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基于NB-IoT的温室温度智能调控系统设计与实现

何灿隆, 沈明霞, 刘龙申, OKINDACedric, 杨稷, 施宏

何灿隆, 沈明霞, 刘龙申, 等. 基于NB-IoT的温室温度智能调控系统设计与实现[J]. 华南农业大学学报, 2018, 39(2): 117-124. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.2018.02.018
引用本文: 何灿隆, 沈明霞, 刘龙申, 等. 基于NB-IoT的温室温度智能调控系统设计与实现[J]. 华南农业大学学报, 2018, 39(2): 117-124. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.2018.02.018
HE Canlong, SHEN Mingxia, LIU Longshen, OKINDA Cedric, YANG Ji, SHI Hong. Design and realization of a greenhouse temperature intelligent control system based on NB-IoT[J]. Journal of South China Agricultural University, 2018, 39(2): 117-124. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.2018.02.018
Citation: HE Canlong, SHEN Mingxia, LIU Longshen, OKINDA Cedric, YANG Ji, SHI Hong. Design and realization of a greenhouse temperature intelligent control system based on NB-IoT[J]. Journal of South China Agricultural University, 2018, 39(2): 117-124. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.2018.02.018

基于NB-IoT的温室温度智能调控系统设计与实现

基金项目: 江苏省农机三新工程项目(NJ2017-22)
详细信息
    作者简介:

    何灿隆(1993—),男,硕士研究生,E-mail: 857256004@qq.com

    通讯作者:

    沈明霞(1967—),女,教授,博士,E-mail: mingxia@njau.edu.cn

  • 中图分类号: S126

Design and realization of a greenhouse temperature intelligent control system based on NB-IoT

  • 摘要:
    目的 

    以NB-IoT低速率窄带宽物联网技术为核心,研制一套以5G低功耗海量连接场景前期技术为基础的智能温室环境自动调控系统。

    方法 

    应用MSP430F149超低功耗芯片采集环境信息,依托NB-IoT蜂窝物联网平台,云端智能调控系统,结合多传感器融合与模糊PID–分级控制技术, 根据用户需求调节温室环境。

    结果 

    该系统在温室大棚内实地应用的结果表明:温室环境信息采集相对误差不超1%,平均控制精度在3.57%(±1.0 ℃),无传输距离限制,实现作物生长温度的自动调节。

    结论 

    该系统稳定可靠,为作物的生长提供良好环境,对作物的研究提供有力的技术支撑。

    Abstract:
    Objective 

    To develop an automated greenhouse environmental monitoring and control system based on an NB-IoT low-rate narrow bandwidth networking and 5G low-power massive connection technology.

    Method 

    Ultra-low power chip MSP430F149 was applied to collect environmental information. Using the NB-IoT's cellular networking platform and the cloud intelligent control system and combining multi-sensor fusion with fuzzy PID-grading control technology, greenhouse environment was controlled according to user needs.

    Result 

    Using the automated system in greenhouse, the relative error of greenhouse environmental information collection was below 1%, the average control accuracy was 3.57% (±1.0 ℃), the transmission distance was not limited and the automatic regulation of crop growth temperature was realized.

    Conclusion 

    The system is stable and reliable, and provides a favorable environment for plant growth as well as a strong technical support for crop research.

  • 图  1   基于NB-IoT的温室环境智能调控系统示意图

    Figure  1.   The diagram of greenhouse environment intelligent control system based on NB-IoT

    图  2   主控板设计框图

    Figure  2.   Design framework of the main control board

    图  3   通信模块原理图

    Figure  3.   Elementary diagram of communication module

    图  4   采集终端工作流程图

    Figure  4.   Collect terminal flow chart

    图  5   TTL信号转232信号电路

    Figure  5.   The circuit for transforming TTL signal to 232 signal

    图  6   控制终端工作流程图

    Figure  6.   Workflow chart of control terminal

    图  7   采集终端位置

    Figure  7.   Location of collected terminal

    图  8   模糊PID控制结构框图

    θin(t)、θ(t)分别为特定时间的设定温度值和测量值

    Figure  8.   Stuctural diagram of the fuzzy PID control block

    图  9   EEcΔKiΔKp以及ΔKd的隶属度函数

    NB、NM、NS、Z、PS、PM和PB分别表示程度为负大、负中、负小、零、正小、正中和正大

    Figure  9.   Membership functions of E or Ec, ΔKi, ΔKp and ΔKd

    图  10   PID参数自校正流程

    Figure  10.   Procedure of self-correction of PID parameters

    图  11   模糊PID与传统PID

    Figure  11.   Fuzzy PID and traditional PID

    图  12   控制采集软件界面

    Figure  12.   Interface of the control and collection software

    图  13   设置室温为28 ℃的温室温度变化

    Figure  13.   Greenhouse temparature change under set temperature of 28 ℃

    表  1   数据帧传输格式

    Table  1   Transmission format of data frame

    基地
    编号
    温室
    编号
    终端
    类型
    终端
    编号
    数据
    长度
    温度
    高位
    温度
    低位
    湿度
    高位
    湿度
    低位
    光强
    高位
    光强
    低位
    CO2
    高位
    CO2
    低位
    校验位
    A B C D E F G H I J K L M N
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    表  2   ΔKp的模糊控制规则1)

    Table  2   Fuzzy control rules for ΔKp

    Ec E
    NB NM NS Z PS PM PB
    NB PB PB PM PM PS Z Z
    NM PB PB PM PM PS Z NS
    NS PM PM PM PS Z NS NS
    Z PM PM PS Z NS NM NM
    PS PS PS Z NS NS NM NM
    PM NS Z NS NM NM NM NB
    PB Z Z NM NM NM NB NB
     1) NB、NM、NS、Z、PS、PM 和 PB 分别表示程度为负大、负中、负小、零、正小、正中和正大
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    表  3   多点温度测量值和融合值

    Table  3   Multipoint temperature measurements and fusion values

    指标 组1 组2 组3 组4 组5 组6 组7 组8
    测量值[1] 34.40 33.70 33.20 31.10 33.50 32.70 36.31 30.22
    测量值[2] 34.40 33.20 33.20 31.10 33.60 32.70 36.33 30.22
    测量值[3] 34.60 33.90 33.20 33.40 33.50 32.70 36.35 30.20
    测量值[4] 34.40 33.80 33.20 31.10 33.50 32.60 36.34 30.20
    测量值[5] 34.50 33.80 33.10 31.10 33.60 32.70 36.33 30.22
    融合值 33.46 33.80 33.20 31.10 33.54 32.70 36.33 30.21
    JR912数显温度计读数 33.30 33.50 33.10 31.40 33.40 32.40 36.50 30.40
    相对误差/% –0.47 0.90 0.30 –0.64 0.95 0.93 0.45 0.62
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图(13)  /  表(3)
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-09-18
  • 网络出版日期:  2023-05-17
  • 刊出日期:  2018-03-09

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