Design and application of intelligent supplemental light controller for pitaya based on PLC technology
-
摘要:目的
不同植物对光照强度、光质的需求程度不同，本文旨在通过LED灯实时照射实现对植物的智能补光。
方法针对火龙果Hylocereus undatus生长发育过程充足补光和调节果期的需要，应用新一代可编程控制器(Programmable logic controller, PLC)技术，选择波长570~590 nm的黄色LED灯，本文设计了一套种植火龙果专用的智能补光调控器和相应的数据传输协议，进行硬件选型、电路设计与软件设计， 建立了调控策略和远程通信协议，最后在广东省新兴县10 666 m2的火龙果农庄进行了实际布署与应用试验。
结果该调控器能够长时间稳定地通过手动、自动以及远程的方式实现对火龙果的补光，并且数据传输稳定，调控器的响应时间不超过3 s，每次补光4 h。利用该调控器进行火龙果补光调控可以让果实成熟期提前2~4 d，部分果树挂果可以多2~3个，补光后产量提升16.7%。
结论该装置实现了火龙果的智能补光，经济效益和社会效益提升明显，具有较好的推广前景。
Abstract:ObjectiveDifferent plants have different requirements for light intensity and light quality. The goal was to achieve intelligent light supplementation for plants through real-time illumination from LED lights.
MethodAiming at the need for sufficient supplementary light for the growth and development of pitaya (Hylocereus undatus) and regulation of fruit stage, an intelligent regulator specially for light supplementation of pitaya was designed using a new generation of the programmable logic controller (PLC) technology and yellow LED lights with wavelengths of 570−590 nm, and the corresponding data transmission protocol was designed. The hardware selection, circuit design and software design were performed, and control strategy and remote communication protocol were establised. Finally, an actual deployment and application experiment was carried out in a 10666 m2 pitaya farm in Xinxing County of Guangdong Province.
ResultThe regulator could achieve stable and long-term light supplementation for pitaya through manual, automatic and remote management, and data transmission was stable and reliable. The response time of the regulator was within 3 s, and light supplementation duration was 4 h. After using the regulator to supplement the light, the fruit ripening stage was advanced by 2−4 d, some pitaya trees bore 2−3 more fruits per tree, the output of pitaya fruit increased by 16.7%.
ConclusionThe device realizes the intelligent supplementary lighting of pitaya. It has obvious economic and social benefits and has a good popularization prospect.
-
Keywords:
- Pitaya /
- Intelligent supplementary light /
- LED /
- PLC /
- Regulation strategy /
- Data transmission
-
保鲜环境温湿度调控是延长果蔬保鲜周期的有效方式之一[1-2]。然而，温度超调量过大可能会导致冷害[3]，环境湿度过高会加速微生物生长[4]，保鲜环境参数波动震荡也会影响果蔬保鲜效果[5]。因而，提高保鲜环境控制系统的控制性能对于保障果蔬储运品质有重要作用。我们前期开发了基于双限值的果蔬保鲜控制系统，该系统能实时调控保鲜环境参数，但存在环境参数超调量大、波动严重、抗干扰能力不强等问题。因此，有必要开展果蔬保鲜环境参数调控策略优化试验，提高系统控制性能。
