仓桥水晶梨生长监测系统研究

摘要：在深入了解国内外农作物监测系统研究现状的基础上，根据现代无线技术的发展，设计研发了仓桥水晶梨生长监测系统，提出以AT89S52为核心、以积分变换PID控制算法为主要控制方式。系统可以监测并调节空气温湿度、土壤湿度、光照度等参数，从而对水晶梨参数信息进行实时监测和调整并报警，通过无线传输模块nRF905将采集信息传送给控制主机，再结合有线技术传送给上位机，将无线技术和有线技术结合起来，实现远程参数的无线监测。

关键词：水晶梨；生长参数；远程监测；无线技术；应用效果

中图分类号： TP277.2；S126文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）06-0380-04

收稿日期：2013-09-06

基金项目：教育部高等学校博士学科点专项科研基金（编号：200802800007）；上海市科学技术委员会项目（编号：10510500600）；上海市特色高等职业院校建设项目（编号：C603）；上海农林职业技术学院项目（编号：091221）。

作者简介：王兴旺（1978—），男，河南开封人，博士研究生，副教授，主要研究方向为数字农业、农业信息技术。Tel：（021）57729719；E-mail：gpguiping@163.com。农作物生长监测技术在许多发达国家如荷兰、美国、以色列等已相当先进，能够达到对多因素综合控制的水平，但其价格昂贵，维护不方便，以荷兰为代表的欧美国家的生长监测系统开始向网络化、无线化方向发展[1]。2002年英特尔公司率先在俄勒冈州建立了第1个无线葡萄园，用于测量葡萄园中环境的细微变化[2]。传感器节点被分布在葡萄园的每个角落，每隔1 min检测1次土壤温度、湿度或该区域有害物的数量以确保葡萄可以健康生长，进而获得大丰收。英国的农作物生长监测系统、西班牙和奥地利的遥控温室系统都是计算机控制与管理在农作物生长过程中的成功应用[3]。美国开发的农作物生长监测系统可以根据温室作物的特点和要求，对温室内光照、温度、水、气、肥等诸多因子进行自动监测，还可利用差温管理技术实现对花卉、果蔬等产品的开花和成熟期进行控制，以满足生产和市场的需要。目前，美国已将全球定位系统、电脑和遥感遥测等高新技术应用于农作物生产[4]。

随着无线传感器网络技术的快速发展，人们也开展了农作物生长监测系统的应用研究。例如，北京市科委计划项目“蔬菜生产智能网络传感器体系研究与应用”把无线传感器网络示范应用于温室农作物生产中[5]；2008年10月，上海市计算机研究所研发三部已将自主知识产权的自组织树型无线传感器网络系统应用到了上海奉贤花卉大棚监测系统中，大大提高了工作效率。

仓桥水晶梨是一种新型的梨品种，其果实为圆球形或扁圆形，平均单果重385 g，最大560 g；果皮近成熟时乳黄色，表面晶莹光亮，有透明感，外观诱人；果肉白色，肉质细腻，致密嫩脆，汁液多，可溶性固形物含量14%，石细胞极少，果心小，味蜜甜，香味浓郁，品质特优[6]。2011年，仓桥水晶梨正式被国家质监总局批准为“国家地理标志产品”。仓桥水晶梨日前已经成为上海地区重要的水果类拳头产品，但针对仓桥水晶梨生长的监测系统很少，甚至未见报道，根据目前仓桥水晶梨的生产现状，笔者对仓桥水晶梨生长监测系统的研发与应用展开了研究工作。

1系统电路设计

仓桥水晶梨生长监测系统硬件部分主要由控制器模块、电源电路模块、空气温湿度测量电路模块、土壤湿度测量电路模块、光强测量电路模块、二氧化碳浓度测量电路模块、显示电路模块、报警电路模块、通信电路模块、控制电路模块组成。

1.1空气温湿度测量电路模块设计

本设计选择SHT10数字式温湿度传感器来检测水晶梨大棚中空气的温湿度。SHT10数字式温湿度传感器是由Sensirion公司推出的一种可以同时测量湿度、温度的传感器，不需外围元件直接输出经过标定了的相对湿度、温度的数字信号，可以有效解决传统温、湿度传感器的不足。

如图2所示，SHT10数字式温湿度传感器来检测温室大棚中空气的温湿度，并将检测到的信号传送给单片机的P0口，让单片机处理。

1.2土壤湿度测量电路模块设计

本设计选择FDS-100型土壤水分传感器检测土壤中水分的含量。FDS-100型土壤水分传感器引脚功能如下：红线（VDD），5～12 V电源输入；黄线（V-OUT），电压输出0～1.875 V直流电；黑线（GND），地线。功能及特点如下：（1）本传感器体积小巧化设计，携带方便，安装、操作及维护简单；（2）结构设计合理，不绣钢探针保证使用寿命；（3）外部以环氧树脂纯胶体封装，密封性好，可直接埋入土壤中使用，且不受腐蚀；（4）土质影响较小，应用地区广泛；（5）测量精度高，性能可靠，确保正常工作；（6）响应速度快，数据传输效率高。

