新型农业大棚控制系统仿真研究

　　摘要：新型农业大棚仿真控制系统总共可分为三大部分：系统结构、数据通信、控制算法。系统结构使用分层控制，实现农作物区域管理划分，基本事件各控制单元自行处理；数据通信，以ＺｉｇＢｅｅ通信协议为基础，设置数据发送的数据帧结构；控制算法使用基于滞回特性的模糊控制算法，设置两个阈值用于返回数值的判断，用于加强系统的稳定性和适应性。

　　关键词：ＺｉｇＢｅｅ；分层控制；模糊控制；滞回特性

　　１系统模型综述

　　世界农业的发展，已经在现代化和设施化的道路上走出了很长的距离，这种高效的生产方式已经逐渐代替了传统的农业生产方式。现代农业温室凭借着可控、可检测、高效率、高生产、管理方便及良好的经济效益等优点，已经逐渐在世界上越来越普及。系统中使用的控制结构为分层控制，其最大优点在于主要数据处理单位为最末级的控制单元，将最高层的任务下放，减轻最高层的负担。相对于传统的集中化数据处理方式，系统的数据处理能力大大增强；可以对应不同种类的种植物，分区域进行控制管理。

　　２分层控制系统

　　对于智能温室大棚来说，良好的通信手段与控制方法所带来的是数据传输的稳定、可靠与高效率。指令的明确与快速下达直接影响到整个系统的优越性，所以控制方式与方法是新型农业大棚有力的心脏。

　　２．１分层系统的概念

　　现代农业大棚发展迅速，越来越趋于大型化、复杂化，大型的大棚农业园区越来越多，一般的控制系统已经难以满足需求，因此本文提出一种“分层控制”的概念。分层控制分三层：最高层、组层和控制单元。最高层下连接组层，组层通过类和组的概念进行区分管理，每个组层下又连接多个控制单元，控制单元为最末级，也是直接控制单位，直接与各个执行单元和检测单元连接［２］。

　　２．２分层系统的组成

　　将系统分为三级，各级之间相互联系，最终形成一张足以覆盖大面积大棚群的系统控制网络。最高层下连接若干组层控制器，每个组层控制器下连接若干控制单元，直到实现网络全方位覆盖。分层控制结构如图１所示。

　　３数据通信协议

　　在现代农业大棚中，所需传输数据简单，对传输速率和传输协议要求不高，只需在固定时间内采集数据并进行控制和检测。ＺｉｇＢｅｅ技术与其他的无线传输技术相比，有着低成本、低功耗、低复杂度、传输稳定、可作稍远距离传输的特点，更适合应用于农业大棚控制系统［３］。本系统采用ＺｉｇＢｅｅ通信作为传输网络，并针对农业大棚控制系统的实际情况设计了数据帧。

　　３．１ＺｉｇＢｅｅ无线传输及其协议

　　ＺｉｇＢｅｅ是一种基于ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准的无线网络通信协议，分别提供２５０ｋｂ／ｓ（２．４ＧＨｚ）、４０ｋｂ／ｓ（９１５ＭＨｚ）和２０ｋｂｐｓ（８６８ＭＨｚ）的原始数据吞吐率，两点之间的传输距离介于１０～１００ｍ。ＺｉｇＢｅｅ节点分为三类：协调器、路由器和终端。同一网络中至少需要一个协调器，也只能有一个协调器，每个节点的１６位地址分配（自动分配）由协调器负责。协议，是指通信多方之间的一种通信标准，是一种由人为所定义的通信语言，协议定义了基本的发送格式。ＺｉｇＢｅｅ协议是基于ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准，其协议开发可分为五层：物理层（ＰＨＹ）、介质访问层（ＭＡＣ）、网络层（ＮＷＫ）、应用程序支持子层（ＡＰＳ）、应用层（ＡＰＬ）［４］。

　　３．２数据传输格式与帧结构

　　ＺｉｇＢｅｅ协议中只提供一种固定的传输标准。具体的发送格式与数据帧的具体形式，要在ＺｉｇＢｅｅ协议所制定的传输标准上进行设计，根据传输数据内容再次设计具体的数据帧结构。设计过程，即是对数据帧的设定。数据帧中要包含地址、类型号、数据类型、数据段这四个部分［５］。由于ＺｉｇＢｅｅ通信协议中已经包含了数据校验数据校验位、开始及停止位等部分，在设计数据帧时就不需要再次设计。