国内外学者对环境参数的调控进行了一系列研究，王广海等[6]以双限值作为系统控制算法，控制系统温度、相对湿度、氧气和二氧化碳等环境参数。虽然双限值控制逻辑简单，但存在超调量大、环境参数频繁波动等问题[7]。Barros 等[8]设计了基于比例−积分−微分（Proportional-integral-derivative，PID）控制器的温度加热系统。传统PID控制结构易于实现，在工业中最为常用[9]，然而传统PID需要人为调整控制器参数，缺少自适应能力，鲁棒性较低[10]，难以实现环境参数的高质量控制。赵鑫鑫[11]设计了车厢温度模糊规则，应用于冷藏车箱温度控制。相较于传统PID，超调量有所降低，但仍存在自适应能力弱、抗干扰能力较差等问题。近年来，人工智能算法发展迅速，许多学者对自适应控制技术进行了研究。Aftab等[12]提出采用基于Lyapunov函数的人工神经网络对PID控制器的比例、积分和微分项进行在线整定，相较于传统PID取得较好的跟踪效果，但系统的每个控制参数都需使用一个独立的神经网路，计算量大且复杂。Salcedo等[13]设计了一种结合Smith预估器的状态反馈控制器，其控制性能和精度高于传统PID控制器，但需要建立控制对象动态行为的数学模型，该模型缺乏自适应能力，控制环境或对象发生变化时，控制精度将大幅下降。Silveira等[14]设计了LPPT控制算法用于制冷系统，通过2个具有自适应能力的非零开关量，实现降低系统能耗的同时具备较强的抗干扰能力，但与传统PID相比该系统温度有明显波动，稳态误差较大，无法保持恒定。
目前，针对果蔬保鲜环境参数智能调控方面研究较少，大多数冷藏、冷冻等控制系统仍采用传统双限值和PID控制技术[15]。因此，本文将根据传统果蔬保鲜环境控制系统超调量大、控制精度低、波动严重、鲁棒性差等现状，结合神经网络和PID控制，设计一种基于BP神经网络-PID（Back-propagation neural network-PID，BPNN-PID）的控制策略，使PID控制器具备自学习、自适应能力，确保果蔬保鲜环境控制系统在运行过程中处于优化状态，从而提高系统控制性能，为果蔬保鲜环境参数调控的实际应用提供一定参考。
1. 果蔬保鲜系统的基本组成
如图1所示，果蔬保鲜环境调控试验平台[6]由制冷系统、加湿系统和控制系统3个部分组成。制冷系统主要由变频器(型号为SC-650，由河南尚川电子科技有限公司生产)、变频压缩机(型号为DTH356LDPC9FQ，由上海日立电器有限公司生产)、直流蒸发风机(额定电压24 V、额定电流8 A)、冷凝风机(额定电压220 V，额定电流0.42 A)和制冷管路组成。果蔬保鲜环境控制系统通过变频器调节变频器压缩机工作频率改变压缩机的转速，再利用直流蒸发风机带动气流，穿过蒸发盘管形成冷空气，经开孔隔板(开孔率16.11%)[16]均匀流入保鲜室，降低货物温度后从回风道返回，实现果蔬保鲜环境温度控制。
![]()
图 1 果蔬保鲜运输车箱体结构示意图1：冷凝器；2：冷凝风机；3：蒸发风机；4：回风道；5：保鲜室；6： 传感器盒；7：货物；8：支撑架；9：气流轨道；10：排水管；11：三通接头；12：积水槽；13：温度传感器；14：超声波雾化器；15：开孔隔板；16：加湿风机；17：蒸发器；18：补水箱；19：排水阀；20：变频器；21：变频压缩机；22：制冷管路；23：压力室；24：控制器；25：触摸屏；26：电子计算机Figure 1. Schematic diagram of the box structure of the transport vehicle for fruit and vegetable fresh-keeping1: Condenser; 2: Condensing fan; 3: Evaporating fan; 4: Return air duct; 5: Keep-freshing room; 6: Sensor box; 7: Cargo; 8: Support frame; 9: Air flow track; 10: Drain pipe; 11: Tee connector; 12: Standing water tank; 13: Temperature sensor; 14: Ultrasonic atomizer; 15: Open partition; 16: Humidifying fan; 17: Evaporator; 18: Water replenishment tank; 19: Drain valve; 20: Inverter; 21: Inverter compressor; 22: Refrigeration line; 23: Pressure chamber; 24: Controller; 25: Touch screen; 26: Electronic computer加湿系统主要由水槽、超声波雾化器(额定电压24 V、额定电流1 A)和加湿风机(额定电压24 V、额定电流0.55 A)组成。超声波雾化器置于液面下2~3 cm处，将液态水雾化形成微小雾粒，通过加湿风机吹进保鲜区，提高保鲜区环境相对湿度。
控制系统总体结构如图2所示，该系统以Cortex-M3架构的STM32F103C8T6微处理器为核心，配合数据采集模块、执行机构、触摸屏、PC电子计算机、电路保护装置等对果蔬保鲜环境进行控制。
![]()
