CN107329420B - 一种智能化盆栽管家控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能化盆栽管家控制系统，其特征在于：所述管家控制系统由盆栽管家控制系统参数调节平台和智能控制器‑PID串级的土壤水分智能控制系统两部分组成；本发明有效解决了现有盆栽种植的缺陷，通过智能盆栽管家控制系统内设计智能控制器‑PID串级的土壤水分智能控制系统的闭环控制，提高盆栽植物生长环境土壤水分的快速响应、控制精度和鲁棒性，使土壤水分迅速到达系统设定值，来满足盆栽植物的各个生长阶段对水分的需要。

Description

一种智能化盆栽管家控制系统

技术领域

本发明涉及农业盆栽控制技术领域，具体涉及一种智能化盆栽管家控制系统。

背景技术

随着人们生活水平的逐步提高，越来越多的家庭摆放盆栽，种植一些花草来美化办公环境来、放松心情和陶冶情操。由于人们工作繁忙、生活节奏加快和人们对花的温度、湿度、光照和营养元素等都不是特别了解等原因，植物要么由于疏于照顾而枯萎，要么由于错误的种植方式而生长不良，有时因出差或者加班等原因导致无暇顾及对花草浇水，容易导致花草枯死。

针对这些原因，本发明专利设计了一种智能化盆栽管家控制系统，根据盆栽植物生长不同阶段来调节相关生长环境参数，以满足盆栽植物在无人打理时能够正常生长。为了解决这些问题，本发明专利设计了一种智能化盆栽管家控制系统，通过对影响盆栽植物生长环境参数的各种装置的智能化调节给植物提供适宜的生长条件。

发明内容

本发明提供了一种智能化盆栽管家控制系统，本发明有效解决了现有盆栽种植的缺陷，通过智能盆栽管家控制系统内设计智能控制器-PID串级的土壤水分智能控制系统的闭环控制，提高盆栽植物生长环境土壤水分的快速响应、控制精度和鲁棒性，使土壤水分迅速到达系统设定值，来满足盆栽植物的各个生长阶段对水分的需要。

本发明通过以下技术方案实现：

一种智能化盆栽管家控制系统，所述管家控制系统由盆栽管家控制系统参数调节平台和智能控制器-PID串级的土壤水分智能控制系统两部分组成。

本发明进一步技术改进方案是：

所述盆栽管家控制系统参数调节平台包括单片机、土壤水分传感器、温度传感器、湿度传感器、电磁阀、光照度传感器、触摸屏、LED补光灯、PH值传感器、Wifi模块以及摄像头组成，土壤水分传感器、温度传感器、湿度传感器、电磁阀、光照度传感器、触摸屏、LED补光灯、PH值传感器、Wifi模块以及摄像头均与单片机对应引脚信号连接，实现盆栽环境参数进行检测和对土壤水分进行智能化调节。

本发明进一步技术改进方案是：

所述智能控制器-PID串级的土壤水分智能控制系统，包括参数自调整模糊控制器、土壤水分灰色预测器GM(1，1)、神经网络PID主调节器、神经网络PID副调节器、土壤水分传感器组成，参数自调整模糊控制器和土壤水分灰色预测器GM(1，1)实现对土壤水分的预测控制，由神经网络PID主调节器、神经网络PID副调节器和土壤水分传感器的检测值组成土壤水分的实时控制，参数自调整模糊控制器和神经网络PID主调节器并联构成对土壤水分调节的实时调节和预测调节的双模控制，自参数调整模糊控制器、神经网络PID主调节器并联和神经网络PID副调节器构成对土壤水分的串级控制，智能控制器-PID串级的土壤水分智能控制系统提高盆栽土壤水分控制的鲁棒性、快速性和精确性。

本发明与现有技术相比，具有以下明显优点：

一、本发明采用的基于灰色预测土壤水分参数模型利用了灰色预测要求原始数据少、方法简单的特点，采用等维灰数递补方法预测土壤水分值提高了土壤水分灰色预测精度和可靠性。

二、本发明采用参数自调整模糊控制器作为土壤水分的预测控制器，该模糊控制器的参数根据土壤水分的设定值与土壤水分灰色预测值的误差e和误差变化率e′对进行自调整，该模糊控制器对土壤水分控制的鲁棒性强、适应性高和速度快。

三、本发明采用智能控制器-PID串级的土壤水分智能控制系统，调节土壤水分电磁阀的神经网络PID副调节器的输入是土壤水分的神经网络PID主调节器和参数自调整模糊控制器的输出和来调整执行机构电磁阀水流量开度的随动系统，副调节器回路已经尽可能把被控过程中对电磁阀水流量开度变化剧烈、频繁和幅度大的主要扰动包括在副调节器回路中，这些副调节器回路对影响电磁阀水流开度的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力，二次扰动通过神经网络PID主调节器与参数自调整模糊控制器输出的和与神经网络PID副调节器回路构成的串级调节对土壤水分的主被控量影响很小，所以土壤水分变化幅度小和稳定，系统能够快速使土壤水分到达目标值，提高土壤水分的响应速度、控制精度和提高系统的稳定性。

