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在温室的管理过程中，对农作物生长环境的监控是*重要的一步．影响农作物生长的环境参数有温度、湿度、光照和二氧化碳浓度等圈．温室控制就是对各种环境参数进行调控，使其处于温室作物生长*适宜的状态。

基于GPRS的温室大棚监控系统由PLC控制器、无线通信模块、温度传感器、湿度传感器、光照传感器、风扇、步进电机、石英加热管、卷帘设备、水泵喷雾器、触摸屏、移动通讯终端APP等组成，在实验室环境下搭建小型仿真温室大棚，实现的功能如下：

1. 1) 温度控制．根据温度传感器检测的温度值，利用通风换气风扇降温、石英加热管升温。

2. 2)  湿度控制．根据湿度传感器检测的湿度值，利用水泵喷雾器增加湿度。

3. 3)  采光拉制．根据光照传感器检测的光照强度值，在气候允许的条件下，利用步进电机驱动卷帘装置进行光照调节，在阴天应使用LED灯进行补光。

4. 4)  远程监控与报警.通过GPRS无线通信技术，在手机移动终端实现温湿度、光照强度的可视化与远程控制功能、异常状况下的短信报警功能。

2系统硬件设计

系统硬件由PLC控制系统和远程监控系统组成，如图1所示。硬件设计主要完成硬件的选型、数据采集及GPRS模块通信的实现。

图1系统硬件

2.1 PLC及其扩展模块

采用三菱FX系列PLC作为主控制器，FX3U -4 A／D转换模块与FX3U-4 D/A转换模块完成模拟量的输入与输出，GOT - 2000系列触摸屏用来完成现场环境参数的设置和控制，FX3U - 485串口用于连接PLC与无线通信模块。

2.2传感器

为提高系统的控制精度，温湿度的检测采用RS-WS-2型高精度温湿度一体式变送器．该传感器的可靠性和测量精度较高，互换性好，温度量程为- 40~120℃，湿度量程为0%~* RH，可以满足实际需要．输出模拟量为0—10 V，适于PLC进行数据采集．光照传感器采用信号稳定、精度高、防水性好、测量范围宽的JXBS-3001-GZ型传感器，输出为0—10 V，量程为0~200 000 Lux。

2.3执行器

执行机构主要包含石英加热管、工作电压直流24 V及功率60 W的喷雾泵、自动降温喷雾雾化微喷头、窗式排气扇、可控硅电子调压器、调压模块固态调压器、57BYG56 - 401A型步进电机。目前，多数的温室大棚通风机都利用开关控制，只有全速旋转与停止两种状态。本设计使用交沆调压模块智能可控硅连续调节风机的转速，以达到降温的目的，同理，对喷雾泵也使用该调压模块控制喷雾量，以达到控制湿度的目的．使用固态调压器调压模块对石英加热管进行调节，控制加热电压。

2.4远程监控的PLC硬件配置

2.4.1GPRS无线通信模块GRM202G -C

巨控科技的无线通信模块GRM202G -C圈是一款专门用于PLC远程监控的测控终端，它使用GPRS作为通信手段，内置网页发布，能够实现对PLC的远程控制．控制方式包括手机短信控制和手机、电脑网页监控。

2.4.2远程监控用户配置

①在无线通信模块内插入SIM卡并开通流量；②GRM202G-C通过RS - 485与PLC连接，读取被监控设备的状态；③GRM202G -C通过GPRS网络将数据发布到巨控云监控服务器；④远程电脑连接互联网并安装OPC SERVER，OPC SERVER可以自动从云监控服务器获取数据，上位机组态软件通过OPC接口监控PLC运行，同时记录历史报警和历史数据等关键信息；⑤手机短信读写全部PLC寄存器，完成短信报警功能；⑥用户可通过手机安装相应的APP，实现网页监控。

在云平台的网页上可以查看历史数据表格与历史报警表格，还可以直接寻出数据表格和报警表格到电脑，供打印和处理．GRM202G -C支持断线续传功能，定时记录的数据会在下次上线后补录到云服务器，所以历史数据不会丢失。