　　３．３传输格式各部分作用

　　３．３．１类型号类型号表示控制单元的共有属性———类的数据，直接用ＺｉｇＢｅｅ通信协议中的１６位组号来表示。这样，对某一个类的控制单元进行控制时，只需要对该组进行组播即可，这也大大提高了效率。

　　３．３．２地址不同于ＺｉｇＢｅｅ通信协议中的短地址，这里的地址是指控制单元的编号，共１６个数据位。地址共分为三部分：层号、组号以及控制单元号［６］。根据分层控制思想，层数有最高层、组层和控制单元层三种，所以层数要在数据帧中占２位。其余１４位由组号以及控制单元号组成，根据分组中控制单元的最大个数来决定。为保证组层控制器的控制可靠性，每个分组中的控制单元个数一般应控制在１２７个以下，故控制单元号应占７位，剩下的７位为组号，规定层号全零的控制器为总控制器，控制单元号全零的控制器为层控制器。

　　４控制算法

　　一个控制系统的搭建，必须要依据一种规则或方式进行控制，即控制算法。此次新型农业大棚仿真控制系统的搭建中，所使用的控制算法是将滞回特性概念和模糊控制相结合后的一种基于滞回特性的模糊控制算法。

　　４．１滞回特性

　　施密特触发器拥有两个阈值电压，称为正向阈值电压和反向阈值电压，两个阈值电压之差称为回差电压。输入电压从低到高逐渐上升时，当电平高于某一电压值时，输出值变高，这一电压值称为正向阈值电压；输入电压从高到低逐渐下降时，当电平低于某一电压值时，输出值变低，这一电压值称为反向阈值电压［７］。在电压传输曲线上，此特性呈滞回性，两电压之间，称为回差电压。回差电压中，无论电压如何变化，输出保持不变。如图３所示。

　　４．２基于滞回特性的模糊控制算法

　　在控制系统的算法设计中，可应用基于滞回特性的模糊控制方式，设置正向阈值和反向阈值模拟回差电压，此回差值直接影响模糊度。模糊度越大，控制的精越低。当将基于滞回特性的模糊控制算法使用到控制系统中时，首先要设置两个阈值，相当于设置模糊区间。当超出模糊区间的范围时，就执行对应动作。其优点在于系统无须一直调节，允许数值有一定的变化幅度，增强了系统的容错率。５结语新型农业大棚控制系统搭建中的所有涉及的技术框架的开发成本较低，所设计的方案中，从通信系统、传输方式到控制系统和控制算法都进行了分析。通信系统我们主要使用ＺｉｇＢｅｅ无线通信技术，解决了以往现代农业大棚中铺设线路烦琐、复杂和难以检修的问题；将分层、分类、分组思想融入设计过程中，以便通信对控制系统更好地服务；控制系统中，通过分层控制思想，将数据处理任务下放，保障系统稳定，减轻最高层任务繁重问题，分批分区分类进行控制，方便数据收集和任务控制；控制算法中，使用模糊控制，解决系统运行过程中的不确定性，使用滞回特性式的模糊控制方法，将判断所允许范围增大，解决数据波动所导致的命令不断重复下达问题，增加系统包容性与适应性。

　　参考文献

　　［１］付玉志．基于ＺｉｇＢｅｅ技术的智慧农业实时采集和远程控制系统［Ｄ］．杭州：浙江大学，２０１５．

　　［２］王科．基于ＦＰＧＡ和ＡＲＭ的发射机功放控制系统设计［Ｄ］．成都：成都理工大学，２０１８．

　　［３］姜威．基于ＺｉｇＢｅｅ及ＧＰＲＳ的蔬菜大棚远程无线监测系统设计［Ｄ］．沈阳：沈阳工业大学，２０１８．

　　［４］李妤薇．基于ＺｉｇＢｅｅ的无线传感器网络协议研究与设计实现［Ｄ］．南京：南京邮电大学，２０１４．

　　［５］周玉山．基于ＦＰＧＡ的多通道ＳＡＴＡ接口设计与实现［Ｄ］．西安：西安电子科技大学，２０１７．

《新型农业大棚控制系统仿真研究》

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