四、本发明土壤水分作为被控对象具有非线性、时滞和时变性的特性，神经网络PID主调节器、参数自调整模糊控制器和神经网络PID副调节器，结合神经网络、PID和模糊控制器控制器的优点，由神经网络来实现PID的功能，实现了PID控制器参数的自整定，参数自调整模糊控制器根据系统水分设定值与水分预测值的误差和误差变化来自动调整模糊控制器参数，该智能控制器具有很强的自适应性能，该控制系统根据土壤水分变化过程特点对影响土壤水分水流的电磁阀开度双闭环控制，提高系统的响应速度，能够适应诸多扰动因素影响，具有良好的鲁棒性。

五、本发明采用神经网络PID主调节器和参数自调整模糊控制器的输出作为神经网络PID副调节器的输入，实现实时与预测的双模控制，提高了系统的快速性和抗干扰能力，提高土壤水分控制系统的鲁棒性，响应速度快，实现简单，可以迅速遏制电磁阀水流开度变化波动对土壤水分的影响，可以土壤水分迅速到系统设定目标值。

六、本发明涉及PID控制、神经网络控制、模糊控制和串级控制技术，设计了智能控制器-PID串级的土壤水分智能控制系统，该控制系统具有动态性能好、稳态精度高、鲁棒性较强的智能控制器，克服了单纯PID控制对大惯性大延迟对象调节品质差和抗干扰性弱的缺点，将该控制系统用于土壤水分的控制具有较强的动态跟踪性能和抗干扰能力以及良好的动静态性能指标。与原有的常规控制相比该控制系统的控制品质、响应速度和稳定性能都明显提高，土壤水分的控制精度高、抗干扰能力强和稳定性能好，具有较好的应用和推广价值。

附图说明

图1为本发明智能化盆栽管家控制系统图；

图2为本发明盆栽管家控制系统参数调节平台；

图3为本发明智能控制器-PID串级的土壤水分智能控制系统；

图4为本发明智能化盆栽管家控制系统的平面布置图。

具体实施方式

1、系统总体功能的设计

盆栽管家控制系统参数调节平台包括盆栽管家控制系统核心的单片机、土壤水分传感器、空气环境的温度传感器、湿度传感器、PH值传感器、摄像头、触摸屏、电磁阀、喷头、LED补光灯、光照度传感器和Wifi模块，单片机采用MSP430，土壤水分传感器连接单片机检测土壤水分参数，触摸屏连接单片机实现对系统操控，光照度传感器实现对盆栽生长环境光照度的检测，LED补光灯补充盆栽生长需求光源，温度传感器、湿度传感器用于监测盆栽植物生长环境温度和湿度，PH值传感器检测盆栽土壤环境的酸碱度，喷头和电磁阀提供盆栽浇灌水流的通路，通过Wifi模块无线传输方式传输盆栽生长图像和相关生长参数，整个系统结构见图1所示。

盆栽管家控制系统通过土壤水分传感器监测土壤水分，当水分到达一定低的值时，单片机控制电磁阀的开度，水经电磁阀和喷水头浇灌植物；当土壤湿度到达一定高的值时，单片机控制电磁阀停止供水，从而停止浇灌植物。智能化盆栽管家控制系统，通过光照度传感器，探测植物生长环境的光照强度，当光照低于植物生长所需的值时，单片机控制LED补光源，给植物提供能生长需要的光照强度。盆栽管家控制系统通过空气温湿度传感器监测空气中的温湿度，通过Wifi模块联接家中的无线网，用户可通过手机远程监控植物生长的环境参数，摄像头连接单片机用于拍摄盆栽的生长状况图像，单片机通过Wifi模块将摄像头的图像传输到手机，智能化盆栽管家控制系统参数调节平台如图2所示。