图 2 果蔬保鲜环境控制系统结构框架图Figure 2. Structural framework diagram of the environmental control system for fruit and vegetable fresh-keeping2. 控制系统硬件与软件设计
本研究将设计一款基于STM32F103C8T6的果蔬保鲜环境调控系统，该系统微处理器工作频率最高为72 MHz, 内置高达128 K字节的Flash存储器和20 K字节的SRAM, 具备足够的通用I/O端口[17]，满足系统开发需求。
2.1 硬件电路
2.1.1 电源电路
电源电路如图3所示，考虑到本系统的运行环境复杂，信息通讯频繁且运行时间长等一系列问题，电路设计需降低干扰源、阻断耦合以及提高敏感设备的阈值。系统器件需要的电压等级分别为24.0、5.0和3.3 V，其中24.0 V由外部开关电源提供，隔离5.0 V电源电路采用DC-DC电源隔离模块B0505S-1WR2，为系统提供信号电源，3.3 V的电源采用AMS1117-3.3电压转换芯片。
![]()
图 3 果蔬保鲜环境控制系统的电源电路Figure 3. Power supply circuit of the environmental control system for fruit and vegetable fresh-keeping2.1.2 CAN总线驱动电路
控制器局域网总线(Controller area network，CAN)驱动电路如图4所示，ISO1050是一款将隔离通道和CAN收发器集成在一个封装内的隔离型CAN总线收发器。与隔离式电源一起使用，可防止数据总线或者其他电路上的噪音电流进入本地接地而产生的干扰或损坏敏感电路。为抵消电信号的反射，CAN总线输出两端增加了1个120 Ω的终端电阻。
2.1.3 RS485接口电路
RS485的通信电路如图5所示，MCU根据Modbus-RTU通讯协议，通过RS485收发器与从机进行异步通讯。SP3485芯片是3.3 V 低功耗半双工的收发器，将其RO及DI引脚分别与USART的RX和TX引脚相连，将RE和DE引脚直接用普通IO口来控制数据传输方向，采用轮询发送和中断接收的数据传输方式。A与B之间接120 Ω电阻避免信号发射问题。
2.1.4 中间继电器驱动电路
中间继电器驱动电路如图6所示，当NPN型三极管导通时，继电器吸合，并联在继电器两端的发光二极管被点亮，表明继电器正在工作。与线圈并联的续流二极管可以吸收线圈断电时产生的感应电动势，防止晶体管被击穿。继电器输出端串联1个保险丝，当电路出现温度异常时可以迅速切断电路。
2.1.5 数据采集模块
数据采集模块由温度传感器(型号：TH600NXC，供电：10~30 V，精度：±0.3 ℃，范围：−40~80 ℃，通讯方式：RS485)、相对湿度传感器(型号：TH600NXT，供电：10~30 V，精度：±3%，范围：0%~100%，通讯方式：RS485)组成。各传感器单独作为1个节点接入RS485总线，微处理器利用Modbus-RTU通讯协议定时采集数据，数据经过微处理器解析后得到实时的保鲜室环境参数。
2.2 软件设计
果蔬保鲜控制系统软件设计主要由硬件驱动程序、数据采集及处理模块、控制算法程序、历史数据存储模块和触摸屏驱动程序5个部分组成。
硬件驱动程序使控制系统及各执行器正常运行；数据采集及处理模块对箱内传感器信号进行采集和处理；控制算法程序将数学模型转换为机器语言，实现对果蔬保鲜环境参数的自动控制；历史数据存储模块使处理器将采集并处理后的环境数据以txt文件格式保存于SD卡中，方便用户后期对果蔬保鲜环境数据进行分析；触摸屏驱动程序使用户通过人机交互页面对果蔬保鲜系统下达控制指令、设置控制参数，并实时显示箱内环境参数。配合BPNN-PID控制算法得到基于BPNN-PID的果蔬保鲜环境控制策略，系统运行程序流程如图7所示。
![]()
图 7 基于BPNN-PID的果蔬保鲜环境控制策略Figure 7. Environmental control strategy of fruit and vegetable fresh-keeping based on BPNN-PID3. 传统PID和BPNN-PID控制算法原理及实现
3.1 常规PID原理
常规PID控制系统，由PID控制器和被控对象组成[18]。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(k)与被控对象输出值y(k)构成控制偏差e(k)，通过对系统当前状态的监测和反馈，实现对系统行为的控制。
$$ e\left( k \right) = r\left( k \right) - y\left( k \right) ，$$ (1) 式中：k为采样序号；r(k) 为系统期望值；y(k) 为系统实际值；e(k) 为系统偏差。
PID控制算法的核心是3个参数：比例、积分和微分系数，它们分别控制着系统的响应速度、稳定性和抗干扰性能。其中，比例环节反应了控制系统的偏差信号e(k)，偏差一旦产生，控制器立即反应，以减小偏差。积分环节主要用于消除静态误差，提高系统的误差度。微分环节主要反映偏差信号的变化趋势，并在偏差信号值过大之前，在系统中引用一个有效的早期修正信号，从而减小系统震荡。常规PID控制又分为位置式PID与增量式PID，两者的表达式分别为[19]：
$$ u(k) = {K_{\rm{P}}}e(k) + {K_{\rm{I}}}\displaystyle\sum\limits_{k = 0}^k {e(k) + {K_{\rm{D}}}[e(k) - e(k - 1)]} ，$$ (2) $$ \Delta u(k) ={K_{\rm{P}}}[e(k) - e(k - 1)] + {K_{\rm{I}}}e(k)+ $$ $$ {K_{\rm{D}}}[e(k) - 2e(k - 1) + e(k - 2)] ，$$ (3) 式中：u(k)为第k次采样时刻的计算机输出值；KP 为比例系数；KI为积分系数；KD为微分系数。
