采用广义预测控制与物联网的智能温室灌溉-《江苏农业科学》(2017年12期).docx

龙源版权所有 采用广义预测控制与物联网的智能温室灌溉作者：瞿国庆 施佺来源：《江苏农业科学》2017年第12期 摘要：针对当前商业温室自动灌溉系统控制成本、用水量较高的问题，提出一种基于广义预测控制与物联网的智能温室灌溉系统。首先，采用农作物的蒸腾作用模型触发事件的产生；其次，将基质湿度值与事件产生模块的输出作为广义预测模型的输入；最终，将零阶保持器模块的输出作为驱动系统的输入，控制温室灌溉系统的开启与关闭。基于事件的控制器包含2个部分：事件检测器与控制器，事件检测器决定是否将新发生的事件通知控制器，控制器由1组广义预测控制器组成，当检测到1個新的事件时，根据时间点选择其中1个广义预测控制器。在南通地区的连栋温室试验结果表明，本控制系统在实现有效温室灌溉效果的前提下，降低了20%的用水量，并减少了灌溉系统的开启时间，降低了控制的成本。 关键词：广义预测控制；物联网；智能温室系统；精细农业；灌溉效率 中图分类号： S126文献标志码： A文章编号：1002-1302（2017）12-0152-05 的，所以采用统一的施肥时间、施肥量以及灌溉处理[1-2]。精细农业与传统农业相比，主要有以下3个特点[3]：（1）合理施用化肥，降低生产成本；（2）减少并节约水资源；（3）节本增效，省工省时，优质高产。自动化灌溉系统是精细农业中一个重要的组成部分。 目前，许多研究人员设计了有效的自动灌溉系统。石建飞等设计了以PLC为控制核心、通过无线通信方式实现对水稻农田的土壤水分、水位、设备工作状态等数据进行采集分析的系统[4]，提高了灌溉和施肥的均匀性、及时性和简便性。魏义长等利用拥有自主知识产权的土壤水分传感器、数据采集控制模块、数据传输模块、管道流量计等硬件及其自主编制的土壤墒情监测与精准灌溉控制软件，实现了节约用水、提高产量、改善作物品质的效果[5]。魏凯等基于ZigBee技术，采用HMI与PLC交互平台的模糊PID闭环控制系统，研制了一种可以自动实现精确控制灌溉水量和恒定管网压力的滴灌自动控制系统[6]。Shin等为无土栽培系统设计了基于PLC的滴灌灌溉系统，该系统考虑了光照、蒸腾作用以及排水系统等因素对无土栽培用水量的影响[7]。石建飞等、魏义长等、魏凯等的方案主要是通过物联网技术对土壤的湿度进行实时监控，根据检测的土壤湿度值实时控制灌溉水量与时间[4-6]，Shin等则考虑到光照、蒸腾作用的影响，设计了更为精细的自动灌溉系统，其节水效果较好[7]。 现有的设计方案主要根据土壤湿度对水分进行适量的补偿，但鲜有研究考虑蒸腾作用、光照度的变化对农作物需水量的影响，导致自动灌溉系统的用水量与控制成本较高。本研究设计了基于广义预测控制与物联网的动态灌溉系统，试验结果显示，本系统在实现普通商业灌溉系统灌溉性能的同时，可明显地降低灌溉成本与控制成本。 1温室灌溉系统 1.1温室环境 本研究的数据来自于江苏省南通市的农业温室实验室，如图1-a所示，农作物生长于700 m2的连栋温室中，温室顶棚为聚乙烯塑料顶，温室的高度可调节。温室方向为东西方向，农作物为南北方向分布。 在洛科威岩棉复合板上培养西红柿幼苗，西红柿作物密度是2株/m2，在西红柿开花之前将其移栽到平板上。通过1个滴灌灌溉系统对西红柿无土栽培输送标准的营养液，每个平板设置3个滴灌发射器。采用图1-b所示的微型蒸渗仪测量灌溉水量、排水量以及作物的水流失量，图1-c所示是本试验环境的简要结构。 1.2蒸腾模型 参数化黑盒模型可代表任意的系统，本研究采用32MISO ARMAX模型家族[8]来代表蒸腾的动态，该模型包含2个输入，即太阳辐射度、蒸汽压亏缺输入，模型的结构如下所示： A（z-1）y（t）=B（z-1）u（t-nk）+C（z-1）e（t）。（1） 式中：y（t）是模型中离散化时间t时估计的蒸腾量，A（z-1）、C（z-1）分别是na、nc阶的首一多项式，其中z-1表示后移算子，B（z-1）=[B1（z-1）B2（z-1）]是1×2维的向量，包含2个多项式，两者的阶均为nb，u（t-nk）是一个2×1维度的列向量，包含模型的输入参数u（t-nk）=[u1（t-n1k）-u2（t-n2k）]，其中u1（t）=VGR（t），u2（t）=VVPD（t），n1，2k是每个输入相关的离散化时间延迟，e（t）是估计误差，VGR（t）是日射辐照 度变化函数，VVPD（t）是蒸汽压亏缺变化函数。因此可得： y（t）=∑nai=1aiy（t-i）+∑nbi=0b1iu1（t-i-n1k）+∑nbi=0b2iu2（t-i-n2k）+∑nci=0cie（t-i）。（2） 式中：i表示离散时间的起点，ai、ci分别是na、nc阶的首一多项式元素值，b1i、b2i分别是B1（z