3 系统软件设计

智能控制系统是当今温室自动控制系统的热点所在，控制方法是温室自动控制系统的核心部分。在影响农作物生长的环境参数中，温度和湿度是两个*为重要的因素，而温室系统又是一个多变量、非线性、大滞后的时变系统，很难建立一个的数学模型同．针对以上问题，本设计采用模糊控制与PID相结合的*控制算法分别对温湿度进行控制。

3.1模糊PID控制功能的实现

图2为模糊PID控制系统的结构框图．图2中：K1、K2为偏差e和偏差变化率ec的量化因子；K3、K4，K5为比例参数Kp、积分参数Ki、微分参数Kd的量化因子．e和ec作为控制器的输入，然后经过模糊逻辑计算、模糊推理处理后输出为PID控制器的Kp、Ki、Kd的修正值ΔKp、ΔKi、ΔKd，然后再对3个参数进行在线调整，从而达到理想的控制效果．

图2模糊PID控制系统

（1）输入输出变量的模糊化  

温度模糊PID控制器输入变量为温度偏差e_T、温度偏差变化率ec_T，湿度模糊PID控制器输入变量为湿度偏差e_H、湿度偏差变化率ec_H．设温湿度偏差，偏差变化率，ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊集语言变量为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB)7个等级，模糊集论域量化等级为13，整数论域为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6)．实际论域e_T，为[-1，1]℃，ec_T为[-0.018，0.018]℃，e_H为[-10%，10%] RH，ec_H为[-0. 15%，0.15%] RH。隶属函数采用三角函数．温度参数的量化因子为K₃=10，K₄=0.2，K₅=0.2；湿度参数的量化因子为K₃ =20，K₄=0.5，K₅=0.4。

（2）模糊控制规则

模糊控制规则的通用表达式如下：

If E is A_n.and E_cis B_n then ΔK_p is p_n andΔK_i is i_n and ΔK_dis d_n,

式中A_n，B_n分别为偏差和偏差变化率；p_n，i_n，d_n分别为模糊控制器输出的对应K_p，K_i，K_d的修正值ΔKp、ΔKi、ΔKd,共有49条规则．根据实际经验，建立模糊规则表．限于篇幅，只列出温度模糊控制的ΔKp模糊规则表，如表1所示．

 

 

表 1 ΔKp 的模糊规则表

 （3）模糊推理

    模糊推理是模糊控制器的核心，采用Mamdani型模糊推理方法．

 （4）解模糊

解模糊就是把模糊推理得出的模糊结果修正值转变为实际的量，本设计采用重心法进行反模糊化计算．在离线状态下，计算出不同输入状态下的解模糊量，以表格的形式存放在PLC内存中．当输入量发生变化时，通过在线查表方法找到相应的修正值K_p，K_i，K_d的初始值K_p′，K_i′，K_d′通过常规整定方法获得，则Fuzzy -PID控制器的实时整定值为K_p= K_p′+ΔKp，K_i= K_i′+ΔKi，K_d= K_d′+ΔKd，从而完成对参数的在线整定。

3.2 系统软件的功能实现

系统软件程序包括现场触摸屏控制程序和GPRS无线远程控制程序，流程如图3和图4所示．移动手机终端APP控制优先级高于现场触摸屏控制，监控系统可实现参数设定、曲线趋势分析、历史数据查询、报警等功能．

图3  现场触摸屏控制流程

图4 GPRS无线远程控制流程

3. 2.1工作模式

适宜农作物生长的环境在白天与夜晚是不同的，所以本设计分为白天与夜晚两种工作模式．开机默认时间为上限7：00点、下限19: 00点，温度默认为25℃，湿度默认为50% RH，高温报警默认为40℃，低温报警默认为15℃，低湿报警为20%RH．在上限和下限以外的时间，自动模式下的温湿度比设定值分别低5℃与10% RH．在实验室运行，温度可控误差为±0.2℃，湿度可控误差为±5% RH，实验证明系统控制性能较好。