基于温湿度模型的温室温湿度智能调节系统的设计

关 静，胡圣尧

(1．江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏镇江212013;2．常州工学院电气与光电工程学院，江苏常州213002)

近年来，国内外的设施农业在快速发展。多数国家的设施农业以温室为主，荷兰、日本、以色列等国家的设施农业非常先进。其设施设备的标准化程度，设施综合环境调控及农业机械化水平，均居世界领先水平。我国于20世纪80年代提出设施农业的概念，温室在我国发展迅速，栽培面积超过380万hm2［1］。虽然我国栽培面积巨大，但是我国的温室在环境调控水平方面与发达国家相比仍有较大的差距。关于温室的温湿度调节，很多学者从温湿度模型和控制算法两方面展开了卓有成效的研究。

1 温室温湿度模型

国外针对温室温湿度的研究主要为1971年Takakura T．建立了一个比较完善的单层玻璃的温室模型，但Benli认为其通用性比较差［2］。CBAKOS等研究了温室环境变化与温室通风之间的关系，并建立了关系模型［3］。Ozgener等研究了温室湿度与温室内作物蒸发量的关系，并建立了预测和优化模型［4］。Tap RF使用温室内温度、温室内土壤温度、温室内二氧化碳浓度、温室内湿度和加热管的温度建立了5个一阶微分方程全面描述了温室环境的变化规律［5］。

在国内，范云翔等建立了温室内温度、湿度和光照与温室内水汽量消耗之间的模型关系［6］。张立彬等根据温室内的能量热平衡关系，研究了温室小气候环境的动态模型［7］。杨其长等研究了温室系统中的环境因子，针对温湿度调节和节能性，研究了温室内的热平衡关系式，建立温室内热平衡模型［8］。马万征等研究了Venlo型联栋玻璃温室温湿度动态模型，并进行了黄瓜的栽培试验，被验证模型参数与实测参数吻合度非常高［9］。

该研究试验在江苏大学Venlo型玻璃温室内进行，在Tap RF的温室模型［5］和马万征等Venlo型温室的温湿模型［9］的基础上，从温室环境控制角度对上述2种模型进行了整合与修改，修改后的温湿度模型如下:

(1)温度模型。

式中，Tin为温室内的温度;Tout为温室外的温度;V为温室的体积;ρ为空气密度(1．2 kg/m3);Cρ为温室内气体定容比热(1．005 J/kg·℃);K为太阳能辐射能被温室空气吸收的传热系数;hc为温室覆盖层与温室内气体的对流换热系数;Ac为温室覆盖层的面积(m2);λE为作物蒸发潜能速率(m/s);Vin为温室内自然通风率(m3/s);Qrad为投在温室覆盖层的太阳辐射(W/m2);Qheat为加热器的加热功率(W)。

(2)湿度模型。

式中，qin为室内空气绝对湿度;qout为室外空气绝对湿度;V为温室的体积;λE为作物蒸发潜能速率(m/s);Vin为温室内自然通风率(m3/s);Ac为温室覆盖层的面积(m2)。

2 控制算法

依据上述设计的Venlo型温室的温湿度模型进行温度、湿度调节时可以明确调节设备及各个调节设备的调节效果。通过采集温室内部温度、湿度作为反馈信号，控制温室内的通风设备、遮阳设备、水帘设备、水暖设备、喷洒设备等温湿度调控设备，实现温室环境的智能控制。

温室环境系统具有大时滞和多变量耦合的特征，针对这个特征采用模糊PID控制算法。PID控制算法原理表示为:

式中，e(t)为给定量与输出量的偏差;c(t)为控制器输出;Kp为比例系数;TI为积分时间常数;TD为微分时间常数。

设计PID控制算法首先需要确定Kp、TI、TD的值，即对PID控制器的参数整定。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。

根据微型温室温湿度控制模型，测量微型温室实际环境，PID控制器参数整定的方法使用临界比例法。整定步骤如下:①首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作;②仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期;③在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

温度PID控制的比例系数Kp取值范围为0．2～0．6，积分时间常数TI取值范围为180～600 s，微分时间常数TD取值范围为300～900 s。湿度PID控制的比例系数Kp取值范围为0．1 ～0．25，积分时间常数 TI取值为240 ～900 s，微分时间常数TD取值范围为300～1 200 s。

根据微型温室温湿度模型可知，影响微型温室温湿度的因素非常多，由于环境参数的多变性，在不同的阶段，模型表达式的系数是时变的，不能精确表达微型温室温湿度控制系统。在这种情况下，温度、湿度的PID控制参数不确定，通过模糊控制控制与PID控制相结合的方式，实现对微型温室温湿度的控制。

