基于无线传感器网络的温室控制系统研究

论文摘要

温室是设施农业的重要组成部分,是现代农业发展的重点之一,它能够在多变的自然条件下为作物生长创造一个适宜的环境,从而缩短作物的生长周期,增加经济效益。温度和湿度是温室内最重要的环境因子,它们之间存在非线性强耦合关系,增加了控制难度。针对这一问题,本文研究了一种基于无线传感器网络和模糊PID的智能温室控制系统。温室气候建模是实现温室控制的关键之一。本文首先分析了温室环境中的主要热力学过程,建立了温室的一般机理模型,根据模型反映出的信息,布置传感器网络节点,通过采集信息的计算结果控制适合作物生长的环境因子变化范围。此外,为实现温室主要环境因子的优化调控,本文对温室控制系统进行了整体结构设计并对其硬件进行选型。本文依据对温湿度耦合关系的分析,设计了基于模糊PID温湿度控制器。该控制器是在温湿度有无耦合关系的情况下分别设计的。在不考虑温湿度耦合关系时,控制器的设计原则是依据温湿度的变化速度来调控执行机构操作顺序。而温湿度“伪”解耦控制器是依据湿度变化对温度的影响,将湿度变化时所产生的空气热量值反馈到温度控制的输入量中,使温度在原来设定的基础上得到一定量的补偿后再通过控制器进行调控。同时本文还采用了将模糊控制器与PID控制器相结合,通过阀值进行切换,使系统即有PID控制精度高的特点,又具有模糊控制的灵活、适应性强的特点。利用MATLAB软件仿真,对系统在两种情况下的控制器分别进行了测试,测试结果反映出温湿度解耦控制器动态响应曲线效果更好,超调量小,稳态精度高,能达到理想控制效果。最后,论文对所取得的成果和结论进行了总结,并对下一步工作进行了说明。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究背景与意义
• 1.2 国内温室控制技术现状及发展趋势
• 1.2.1 国外温室控制技术发展
• 1.2.2 国内温室控制技术发展
• 1.2.3 温室环境测控技术的发展趋势
• 1.3 温室环境智能控制算法
• 1.4 无线传感器网络的农业应用
• 1.5 论文的主要工作
• 第二章 系统总体设计与分析
• 2.1 系统控制对象分析
• 2.1.1 温度对作物生长的影响
• 2.1.2 湿度对作物生长的影响
• 2.1.3 温度和湿度耦合关系的理论分析
• 2.2 温室热环境模型建立
• 2.2.1 温室传热示意图
• 2.2.2 热平衡方程的建立
• 2.3 系统控制策略
• 2.3.1 潜热交换分析
• 2.3.2 本文提出的温室环境控制方案
• 2.4 系统总体控制方案
• 2.4.1 系统总体设计
• 2.4.2 无线传感器网络布置
• 2.5 本章小结
• 第三章 系统硬件
• 3.1 主控制模块
• 3.1.1 微处理器
• 3.1.2 电源电路
• 3.1.3 复位电路
• 3.1.4 时钟电路
• 3.1.5 SDRAM存储器接口电路
• 3.1.6 FLASH存储器接口电路
• 3.2 信号采集模块
• 3.2.1 微处理器的选型
• 3.2.2 射频芯片的选型
• 3.2.3 传感器板的选型
• 3.2.4 网关的选取
• 3.3 人机交互模块
• 3.3.1 LCD显示模块设计
• 3.3.2 键盘模块设计
• 3.4 声光报警模块
• 3.5 执行机构模块
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于模糊PID温湿度控制策略研究
• 4.1 PID控制
• 4.1.1 PID控制的基本概述
• 4.1.2 数字PID控制算法
• 4.2 模糊控制
• 4.2.1 模糊控制基本概述
• 4.2.2 模糊控制系统的组成
• 4.3 复合控制系统
• 4.4 温湿度控制器设计
• 4.4.1 温度控制
• 4.4.2 湿度控制
• 4.5 温湿度“伪”解耦控制器设计
• 4.5.1 温湿度“伪”解耦控制思想
• 4.5.2 温湿度“伪”解耦控制器设计
• 4.6 本章小结
• 第五章 系统测试及分析
• 5.1 测试工具
• 5.2 系统仿真研究
• 5.2.1 仿真模型确立及PID参数设置
• 5.2.2 测试比较及分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论
• 6.1 结论
• 6.2 下一步工作说明
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