由位置式PID表达式可知，控制器每次输出都与过去的状态有关，导致计算机运算量过大。如MCU出现故障，输出会大幅度变化，这种情况在实际生产中是不允许的。而增量式PID只与过去2次的状态有关，大大增加了系统的容错率，因此本系统选择增量式PID作为控制器的基础。
3.2 BPNN-PID原理
3.2.1 BPNN-PID控制器设计
常规的果蔬保鲜环境温度PID控制器无法根据被控对象等因素自适应调整控制参数，在PID控制器的基础上增加BP神经网络，构成一个具有自适应能力的果蔬保鲜环境温度BPNN-PID控制器，如图8所示。
![]()
图 8 果蔬保鲜环境温度BPNN-PID控制器C：外部偏置常量；r(k) ：系统期望值；y(k) ：系统实际值；e(k) ：系统偏差；u(k)：计算机输出值；KP：比例系数；KI ：积分系数；KD：微分系数Figure 8. Ambient temperature BPNN-PID controller for fruit and vegetable fresh-keepingC: External bias constant; r(k): System expected value; y(k): Actual value of the system; e(k): System deviation; u(k):Computer output; KP: Proportional coefficient; KI: Integration coefficient; KD: Differential coefficient3.2.2 BPNN-PID控制器自适应过程
本文设计的果蔬保鲜环境控制系统的BP神经网络输入层由目标温度、实际温度、温度误差和外部偏置常量共4个神经元组成[20]，由于控制参数的取值范围为0~1，并根据前期试验进行调试，确定当外部偏置常量C=1时控制效果最好。输出层由比例、积分、微分系数组成，共3个神经元，再经过调试后确定隐藏层一共5个神经元，最终建立的BP神经网络结构如图9所示。
![]()
图 9 BP神经网络结构x1：目标温度；x2：实际温度；x3：温度误差；x4：外部偏置常量；l：输入层神经元序号；m隐含层神经元序号；n：输出层神经元序号；KP ：比例系数；KI：积分系数；KD：微分系数Figure 9. BP neural network structurex1: Target temperature; x2: Actual temperature; x3: Temperature error; x4: External bias constant; l: Input layer neuron number; m: Hidden layer neuron number; n: Output layer neuron number; KP: Proportional coefficient; KI: Integration coefficient; KD: Differential coefficient1)误差正向传播：根据图9所示的神经网络结构图可得，输入层的输出
$O_l^{(1)} $ 为$$ O_{l}^{(1)}=x_{l}, \;l=1,2,3,4 \; ,$$ (4) 式中：l为输入层神经元序号；xl为输入层第l个输入。
隐含层的输入和输出分别为
$$ \left\{\begin{array}{l}{\rm{n e t}}_m^{(2)}(k)=\displaystyle\sum_{l=0}^4 w_{l m}^{(2)} O_l^{(1)} \\ O_m^{(2)}(k)=f\left[ { {\rm{net}} }_m^{(2)}(k)\right]\end{array}, \;m=1,2,3,4,5\; ,\right. $$ (5) 式中：m为隐含层神经元序号；
${\rm{net}}_m^{(2)} $ 为隐含层第m个神经元输入；${w_{lm}^{(2)}}$ 为隐含层权值系数；$O_m^{(2)} $ 为隐含层第m个神经元输出。输出层的输入和输出分别为
$$ \left\{\begin{array}{l}{\rm{n e t}}_n^{(3)}(k)=\displaystyle\sum_{m=0}^5 w_{m n}^{(3)} O_m^{(2)} \\ O_n^{(3)}(k)=g\left[{\rm{n e t}}_n^{(3)}(k)\right]\end{array},\;n=1,2,3\right. ,$$ (6) 式中：n为输出层神经元序号；
${\rm{net}}_n^{(3)} $ 为输出层第n个神经元输入；${w_{mn}^{(3)}}$ 为输出层权值系数；$O_n^{(3)} $ 为输出层第n个神经元输出。隐含层的激活函数
$ f(x) $ 采用正负对称的Sigmoid函数，输出层激活函数$ g(x) $ 采用非负的Sigmoid函数。$$ f(x)=\dfrac{{\text{e}}^{x}-{\text{e}}^{-x}}{{\text{e}}^{x}+{\text{e}}^{-x}}\text{，}g(x)=\dfrac{1}{1+{\text{e}}^{-x}} 。$$ (7) 2)误差反向传播：本系统设计所用的神经网络的输出性能指标函数为
