室花卉[1]。随着现代农业的发展，温室能够通过人工控制环境因素，满足植物的最佳生长条件使得生长环境得到优化，合适的温度场分布可以提高作物产量，但温室环境系统由于自身的复杂性，各环境因子间又相互影响，传统的控制很难达到满意的控制效果。

该文是针对大棚花卉种植的温度智能模糊控制的研究，由于控制对象的复杂性无法给出确切的数学模型[2]，智能模糊控制的鲁棒性强，恰恰对此可以达到满意的效果，运用农业信息专家库，可以对温度进行智能调节，对花卉的种植进行温室培养，使得花卉的生长环境得到优化，减少因天气季节变化而造成的损失，提高种植效率和质量。

1 模糊控制系统

1.1 模糊控制系统的基本原理

模糊控制系统是一种自动控制系统，与传统的控制比较就是多加利用模糊集合理论，把人的模糊控制策略转化为计算机所能接受的控制算法，进而实施控制的具有反馈通道、闭环结构的数字控制系统[3]。它能够模拟人的思维方式，对无法构建数学模型的系统可以进行有效的描述和控制。

模糊控制系统的核心是模糊控制器，是数字信号经过模糊化变成模糊量，再送入含有模糊规则的模糊推理模块中，再经过近似推理得到结论也就是模糊集合，然后被清晰化模块变成清晰量，再输出到下一级去调节被控对象。

模糊控制器有3个核心部分组成：模糊化模块，模糊近似推理模块，清晰化模块。

1.2 模糊控制器的设计

控制器是双输入单输出的二维模糊控制器，其原理如图1，输入清晰量e和其变化率de/dt，Ke和Kec是量化因子，是输入变量从基本论域变换到相应模糊集的论域需要乘上的因子，经隶函数模糊化后，输入变量是大棚花卉的温度偏差E和温度偏差变化率EC，输出变量为调整值U，Ku是比例因子，是输出量从模糊集的论域变换到基本论域必须乘上的因子，u是清晰化值。

式中，E—温度值的偏差；T—温度值的测量值；T0—温度值的设定值；EC—温度偏差的变化率。

利用MATLAB中的FIS编辑器进行设计一个双输入单输出的Mamdani控制器[4]，其中清晰量输入变量是e，ec，u；经隶函数将其模糊化，其模糊集为E、EC、U；不同的系统选取不同的隶函数也不同，根据其实际情况，此系统选择三角形隶函数。

图1 二维模糊控制器原理

对基本论域模糊化的处理，一般花卉生长的温度e的基本论是在 [0，30]摄氏度，温度偏差的基本论域为［-5，+5］摄氏度，设二者对应的模糊论域为：

E 的论域 {-6， -5， -4， -3，-2，-1，0，1， 2，3， 4， 5， 6}；

EC 的论域 {-6， -5， -4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

其输入语言变量选择 {NL（负大），NM （负中），NS（负小），ZE （0），PS （正小）， PM （正中）， PL （正大）}。

花卉温度偏差E和温度偏差变化率EC都采用相同的三角隶函数，其温度偏差E和温度偏差变化率的隶属度函数如图2。

图2 温度偏差隶函数和温度偏差变化率隶函数

温度调节输出控制量u的基本论域为 ［0，1，2，3］为4个等级，温度调节输出的模糊论域U为｛0，1，2，3，4｝，分别对4种温度调节状态：ZO （不加热或者不通风），PS（缓慢加热或者缓慢通风），PM （中等加热或者中等通风），PB（快速加热或者快速通风），输出变量隶函数如图3。

图3 输出变量隶函数

对近似模糊推理的设置，其实就是模糊规则的设计，模糊控制规则的建立就是其控制系统的核心，就是用操作者总结的经验来制定规则从而达到有效的控制[5]。输入的模糊论域变量是 [-6，6]，E和EC的模糊语言值各设定为7个，输出变量U是对应4种等级，因此模糊语句就有49句语言规则。根据温度偏差E和温度偏差变化率EC，以及输出变化量U，可知模糊语言描述如下：