温度控制范围为［－2℃，2℃］，湿度控制范围为［－10%，10%］，论域为{－2，－1，0，1，2}，相应语言值为{负大，负小，零，正小，正大}。设温度的比例系数为KWP，积分时间为TWI，微分时间为TWD;设湿度的比例系数KSP，积分时间为TSI，微分时间为TSD。各种参数设定值见表1。

表1 参数表达式

对于温室的温度，以温度偏差ew和温度偏差变化率ecw作为输入，以△Kwp、△Twi、△Twd作为输出。对于温室的湿度，以湿度偏差es和湿度偏差变化率ecs作为输入，以Ksp、Tsi、Tsd作为输出，得到表 2 和表3。

3 硬件平台

硬件系统由2部分组成，主控制器和无线温湿度采集器。主控制器由微处理器最小电路、CC1101无线通信电路、CAN/RS485通信电路、继电器驱动电路、电源电路、人机交互电路、电源几个部分组成。主控制器的微处理器采用STM32F103C6，最高运行频率高达72 MHz，内置128 Kb的Flash存储空间，20 KB的RAM，3路16位定时器，支持多个I2C、USART、SPI、CAN、USB2．0 通信接口。无线通信电路采用CC1101芯片，工作频率为915 MHz，传送数据帧长度为32个字节，温室内实测的有效传输距离为100 m。系统内设计了16路继电器驱动电路可同时控制16路无源触点信号，操控通风、遮阳、水帘等设备。

表2 温度模糊控制输出

表3 湿度模糊控制输出

无线温湿度采集器包含电源、微处理器最小电路、温湿度传感器电路、CC1101无线通信电路。SHT15温湿度传感器，湿度为精度2%，湿度重复性为0．1%，温度精度为0．3℃电路，温度重复性为0．1 ℃，工作电压为2．4 ～5．5 V，2 线制数字接口。CC1101无线通信电路与主控制器相同。

主控制器与无线温湿度采集器之间采用自组网的通讯方式进行通信。

4 测试数据及结论

该研究实验在江苏大学Venlo型温室内完成。温室内配置一个主控制器和20个无线温湿度采集器。测试时间为2015年04月24日，镇江最高气温26℃，最低气温14℃，栽培作物为生菜。生菜喜冷凉气候，忌高温干旱，耐霜怕冻。生菜的最佳生长温度为15～20℃，湿度为80%。该温室内湿度一直保持在80%以上。

温室内的温湿度采集周期为30 min，设定的温度曲线为前10 h为15℃，中间7 h为18℃，后7 h为16℃。温室内外的温湿度曲线如图1所示。

由于早晨温度为14℃，偏低1℃，在设定的误差范围2℃之内，不加热升温，到中午之后温度偏高，且外部温度也略偏高，采用窗口通风和水帘组合降温的方式。从图1可以看出，温度变化按照预期设置的曲线，误差在设定的范围内，同时也验证了模型是正确的。

［1］刘健．我国设施园艺工程存在的主要问题与对策［J］．现代化农业，2006(1):38 －40．

［2］BENLI H．Energetic performance analysis of a ground－source heat pump system with latent heat storage for a greenhouse heating［J］．Energy Conversion and Management，2010，52(1):581 －589．

［3］CBAKOS G，FIDANIDIS D，TSAGAS N F．Greenhouse heating using geothermal energy［J］．Geothcrmics，1999，28(6):759 －765．

［4］OZGENER O，HEPBASLI A．Experimental performance analysis of a solar assisted ground-source heat pump greenhouse heating system［J］．Energy and Buildings，2005，37(1):101 －110．

［5］TAP R F，VAN STRATEN G，VAN WILLIGENBURG L G．A dynamic model for the optimal control of greenhouse tomato crop production［D］．Wagenigen:Wagenigen Agriculture University，2000．

［6］范云翔，孙廷琮，杨子万．智能型温室环境控制器的研究开发［J］．农业工程学报，1997，13(5):34 －39．

［7］张立彬，胥芳，陈教料，等．玻璃温室小气候温湿度动态模型的建立与仿真［J］．农业机械学报，2005，36(11):108 －111．

［8］杨其长，孟力力，BOT G A，等．日光温室热环境模拟模型的构建［J］．农业工程学报，2009，25(1):164 －170．

［9］马万征，李忠芳，章芳定．Venlo型联栋玻璃温室温湿度动态模型研究［J］．北方园艺，2012(17):49－51．