$$ E(k)=\dfrac{1}{2}\left[r(k)-y(k)\right]^{2}。 $$ (8) 引入学习效率η和惯性系数α，根据式(4)~(8)通过梯度下降法，得到输出层和隐藏层的权重更新和误差项，经调试取η=0.1，α=0.25，系统控制效果最佳。
$$ \left\{\begin{array}{l}\Delta w_{m n}^{(3)}(k)=0.1 \Delta w_{m n}^{(3)}(k-1)+0.25 \delta_n^{(3)} O_n^{(2)}(k) \\ \delta_n^{(3)}=\operatorname{sgn}\left[\dfrac{\partial \operatorname{yout}(k)}{\partial u(k)}\right] e(k) \dfrac{\partial u(k)}{\partial O_l^{(3)}(k)} g^{\prime}\left[{\rm{n e t}}_n^{(3)}(k)\right]\end{array}\right., $$ (9) 式中：
$ \delta_{n}^{(3)} $ 为输出层神经元误差项。$$ \left\{\begin{array}{l}\Delta w_{l m}^{(2)}(k)=0.1 \Delta w_{l m}^{(2)}(k-1)+0.25 \delta_m^{(2)} O_l^{(1)}(k) \\ \delta_m^{(2)}=f^{\prime}\left[{\rm{n e t}}_m^{(2)}(k)\right] \displaystyle\sum_{n=1}^3 \delta_n^{(3)} w_{m n}^{(3)}(k)\end{array}\right., $$ (10) 式中：
$ \delta_{m}^{(2)} $ 为隐藏层神经元误差项。由于
$\dfrac{\partial {\rm{y o u t}}(k)}{\partial u(k)}$ 无法直接计算，用$\operatorname{sgn}\left[\dfrac{\partial {\rm{yout}}(k)}{\partial u(k)}\right]$ 代替[21]。以上为果蔬保鲜环境BPNN训练1次的全部过程。4. 试验与结果分析
研究发现，果蔬保鲜环境温度与相对湿度存在较强的耦合关系[22]，且环境温度对厚表皮类果蔬品质的影响更为明显[23]。因此本研究在温度控制方面采用BPNN-PID控制算法，实现对温度的精准控制；湿度方面搭配双限值控制算法，组成BPNN-PID控制策略，可满足果蔬保鲜的基本环境要求。
本研究通过自主搭建的果蔬保鲜系统，采用常规PID和BPNN-PID 2种不同控制策略进行果蔬保鲜试验，分析果蔬保鲜系统在不同控制策略下环境参数的超调量、稳定时间和稳态误差。根据试凑法[24]确定常规PID控制器控制参数KP=0.8、KI=0.75、KD=0.5，果蔬保鲜环境BPNN-PID控制系统的隐含层、输出层的初始权重均为−0.5~0.5的随机值，根据前期试验，学习率η=0.1、惯性系数α=0.25时控制性能最优。
试验材料采用赣南脐橙，总质量40 kg，购于水果批发市场，果实新鲜，无病虫害，无机械损伤。脐橙采用塑料筐装放，塑料筐呈网状结构，尺寸规格(长×宽×高)为600 mm×425 mm×350 mm。脐橙以每框20 kg装箱，共2框放置保鲜室，外界环境温度(26±1) ℃，保鲜室初始温度(26±1) ℃，据相关文献[25]，脐橙适宜的保鲜参数为：温度为6 ℃，相对湿度为80%~90%。因此设置果蔬保鲜环境目标温度为6 ℃、目标湿度为80%~90%。为分析果蔬保鲜系统在不同控制策略下的抗干扰能力，在实载试验中，待果蔬保鲜系统运行稳定(240 min)后，对系统施加干扰(模拟实际取货时打开箱门5 min)，每5 min记录1次数据，运行时间为6 h。
试验完成后计算系统的超调量、稳态误差和稳定时间。超调量计算公式如下：
$$ \sigma = {T_{{\rm{max}}}}(t) - {T_{{\rm{out}}}}(\infty ) ，$$ (11) 稳态误差计算公式如下：
$$ {e_{{\rm{ss}}}} = {T_{{\rm{out}}}}(t) - {T_{{\rm{out}}}}(\infty ) ，$$ (12) 稳定时间评判公式如下：
$$ \dfrac{{|{T_{{\rm{out}}}}(t) - {T_{{\rm{out}}}}(\infty )|}}{{|{T_{{\rm{out}}}}(0 + ) - {T_{{\rm{out}}}}(\infty )|}} \leqslant \Delta ，$$ (13) 式中：σ为超调量；ess为稳态误差；Tmax(t)为环境参数最大值；Tout(t)为环境参数瞬态值；Tout(0+)为环境参数初始值；Tout(∞)为环境参数稳态值；Δ为稳定时间评判系数，取2%[26]。
4.1 空载试验与结果分析
4.1.1 空载常规PID控制策略试验
空载状态下，果蔬保鲜环境系统采用常规PID控制策略的控制响应曲线如图10所示，环境温度的超调量为3.5 ℃、稳定时间为100 min、稳态误差为±0.2 ℃；相对湿度的超调量为9.5%、稳定时间为100 min。
![]()
图 10 基于常规PID控制策略的空载保鲜环境参数变化曲线Figure 10. Variation curve of no-load fresh-keeping environment parameters based on conventional PID control strategy从该试验结果可以看出，以STM32F103C8T6微处理器为核心的控制系统利用RS485通讯方式可实时采集箱内环境参数；利用CAN总线可实时调节变频压缩机频率从而控制系统制冷量；通过继电器驱动电路控制环境相对湿度。系统按照设定的控制流程执行，实现了果蔬保鲜环境参数的自动控制。因此，本文设计的控制系统软硬件满足果蔬保鲜要求。