依此类推共有49条控制语言规则，得出模糊关系后可以推理计算出U，其观测图如图4。

对模糊清晰化的处理，就是对输出模糊量U的清晰化，经模糊化的输入量得出的输出结果是模糊量，是不能直接用来产生实际行动的，需要解模糊清晰化处理，一般使用最大隶属度方法进行决策，将模糊的输出变量变为精确的执行动作，达到精细的温度控制。

图4 输出变量三维曲面观测

2 系统的硬件设计

该控制系统有上位机和下位机，下位机的主要部分是大棚温度采集系统，主要是用ZigBee无线传感网络来实现信号的采集、显示及决策分析[6]。系统的下位机主要负责温度信号的采集及与上位机信息的交换，ZigBee花卉大棚数据采集系统中有一个网络协调器COORDINATOR、路由器ROUTER和多个RFD节点，网络协调器设置在管理中心，负责建立网络和管理网络，并显示当前整个网络的状况并把收到的数据通过RS232串口上传给计算机[7]。而RFD节点分布在监测地点，负责采集温度值等数据，然后发送到网络协调器，ZigBee花卉大棚数据采集系统原理图如图5。

图5 ZigBee花卉大棚数据采集系统原理

下位机的核心就是温度监测节点RFD。温度监测节点RFD，由一个CC2430模块、温度传感器盛世瑞恩DB171-10探头和电池构成，因为是无线探测需要配备电池电源。当每个RFD节点被初始化为无线传感网络中的温度探测终端设备时，RFD节点可检测自己所处的温度等数据发送给网络协调器，采集的温度数据与设定值的温度进行比较，经模糊算法分析发信号给执行器进行温度的调节。

3 系统的软件设计

运用ZigBee技术实现无线传感器组成的网络，实现下位机与上位机的通信及参数值的监测。数据的监测需要用监测节点的温度传感器来感测温度信息，采集后是否到底设定的温度，通过模糊算法进行决策调节，其控制温度的程序流程图如图6。

图6 控制程序的流程

该系统的上位机采用VB程序设计，实现无线通信采集温度数据，登入大棚监测系统进入相应监测界面，选择相应的串口和波特率，设置对应参数上、下限值，点击记录就可以实现监测与记录、报警等功能[8]。在花卉实验的温度探测中，上位机监测到的温度数据如图7，及可以数据查询如图8，根据其监测数据可对其花卉的生长的适宜温度进行决策判断，从而进行温度的调节达到设定温度。

图7 上位机程序监测界面

图8 数据查询

4 结束语

该文论述的大棚花卉种植的关键技术研究是对温室模糊智能控制系统的设计研究，对无法建立复杂的数学模型用模糊算法使温室环境满足作物对生长环境的要求，在大棚花卉的无线传感网络温度采集探测实验中，此系统温室模糊控制系统具有很好的温度控制能力，超调小，响应快，出错少，鲁棒性强，无线探测更具有低能耗，多种拓扑结构，适应多动态环境的特点，也解决了有线布线的难度问题。

[1]朱卫华，黄智伟．基于无线数字温度传感器的多点温度测量系统设计．工业控制计算机，2003，16(6):57～58

[2]何小映，杜永平．一种温度无线传输系统的设计.现代电子技术，2006，(15):119～120

[3]曾光奇，胡均安.模糊控制理论与工程应用.武汉：华中科技大学出版社，2006

[4] 朱旭光，刘建辉.农业大棚的温湿度控制系统.自动化技术与应用，2005，24（2） :45～47

[5]石辛民，郝整清.模糊控制及其MATLAB仿真.北京：清华大学出版社，2010

[6]肖燕.基于 ZigBee的无线传感器网络研究.湖南农机，2014，1

[7] 邓中华.基于ZigBee的无线温度采集系统设计.计算机工程与科学，2011，1

[8]李建飞，王炜.基于ZigBee多节点无线温度数据采集系统设计.仪器仪表用户，2012，1