焦鹏邈 李波 白翠艳 刘浩 刘禧琛 李林琦

摘 要：针对传统温室大棚存在的低效率、高成本、非自动化等问题，围绕增量式PID算法以及物联网技术提出了基于“检测、控制、再设定”的参数改进方案。采用增量式PID控制算法调节环境参数在给定的范围内波动;采用精准滴管控制模式，降低滴灌水量;采用OneNET云平台对植物的生长情况进行远程监测;采用TCP/IP通信，通过手机APP的无线参数输入进行远程控制。最后通过实验验证了方案的可行性和有效性。

关键词：增量式PID;精准滴管控制模型;OneNET云平台;TCP/IP通信;环境参数;手机APP

中图分类号：TP39文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）11-00-03

0 引 言

随着工业4.0时代的到来，温室大棚逐渐向全自动化、智能化发展。对于温室大棚来说，最重要的管理因素为温湿度、光照强度、CO2浓度的控制。传统的控制方法是在温室大棚内放置测量仪器，根据读取的数值人工调节大棚内的各项参数。随着温室大棚规模的提高，人工控制很难满足需求[1]。

因此我们结合温室栽培的特点对大棚内各项参数进行动态采集、自动PID控制、远程监控以及手机APP远程控制，实现全天候、集中式、高效的温室大棚监控及管理。

1 温室大棚的系统结构

“基于PID算法的智能温室大棚”是集数据采集、数据处理、反馈控制、远程访问等功能于一体的软件和硬件相结合的系统。系统从功能上主要分为三大子系统：环境参数的自动控制系统、基于云平台的远程监测系统以及手机APP远程控制系统。系统整体设计如图1所示。

2 环境参数的自动控制系统

2.1 自动调光

温室大棚采用增量式PID控制算法，利用光照传感器采集大棚内的光照强度构成负反馈，控制单片机产生PWM波信号，调节植物灯的亮度，使棚内的光照强度稳定在给定值[2]。自动调光控制原理如图2所示。

传统的PID算法采用按照偏差的比例P、积分I和微分D进行控制的PID调节器。算法中的比例系数kP、积分系数kI和微分系数kD的整定是影响控制效果的关键[3]。图3为传统PID算法原理。

圖3中，r（t）为给定值，y（t）为输出值。PID算法在计算时要对偏差e（k）进行累加，运算量大，且长期运行容易积分饱和，因此本系统采用增量式PID算法。增量式PID是通过对控制量的增量（本次控制量和上次控制量的差值）进行PID控制的一种控制算法。相对于普通PID控制算法，增量式PID的算式中无需累加，控制器增量?u（k）的确定仅仅和最近的三次采样值有关，容易通过加权处理获得比较好的控制性能。增量式PID算法公式[4]：

式中：TI为调节器的积分时间;TD为调节器的微分时间;T为采样周期。根据公式（2），画出增量式 PID控制算法程序流程，如图4所示。

2.2 精准滴灌

传统的灌溉属于开环方式，很难控制灌溉的水量，造成水资源的严重浪费。而采用精准滴灌的方式给植物浇水能有效提高水资源的利用率。为达到精准滴灌的目的，建立了滴管控制系统，采用分阶段滴管控制算法，利用土壤湿度传感器采集土壤的湿度值构成控制的负反馈，产生PWM波信号控制水泵的开启程度。滴管控制原理如图5所示。

由于温室大棚采用的是精准滴管，相对于灌溉，其水流速很慢，故假设水阀张开角度为特定的θ角时，其滴管水流速恒定为v1。因此每一个θ角都对应一个滴管水流速v1，即v1=f（θ），其中f为θ到v1的映射，该映射关系与水阀的种类有关，不同的水阀可以通过实验测得。在本系统中，我们所用的水阀可以精准控制其张开角度θ，且θ和所给PWM信号的占空比α成线性关系，即θ=kα+b，其中k为线性比例系数，b为截距，综上有：

在实际情况中，水的渗透是一个非常复杂的偏微分模

型[5]，但是在本系统中，由于水的渗透速度非常小，其微小的变化对系统的控制影响比较小，因此在连续滴管中可以将水的渗透模型简化为一个简单的恒速渗透模型。记水渗透速度为v2，植物生长箱的土壤面积为m×n，滴管时间为t。当v2t≥min{m， n}，可以认为水已经第一次渗透到生长箱的所有土壤。

在很多控制系统中都采用PID控制算法进行精准控制，但是一个良好的PID控制系统必定需要相应的超调量。在温室大棚的湿度控制中，具有超调量的PID控制算法不太适用[6]。因为湿度一旦有了超调量就无法通过其他路径使湿度值下降。因此温室大棚采用“分阶段滴管控制”，即当v2t≤min{m， n}时，采用比例负反馈控制滴管速度;当v2t>min{m， n}时，采用恒速滴管。通过土壤湿度传感器时时监测当前的土壤湿度。记当前的土壤湿度值为H1，系统设置的土壤湿度阈值为H2，两者偏差?H，即

所以当v2t≤min{m， n}时，α=kP?H=kP（H1-H2）。为了使系统无超调，当v2t>min{m， n}时，以一个恒定较小的速度v1s滴灌，求出对应v1s的占空比α为。精准滴管的控制模型如下：