4.1.2 空载BPNN-PID控制策略试验
空载状态下，果蔬保鲜环境系统采用BPNN-PID控制策略的控制响应曲线如图11、12所示，果蔬保鲜环境系统在运行过程中通过自学习、自适应能力动态调整控制参数，最终收敛于KP=0.588，KI=0.666，KD=0.617，环境温度的超调量为2.5 ℃、稳定时间为70 min、稳态误差为±0.1 ℃；相对湿度的超调量为4.3%、稳定时间为70 min。
![]()
图 11 基于BPNN-PID控制策略的空载保鲜环境参数变化曲线Figure 11. Variation curve of no-load fresh-keeping environment parameters based on BPNN-PID control strategy空载试验中，与常规PID控制策略相比，基于BPNN-PID控制策略的果蔬保鲜系统环境温度超调量减小了1 ℃、稳态误差减小了0.1 ℃、稳定时间缩短了30 min；环境相对湿度超调量减小了5.2%、稳定时间缩短了30 min。由此可知，采用BPNN-PID控制策略的果蔬保鲜系统控制性能均有明显提升。
4.2 实载试验与结果分析
4.2.1 实载常规PID控制策略试验
由图13可知，实载状态下，果蔬保鲜环境温度控制采用常规PID控制算法，相对湿度控制采用双限值控制算法时，温度的超调量为3.8 ℃、稳定时间为105 min、稳态误差为±0.5 ℃；相对湿度的超调量为5%、稳定时间为80 min。
![]()
图 13 基于常规PID控制策略的实载保鲜环境参数变化曲线Figure 13. Variation curves of real-load fresh-keeping environment parameters based on conventional PID control strategy与双限值控制策略相比，温、湿度控制精度有所提高，温、湿度波动减小，但仍存在超调量较大、稳定时间慢等问题。针对干扰，箱内环境温、湿度经过105 min的上下波动才重新恢复稳定。因此常规PID控制策略缺少动态调节能力，存在抗干扰能力不强、适应性较弱等缺陷，系统控制性能仍有提升空间。
4.2.2 实载BPNN-PID控制策略试验
由图14、15可知，实载状态下，果蔬保鲜环境温度控制采用BPNN-PID控制算法，相对湿度控制采用双限值控制算法时，果蔬保鲜环境系统控制参数最终收敛于KP=0.717，KI=0.682，KD=0.656，温度超调量为1.7 ℃，稳定时间为80 min，稳态误差为±0.2 ℃，相对湿度超调量为2.8%、稳定时间为55 min。
![]()
图 14 基于BPNN-PID控制策略的实载保鲜环境参数变化曲线Figure 14. Variation curves of real-load fresh-keeping environment parameters based on BPNN-PID control strategy实载试验中，与常规PID控制策略相比，基于BPNN-PID控制策略的果蔬保鲜系统环境温度超调量减小了2.1 ℃、稳态误差减小了0.3 ℃、稳定时间缩短了25 min；环境相对湿度超调量减小了2.2%、稳定时间缩短了25 min。BPNN-PID控制策略在超调量、稳定时间、稳态误差和控制精度等方面都有了较大的提升。针对干扰，BPNN-PID控制策略有效地抑制了保鲜室内环境参数的剧烈波动，经过80 min的动态调节后，最终收敛于目标参数。因此BPNN-PID控制策略的抗干扰能力更强、鲁棒性优异、自适应性好，具有良好的动态调节能力，其控制性能明显优于常规PID控制策略的，能够更有效地完成果蔬保鲜环境的控制工作。
5. 结 论
本研究根据果蔬保鲜运输的温、湿度控制要求，以STM32为核心处理器，设计了果蔬保鲜环境控制系统硬件和软件，并通过试验对比常规PID和BPNN-PID 2种控制策略的环境参数调控效果，研究结果对于果蔬保鲜环境参数调控有重要意义。经研究获得以下结论：
1)所开发的控制系统能准确采集保鲜室各环境参数，并根据控制策略准确控制相应的执行机构，实现保鲜环境参数的实时控制。
2)基于BPNN-PID控制策略的果蔬保鲜环境控制系统具有响应速度快、超调量小、控制精度高、抗干扰能力强等优点，系统控制性能明显提升。
3)保鲜环境温、湿度调控过程中，温度和相对湿度具有较强的耦合关系，其中温度占主导地位，相对湿度的波动趋势与温度基本一致，随着系统温度控制性能的提高，相对湿度的控制性能有了明显的改善。
值得注意的是，加湿器性能、果蔬生理特性、堆码方式等因素也可能会对研究结果产生一定的影响，这些因素将在后续研究中进行探讨。
-
![]()
图 3 硬件电气接线图
A：A相，B：B相，C：C相，N：零线，G：接地，KM：交流接触器
Figure 3. Hardware electrical diagram
A : A phase，B: B phase，C: C phase，N: Neutral，G: Earth，KM: AC contactor
![]()
图 6 通信协议设计
T1~T8：各部分报文段
Figure 6. Communication protocol design
T1–T8: Message segment of each part
![]()
图 8 客户端下行数据总体通信协议格式