2、智能控制器-PID串级的土壤水分智能控制系统

智能控制器-PID串级的土壤水分智能控制系统中的神经网络PID设计过程如下：

采用智能控制器-PID串级的土壤水分智能控制系统，神经网络PID副调节器的输入是根据土壤水分调节的神经网络PID主调节器与参数自调整模糊控制器的输出和来调整执行机构电磁阀开度的随动系统，副调节器回路已经尽可能把被控过程中对电磁阀开度变化剧烈、频繁和幅度大的主要扰动包括在副调节器回路中，这些副调节器回路对影响土壤水分的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力，二次扰动通过神经网络PID主调节器回路、参数自调整模糊控制器和神经网络PID副调节器回路的调节对主被控量的土壤水分的影响很小，所以土壤水分变化幅度小和稳定，系统能够快速使土壤水分达到植物生长的理想值，提高响应速度、控制精度和提高系统的稳定性。神经网络PID主调节器与参数自调整模糊控制器的输出和是神经网络PID副调节器的给定控制量，神经网络PID副调节器负责调整电磁阀的开度；神经网络PID主调节器和参数自调整模糊控制的输入是植物生长过程中的土壤水分的期望值，通过水分传感器检测土壤水分的实际值作为反馈量，由神经网络PID主调节器、参数自调整模糊控制器和神经网络PID副调节器构成串级控制系统，使土壤水分迅速达到植物生长的理想值。

1)、神经网络PID主调节器的设计

神经网络PID主调节器控制器负责调节土壤水分的实时控制器，使土壤水分迅速达到植物生长的理想值，提高土壤水分达到植物生长要求的准确和快速性，神经网络PID主调节器有3个输入x_i(t)(i＝1,2,3)，状态变换器的输入反映的是期望植物生长理想水分及土壤水分实际检测值的偏差状态，若设给定土壤水分与实际水分的偏差为e(t)，经转换器后转换成为神经元学习控制所需要的状态X₁、X₂、X₃在这里性能指标为：

为了反映神经元对外界信号的响应能力，神经元重要的特征就是要通过不断的学习使获得的知识结构适应土壤水分的变化，通过修改自身的权系数来进行的，采用了有监督的Hebb学习算法。神经元通过关联搜索来产生控制土壤水分的信号，即自适应神经元的输出控制土壤水分的信号u(t)为:

2)、神经网络PID副调节器的设计

神经网络PID副调节器负责调节电磁阀的开度来调节土壤水分，使土壤水分迅速达到植物生长的目标值，神经网络PID副调节器有3个输入x_i(t)(i＝1,2,3)，状态变换器的输入反映的是期望电磁阀开度给定与实际检测开度的偏差状态，若设电磁阀开度给定目标值和电磁阀开度的实际值的偏差为e(t)，经转换器后转换成为神经元学习控制所需要的状态X₁、X₂、X₃在这里性能指标为：

为了反映神经元对外界信号的响应能力，神经元重要的特征就是要通过不断的学习使获得的知识结构适应电磁阀开度的变化，通过修改自身的权系数来进行的，采用了有监督的Hebb学习算法。智能控制器-PID串级的土壤水分智能控制系统结构图如图3所示。神经元通过关联搜索来产生控制电磁阀开度的信号，即自适应神经元的输出控制电磁阀开度的信号u(t)为:

3)、参数自调整模糊控制器设计

本发明专利参数自调整模糊控制器作为土壤水分的预测控制器,它与神经网络PID主调节器并联，实现对土壤水分的双模控制,它由模糊控制和积分作用两部分并联组成。其模糊控制规则为u_f＝k₀×f(e,e′)，式中：u_f为参数自调整模糊控制器的输出；k₀为输出系数；f(e,e′)为自适应控制规则函数，模糊控制规则为f(e,e′)＝α×e+(1-α)e′，式中：α为自适应修正因子，0≤α≤1；α的大小反映了土壤水分的设定值与土壤水分灰色预测值的误差e和误差变化率e′对参数自调整模糊控制器输出影响的程度。通过对e及e′在土壤水分控制的不同阶段所起作用分析可知，二者在不同控制阶段对参数自调整模糊控制器的影响是不同的。在初期阶段，如果e与e′异号，则起始误差比较大，这时应选取较大的α值，以便尽快消除误差的存在。因此，应加大误差在参数自调整模糊控制规则中的权重；在中期阶段，系统误差减小，系统的上升速度加快，为减小系统的超调，应突出对误差变化的控制作用，应选取较小的α值；当系统响应接近期望值时，由于此时误差及其变化都较小，二者可取相同的权重。在实际实现过程中，α值的选取是通过查表程序获得的，本专利的参数自调整模糊控制器的输入模糊变量为土壤水分的设定值与土壤水分灰色预测值的误差e和误差变化率e′，输出量为参数自调整模糊控制器的预测控制量，它们的基本论域为[-2，2]，量化论域为[-3，3]，故量化因子为k1＝1.5；根据对应误差查表的情况如下：