3 基于云平台的远程监测系统的设计

农业环境监测具有分布离散且相互独立的特点，每个温室大棚内部的农作物生长环境各自独立，数以百计的温室大棚的环境数据需进行集中管理[7]。温室大棚的上位机基于OneNET云平台开发。OneNET是一个开放的物联网服务平台，用户可以免费注册账号并使用此平台。OneNET管理平台上的资源包括用户、产品、设备、APIKey、触发器、应用等。

3.1 OneNET云平台接入

OneNET作为一个免费开放的云平台，可被广泛应用于不同领域[8]。在此，将其作为温室大棚监测平台的上位机，下位机与其接入的步骤如下。

（1）创建产品。首先需要在OneNET云平台创建一个公开协议产品，并且设备接入协议选择HTTP，创建产品后，记录该产品的产品ID和APIKey。

（2）创建设备。在创建好的产品下点击添加设备，输入设备名称和鉴权信息（即设备编号），记录该设备ID。

（3）建立HTTP连接。HTTP服务器地址域名为jjfarfapi.heclouds.com（IP地址：183.230.40.33），端口号为80。

（4）数据点上传。使用HTTP封装格式和SDK中提供的接口函数将数据上传到平台。

（5）查看数据流。在OneNET云平台上找到设备管理-数据展示，进入数据展示页面，点击下拉菜单，通过坐标图可以查看相应数据流下近期上传的数据值。

（6）应用生成。数据上传成功后，可基于这些数据所属的数据流进行应用以及触发器的创建。

3.2 云平台上位机展示

本植物生长箱系统的主要功能在于监测生长箱内的温度、湿度、CO2浓度以及光照强度等环境参数。OneNET云端上位机显示如图6所示。

由图6可知，上位机由两部分组成，上方4个图像显示生长箱的温度、湿度、CO2浓度以及光照强度。下方一排表盘是这4个环境参数的设置阈值。通过云平台上位机，使用者可以随时远程监测生长箱内的生长情况。

4 手机APP远程控制系统

手机APP远程控制系统基于TCP/IP通信[9]与Android平台[10]开发，使用者仅通过手机APP就能够对温室大棚的给定参数进行无线输入，极大地简化了用户操作。温室大棚采用无线路由器作为中间连接装置，手机客户端采用Android Java开发，结合Socket完成网络通信和数据交互。最终编译后打包生成APK安装文件在Android手机上安装，对比传统的按键输入，其具有不受环境、时间、地域、距离等因素影响的特点，同时还可通过用户手机进行远程控制，操作方便灵活。用户端设计算法流程如图7所示。

当用户打开客户端APP时，程序先进行界面初始化，然后用户输入服务器的IP地址及端口号。点击“连接”按钮，若“设置”按钮激活，且系统提示“连接成功”，说明客户端与服务器连接成功。接着用户在对应地方输入给定参数，最后点击“设置”按钮。若系统提示“设置成功”，则说明用户设置的给定参数已成功输入下位机。

本系统主要包含2个Activity和3个XML脚本文件。我们可以根据不同的底层协议来实现，选用基于TCP/IP协议的Socket通信方式。同时为了提高系统的通信效率，将Socket通信的接收部分放在独立线程Thread中执行，以保证系统的快速性。

为了避免通信中出现偶然因素导致接收的数据不准确，采用“自定义通信协议”，发送数据格式：# data1 % data2 % data3 % data4 % data5。其中“#”表示起始信号，“%”表示两个数据的间隔，data1，data2，data3，data4分别表示温度、湿度、CO2浓度和光照强度，data5表示前4个数据的和，如下：

当下位机接收到的数据满足上述等式时，则认为数据接收无误，否则视为无效接收，舍去接收到的数据。用户端界面如图8所示。

5 结 语

节能型智能温室大棚控制系统在传统的温室大棚控制策略上提出了通过增量式PID算法对温室大棚环境进行自动控制;结合OneNET云平台进行远程监管;采用手机APP对温室大棚进行远程控制，让农业大棚的控制更加便捷，同时也提高了系统的稳定性和能源利用率。

参 考 文 献

[1]章智杰.莒南縣温室大棚发展现状及对策研究[J].农村经济与科技，2019（3）：201-203.

[2]刘亚伟.基于物联网技术的智能温室大棚控制系统研究[D].长春：长春工业大学，2018.

[3]唐玉红.PID控制方法研究[J].电子世界，2019（7）：65-66.

[4]严晓照.增量式PID控制在温控系统中的应用[J].南通大学学报，2006，5（4）：48-51.

[5]蒋玮，沙爱民，肖晶晶，等.透水沥青路面的储水渗透模型与效能[J].同济大学学报，2013，41（1）：72-77.

[6]谭志君.基于多变量控制的智能温室控制系统[D].上海：东华大学，2015.

[7]宋俊慷.农业温室大棚远程监测平台设计[J].民营科技，2018（7）：147-149.

[8]侯杰林，张青春，符骏.基于OneNET平台的水质远程监测系统设计[J].淮阴工学院学报，2016，25（3）：10-13.

[9]龚峰文.嵌入式TCP/IP网络通信协议的实现[J].硅谷，2008（24）：53.

[10]高南虎.基于安卓的远程监控系统的设计与实现[J].科技风，2018（2）：77.