Figure 8. The overall communication protocol format of the downlink data of client
表 1 PLC资源分配表
Table 1 PLC resource allocation table
软元件
Programming element寄存器地址
Register address功能
Function用途
PurposeX00 S32 自动模式
Auto mode远程状态
Remote statusX01 D10 远程模式
Remote mode计数
CountX02 D512~D514 灯组1
Lamp group 1灯组1时间下限设置
Set the lower time limit for light group 1X03 D515~D517 灯组2
Lamp group 2灯组1时间上限设置
Set the upper time limit for light group 1S31 D518~D520 自动状态
Auto mode灯组2时间下限设置
Set the lower time limit for light group 2S31 D521~D523 自动状态
Auto mode灯组2时间下限设置
Set the upper time limit for light group 2
下载: 导出CSV
表 2 灯组1和灯组2不同工作模式下响应时间
Table 2 Response time of lamp group 1 and lamp group 2 in different working modes
s 灯组编号
Lamp group number手动
Manual自动
Auto远程
Remote1 1 1 3 1 2 2 2 2 2 1 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2 2 2 2 3 2 1 2 2 1 2 4 2 1 2 1 2 1 1 2 2 1 2 2 2 1 3 2 1 2 2 1 1 1 2 2
下载: 导出CSV
表 3 补光与自然条件下的火龙果产量指标
Table 3 Pitaya yield index under supplemental light and natural conditions
组别
Group补光时长/h
Light supplementation time挂果日期 Date of fruiting 产量/(kg·hm–2)
Yield第1次 First 第2次 Second 甲组 Group 1 364 2020−10−13 2020−11−24 48397.5 乙组 Group 2 0 2020−10−15 2020−11−28 41460.0
下载: 导出CSV
-
[1] WARD J M, CUFR C A, DENZEL M A, et al. The dof transcription factor OBP3 modulates phytochrome and cryptochrome signaling in Arabidopsis[J]. The Plant Cell, 2005, 17(2): 475-485. doi: 10.1105/tpc.104.027722
[2] 杜洪涛, 刘世琦, 蒲高斌. 光质对彩色甜椒幼苗生长及叶绿素荧光特性的影响[J]. 西北农业学报, 2005(1): 41-45. doi: 10.3969/j.issn.1004-1389.2005.01.010 [3] ZHENG J, HU M J, GUO Y P. Regulation of photosynthesis by light quality and its mechanism in plants[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2008, 19(7): 1619-1624.
[4] HÉRAUT-BRON V, ROBIN C, VARLET-GRANCHER C, et al. Phytochrome mediated effects on leaves of white clover: Consequences for light interception by the plant under competition for light[J]. Annals of Botany, 2001, 88(4): 737-743. doi: 10.1006/anbo.2001.1510
[5] 李蔚, 李新旭, 李红岺, 等. 植物生长灯不同补光时间对日光温室番茄产量及品质的影响[J]. 安徽农业科学, 2019, 47(11): 49-50. doi: 10.3969/j.issn.0517-6611.2019.11.016 [6] 张子鹏, 温健新, 黄爱政, 等. LED灯补光对温室甜椒产量及品质的影响[J]. 安徽农业科学, 2016, 44(29): 24-25. doi: 10.3969/j.issn.0517-6611.2016.29.011 [7] 祁娟霞, 韦峰, 董艳, 等. 不同补光时间对温室番茄生长发育的影响[J]. 江苏农业科学, 2016, 44(8): 245-248. [8] 叶小荣, 赵晓美, 黄春红, 等. 大棚补光对火龙果开花及产量影响[J]. 中国南方果树, 2019, 48(6): 43-45. [9] 苏明, 任太军, 袁水清, 等. 海南火龙果反季节生产技术初探[J]. 中国南方果树, 2018, 47(1): 83-86. [10] 张立萍. 