其中α₀,α₁,α₂,α₃∈[0,1]，一般来说这样有利于满足土壤水分控制系统在不同工况下下对修正因子的不同要求。

4)、土壤水分灰色预测器GM(1,1)设计

土壤水分灰色预测器GM(1,1)模型所需建模信息少、运算方便和建模的精度较高，因而在各种预测领域有着广泛的应用，本发明专利引入它对土壤水分的预测中获得了较好的效果，把它作为参数自调整模糊控制器的反馈值，实现对土壤水分的预测控制。GM(1,1)模型在土壤水分预测中把土壤水分的历史数据作为输入，它的输出为土壤水分下一阶段的预测值。GM(1,1)模型是用土壤水分检测的历史数据生成后建立的微分方程，它将无规律的土壤水分历史数据使其变为较有规律的生成数列再建模，所以GM(1,1)模型实际上是生成数列模型,一般用微分方程描述。由于GM(1,1)模型的解是微分方程的解是指数曲线，因此要求生成数列是递增的且接近指数曲线。土壤水分本身均为正值，经一次累加生成后即变为递增数列，设土壤水分历史数据为：

x⁽⁰⁾＝(x⁽⁰⁾(1),x⁽⁰⁾(2)…x⁽⁰⁾(n)) (6)

作一次生成为：

x⁽¹⁾＝(x⁽¹⁾(1),x⁽¹⁾(2)…x⁽¹⁾(n)) (7)

对x⁽¹⁾对于可以建立如下一阶一个变量的线性微分方程为：

解该微分方程，并可得到土壤水分的预测值：

x⁽⁰⁾(k+1)＝x⁽¹⁾(k+1)-x⁽¹⁾(k) (9)

土壤水分灰色预测GM(1,1)模型必须等距、相邻和不得有跳跃，以最新的数据作为参考点去掉最老的数据预测值下一阶段土壤水分值。在土壤水分预测中可用最近检测土壤水分值来建模，由此来预测下一阶段土壤水分值。用上述方法预测出一阶段的土壤水分值后，把此土壤水分值再加进原始数列中，相应地去掉数列开头的一个数据建模，再预测未来下一阶段土壤水分值的预测。依此类推，预测出当前土壤水分值作为参数自调整模糊控制器的反馈值。这种方法称为等维灰数递补模型，它可实现较长时间的预测，实现对土壤水分的预测控制。

3、智能化盆栽管家控制系统的设计举例

根据盆栽植物生长环境的状况，系统布置了盆体1、花盆2、温度传感器3、湿度传感器4、土壤水分传感器5、摄像头6、Wifi模块7、触摸屏8、光照度传感器9、电磁阀10、单片机11、喷头12和LED补光灯13和植物14的平面布置安装图，花盆2在盆体1的中间，土壤水分传感器5、植物14和PH值传感器4在花盆2中间，其余装置安装在盆体1四周，整个系统平面布置见图4。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种智能化盆栽管家控制系统，其特征在于：所述管家控制系统由盆栽管家控制系统参数调节平台和智能控制器-PID串级的土壤水分智能控制系统两部分组成；

所述盆栽管家控制系统参数调节平台包括单片机、土壤水分传感器、温度传感器、湿度传感器、电磁阀、光照度传感器、触摸屏、LED补光灯、PH值传感器、Wifi模块以及摄像头，土壤水分传感器、温度传感器、湿度传感器、电磁阀、光照度传感器、触摸屏、LED补光灯、PH值传感器、Wifi模块以及摄像头均与单片机对应引脚信号连接，实现盆栽环境参数进行检测和对土壤水分进行智能化调节；

所述智能控制器-PID串级的土壤水分智能控制系统，包括参数自调整模糊控制器、土壤水分灰色预测器GM（1，1）、神经网络PID主调节器、神经网络PID副调节器、土壤水分传感器，参数自调整模糊控制器和土壤水分灰色预测器GM（1，1）实现对土壤水分的预测控制，由神经网络PID主调节器、神经网络PID副调节器和土壤水分传感器的检测值组成土壤水分的实时控制，参数自调整模糊控制器和神经网络PID主调节器并联构成对土壤水分调节的实时调节和预测调节的双模控制，参数自调整模糊控制器、神经网络PID主调节器并联和神经网络PID副调节器构成对土壤水分的串级控制；

所述双模控制根据土壤水分变化过程特点对影响土壤水分水流的电磁阀开度进行双闭环控制；参数自调整模糊控制器由模糊控制和积分作用两部分并联组成，其模糊控制规则为，式中：为参数自调整模糊控制器的输出；为输出系数；为自适应控制规则函数，自适应控制规则函数为，为自适应修正因子，；的大小反映了土壤水分的设定值与土壤水分灰色预测值的误差和误差变化率对参数自调整模糊控制器输出影响的程度；土壤水分灰色预测器GM（1,1）必须等距、相邻和不得有跳跃，以最新的土壤水分数据作为参考点去掉最老的土壤水分数据预测下一阶段土壤水分值，这种方法称为等维灰数递补的土壤水分灰色预测GM（1,1）模型，该模型可实现土壤水分较长时间的预测，实现对土壤水分的预测控制。