張恩瑋+++陳亮
摘 要:針對目前溫室控制系統(tǒng)中對溫室環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)不夠準(zhǔn)確、控制成本高、智能化程度低等現(xiàn)狀,綜合考慮溫室環(huán)境因素之間的相互影響,設(shè)計了一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的溫室智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),利用嵌入式技術(shù)和單片機控制組合的搭配,使系統(tǒng)更加精準(zhǔn)、穩(wěn)定,實現(xiàn)了真正的脫離人控的自適應(yīng)智能控制。系統(tǒng)是集智能檢測、通信技術(shù)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自動控制于一體的新型智能溫室控制系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞:溫室;卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);自動控制;自適應(yīng)
隨著現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的快速發(fā)展,作為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化重要標(biāo)志之一的溫室控制技術(shù)[1]也面臨著重大的技術(shù)改進(jìn)。如何提高溫室控制系統(tǒng)對溫室環(huán)境的高效、準(zhǔn)確控制,提高控制系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化[2]程度,降低系統(tǒng)成本是目前需要重點改進(jìn)的技術(shù)。針對目前溫室控制系統(tǒng)對溫室環(huán)境因子調(diào)節(jié)不夠準(zhǔn)確,控制系統(tǒng)成本高,智能化、網(wǎng)絡(luò)化程度低的不足,文章綜合考慮溫室環(huán)境因素之間的相互影響對溫室環(huán)境的影響,設(shè)計了一種應(yīng)用嵌入式加單片機控制的基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計
基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[3]的溫室智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)由四種下位機數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)傳輸線路、以及系統(tǒng)上位機三大部分組成,如圖1所示。
在溫室環(huán)境中,溫度、濕度、光照強度、CO2濃度四個因素對作物的影響最大且很難合理有效的控制調(diào)節(jié)。文章研究以上四個環(huán)境因子之間的相互影響并對其進(jìn)行科學(xué)的調(diào)節(jié)控制。本系統(tǒng)采用多個傳感器[4]完成上述所需參數(shù)數(shù)據(jù)的采集。為了實時方便的監(jiān)控大棚內(nèi)各種環(huán)境參數(shù),系統(tǒng)備有數(shù)據(jù)信息顯示界面,由中央處理器通過顯示接口外接一個LCD液晶屏,把數(shù)據(jù)采集單元(變送器)采集到的環(huán)境參數(shù),經(jīng)過打包、處理,通過RS-485銜接串口傳送給中央處理器,以此顯示大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的變化。中央處理器具備人機交互軟件,在接收多個變送器的數(shù)據(jù)后,可以顯示在用戶界面上,并且根據(jù)收集來的數(shù)據(jù)通過內(nèi)部的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序來控制系統(tǒng)硬件驅(qū)動進(jìn)行相應(yīng)的操作處理。通過觸摸屏上的按鍵可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理,還可以設(shè)定溫度、濕度、光照以及CO2濃度的限值。路繼電器以及相應(yīng)的電路驅(qū)動模塊控制相應(yīng)的設(shè)備來調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)。
2 系統(tǒng)硬件組成
本系統(tǒng)硬件由四種變送器[5]、上位機ARM920T為核心的嵌入式控制器以及單片機控制系統(tǒng)組成。這里面變送器的功能是把傳感器收集來的信號(溫度、濕度等)轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀豢刂破髯R別的電信號,傳送給中央處理器。單片機系統(tǒng)通過串口連接各個驅(qū)動模塊以及繼電器來控制大棚內(nèi)各個設(shè)備的狀態(tài)。上位機嵌入式控制器把單片機傳來的信息加工處理并且儲存在SQlite中,完成對環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的實時采集以及分析,并且根據(jù)內(nèi)部卷積自適應(yīng)控制程序操控驅(qū)動模塊采取相應(yīng)的措施來維持溫室最佳環(huán)境。
2.1 空氣溫濕度變送器
主要技術(shù)參數(shù):電源:5號電池,兩節(jié);功耗:工作電流,0.2mA,發(fā)射電流,15mA;溫度精度:±0.5℃;濕度精度:±4.5%;
2.2 光照度變送器
主要技術(shù)參數(shù):電源:取自“環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)控器”;通訊:RS485,與“環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)控器”相連;照度范圍:0-200000lux
2.3 CO2變送器
主要技術(shù)參數(shù):電源:取自“環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)控器”;通訊:RS485,與“環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)控器”相連;測量范圍:0-10000ppm
2.4 單片機控制系統(tǒng)和嵌入式控制器
此部分通過內(nèi)部設(shè)計好的程序控制溫室內(nèi)各種設(shè)備對種植環(huán)境參數(shù)“采集、存儲、監(jiān)測、分析、預(yù)警、控制”,是使系統(tǒng)能夠精確測量6種參數(shù)的保證,根據(jù)6種環(huán)境參數(shù)的變化,利用卷積程序智能控制設(shè)施環(huán)境中的相應(yīng)電器設(shè)備,滿足不同作物對環(huán)境條件的具體要求。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
軟件系統(tǒng)由單片機控制系統(tǒng)和嵌入式控制系統(tǒng)構(gòu)成。
3.1 單片機控制系統(tǒng)
單片機控制系統(tǒng)部分主要功能是對天窗、遮陽網(wǎng)、噴淋裝置等進(jìn)行控制。
3.2 嵌入式控制系統(tǒng)
嵌入式控制系統(tǒng)的設(shè)計由動態(tài)顯示模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、通信模塊四個部分組成。通過動態(tài)顯示模塊可以及時監(jiān)控各環(huán)境因子的變化;控制模塊可對整個系統(tǒng)進(jìn)行操控;數(shù)據(jù)庫模塊是為作物生長環(huán)境的設(shè)定而積累數(shù)據(jù),并且系統(tǒng)內(nèi)部卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序利用這些數(shù)據(jù)作為輸入來進(jìn)行壓縮卷積;通信模塊是實現(xiàn)上位機和單片機之間的通信。
4 結(jié)束語
基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的溫室智能大棚監(jiān)控系統(tǒng),采用ARM加單片機的組合控制方式,雖然成本稍微較高,但避免了傳統(tǒng)溫室控制系統(tǒng)中對溫室環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)不夠準(zhǔn)確、控制系統(tǒng)成本過高、智能化程度低、以及專家系統(tǒng)的參數(shù)決定不準(zhǔn)確等弊端設(shè)計等問題,集智能檢測、通信技術(shù)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自動控制于一體,利用嵌入式技術(shù)進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的自動檢測和可靠傳遞,運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對數(shù)據(jù)智能優(yōu)化,再利用單片機進(jìn)行自動控制,為一套高性能的自適應(yīng)智能控制系統(tǒng)。
參考文獻(xiàn)
[1]王寶金.農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)展望[J].計算機與農(nóng)業(yè),2002(05).
[2]白濤,吳智銘,楊根科,等.網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)[J].控制理論與應(yīng)用,2004(04).
[3]張振山,高子恒,范建領(lǐng).基于VB語言的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J].計算機測量與控制,2008(08).
[4]Adrian Fernandez.Getting Started with the MSP430 LaunchPad. 2013.
[5]唐敏,宋杰.嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite的原理與應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù),2008(04).