智能型LED植物生长灯控制系统设计[J]. 赤峰学院学报(自然科学版), 2021, 37(1): 57-62. [11] 覃文奇. LED植物生长灯的设计[J]. 河南科技, 2020(8): 68-70. doi: 10.3969/j.issn.1003-5168.2020.08.025 [12] 何林, 李亨, 陈红豆. 智能LED植物补光灯设计[J]. 天津职业技术师范大学学报, 2018, 28(3): 31-35. [13] 徐秀知, 王淑凡, 王巍, 等. 全数字智能LED植物补光灯控制系统[J]. 天津工业大学学报, 2012, 31(4): 57-60. doi: 10.3969/j.issn.1671-024X.2012.04.014 [14] 曲溪, 叶方铭, 宋杰琼, 等. LED灯在植物补光领域的效用探究[J]. 灯与照明, 2008, 32(2): 41-45. doi: 10.3969/j.issn.1008-5521.2008.02.012 [15] 李彦荣, 常瑛, 魏玉杰, 等. 克服弱光寡照障碍的技术研究[J]. 安徽农业科学, 2010, 38(2): 687-690. doi: 10.3969/j.issn.0517-6611.2010.02.058 [16] 张建飞, 杨景发, 胡岚岚, 等. 基于单片机植物组培专用LED光源的设计[J]. 河北农业大学学报, 2012, 35(5): 99-104. [17] 周益民, 周国泉, 徐一清. 基于单片机的温室植物LED补光系统设计[J]. 激光生物学报, 2013, 22(3): 214-219. doi: 10.3969/j.issn.1007-7146.2013.03.004 [18] 王瑞, 喻晨, 马艳, 等. 基于STM8的植物工厂环境调控定时器的设计与应用[J]. 宁夏工程技术, 2020, 19(1): 13-17. doi: 10.3969/j.issn.1671-7244.2020.01.004 [19] 张海辉, 杨青, 胡瑾, 等. 可控LED亮度的植物自适应精准补光系统[J]. 农业工程学报, 2011, 27(9): 153-158. doi: 10.3969/j.issn.1002-6819.2011.09.027 [20] 崔瑾, 徐志刚, 邸秀茹. LED在植物设施栽培中的应用和前景[J]. 农业工程学报, 2008, 24(8): 249-253. doi: 10.3321/j.issn:1002-6819.2008.08.055 [21] 刘卫国, 宋颖, 邹俊林, 等. LED灯模拟作物间作套种群体内光环境的设计与应用[J]. 农业工程学报, 2011, 27(8): 288-292. doi: 10.3969/j.issn.1002-6819.2011.08.050 [22] CHIANG C, BÅNKESTAD D, HOCH G. Effect of asynchronous light and temperature fluctuations on plant traits in indoor growth facilities[J]. Agronomy, 2021, 11(4): 755. doi: 10.3390/agronomy11040755.
[23] OLVERA-GONZALEZ E, RIVERA M M, ESCALANTE-GARCIA N, et al. Modeling energy LED light consumption based on an artificial intelligent method applied to closed plant production system[J]. Applied Sciences, 2021, 11(6): 2735. doi: 10.3390/app11062735.
[24] 陈丹, 范万新, 韦思智, 等. 不同时长LED灯补光对火龙果生长的影响[J]. 气象研究与应用, 2021, 42(3): 44-49. [25] 陈丹, 潘建安, 马振军, 等. 火龙果四种不同光质LED灯补光效果试验[J]. 广西农学报, 2020, 35(5): 38-42. [26] 陈丹, 范万新, 欧善生, 等. 不同光质LED灯对火龙果补光催花试验[J]. 气象研究与应用, 2019, 40(2): 51-55. doi: 10.3969/j.issn.1673-8411.2019.02.012 [27] 卓福昌, 韦优, 蒋娟娟, 等. 火龙果补光催花试验初探[J]. 中国热带农业, 2018(3): 52-53. doi: 10.3969/j.issn.1673-0658.2018.03.015 -
期刊类型引用(5)
1. 高旻. 视频分析技术在港口交通流量监控中的应用. 电视技术. 2025(01): 223-225 . 
百度学术
2. 陈钇果. 基于FPGA架构的人工智能加速器设计与实现. 软件. 2025(01): 59-61 . 百度学术
3. 沃英达. 基于深度学习算法的激光散斑音频信号提取与增强. 电声技术. 2025(02): 52-54+77 . 百度学术
4. 蓝壮青. 基于欠定盲源分离的双路音频信号噪声自适应分离. 现代电子技术. 2024(24): 68-72 . 百度学术
5. 吴源源. 基于机器学习的音频信号处理系统设计. 电声技术. 2024(11): 182-184 . 百度学术
其他类型引用(0)
计量
- 文章访问数:
- HTML全文浏览量: 0
- PDF下载量:
- 被引次数: 5