FDS-100型土壤水分传感器经过LM358经信号放大输送至单片机P0口，电路如图3所示。

1.3光强测量电路模块设计

本设计选择TSL2561光强传感器检测水晶梨大棚的光照度。各引脚的功能如下：脚1和脚3分别是电源引脚和信号地，其工作电压工作范围是是2.7～3.5V；脚2为器件访问地址选择引脚，由于该引脚电平不同，该器件有3个不同的访问地址；脚4和脚6为总线的时钟信号线和数据线；脚5为中断信号输出引脚，当光强度超过用户编程设置的上或下阈值时器件会输出1个中断信号。TSL2561光强度数字转换芯片与单片机P0相接，电路原理如图4所示。

1.4报警电路模块设计

本系统专门设计了报警电路模块，由晶体管和蜂鸣器组成。由单片机I/O口输出信号控制晶体管的导通或截止，晶体管导通则蜂鸣器报警。当某个监控参数长时间（具体时间由程序设定）超出其合理的上下限范围时，报警系统启动，它与单片机的连接电路如图5所示。

2积分变换PID控制算法设计

2.1积分变换PID控制算法的提出

在普通PID控制中，引入积分环节的目的主要是为了消除静差。但在过程的启动、结束或大幅度增减设定时，短时间内系统输出有很大偏差，会造成PID运算的积分积累，致使控制量超过了执行机构可能允许的最大动作范围对应的极限控制量，引起系统较大的超调，甚至引起系统较大的振荡，这在生产过程中是绝对不允许的。根据PID控制算法的局限性，我们提出了积分变换PID控制算法。

积分变换PID控制基本思想是：当被控量与设定值偏差较大时，取消积分的作用，以免由于积分作用使系统稳定性降低，超调量增大；当被控量接近给定值时，引入积分控制，以便

消除静差，提高控制精度。其具体实现步骤如下：

第1步，根据实际情况，人为设定阈值ε>0；

第2步，当|error（k）| >ε时，采用PD控制，可避免产生过大的超调，又使系统有较快的响应；

第3步，当|error（k）| ≤ε时，采用PID控制，以保证系统的控制精度。

积分变换控制算法可表示为：

u（k）=kperror（k）+βk∑kj=0error（j）kd[error（k）-error（k-1）]/T。（1）

式中：T为采样时间；β为积分项的开关系数。

β=1|error（k）|≤ε

0|error（k）|>ε。（2）

2.2积分变换PID控制算法试验

设被控对象为一个延迟对象：G（s）=e80s60s+1采样时间为20 s，延迟时间为4个采样时间，即80 s，被控对象离散化为：

y（k）=-den（2）y（k-1）+mum（2）u（k-5）。（3）

试验：采用M语言进行仿真。取M=1，采用积分变换式PID控制器进行阶跃响应，采用分段积分变换方式，即根据误差绝对值的不同，采用不同的积分强度。仿真中指令信号为r（k）=40，控制器输出限制在[-110，110]。取M=2，采用普通PID控制。

由试验结果得出结论，采用积分变换方法对系统进行控制其平稳性和快速性都要优于普通的PID控制，控制效果有很大的改善。值得注意的是，为保证引入积分作用后系统的稳定性不变，在输入积分作用时比例系数kp可进行相应变化。此外，β值应根据具体对象及要求而定，若β过大，则达不到积分变换的目的；若β过小，则会导致无法进入积分区。如果只进行PID控制，会使控制出现余差。

3系统测试及应用效果分析

3.1系统应用后温湿度变化值对比

系统完成后，笔者于2012年10月24日在上海仓桥水晶梨基地对水晶梨大棚进行了温湿度监测精度测试，系统操作与温湿度计测量结果对比见表1。

时刻采集温度

（℃）实际温度

（℃）温度误差

（℃）相对湿度

（%）实际湿度

（%）湿度误差

（百分点）09：0011.411.50.187.787.50.210：0010.811.60.287.887.60.211：0011.211.30.187.488.20.212：0010.711.50.287.087.30.313：0011.211.30.188.687.70.114：001111.10.187.887.60.215：0010.811.70.187.087.20.216：0010.711.60.187.288.41.217：0010.610.90.387.788.60.9

系统每10 min 采集1 次温湿度数据，每1 h取平均值后与SK-110TRH 型温湿度计测得的标准温湿度对比（表1）。测试结果证明，系统温度最大误差±0.3 ℃，湿度最大误差±1.2百分点，与同类温湿度监测系统相比，精度较高。

3.2实际生产效果对比

仓桥水晶梨由于品质的不同，价格变化也较大，仓桥水晶梨在销售过程中约定：价格在20元/kg以上的为优质水晶梨，价格在10元/kg左右的为普通水晶梨，价格在5元/kg以下的为劣质水晶梨。课题组成员于2012年11月至2013年8月在仓桥水晶梨基地两块相同大小的水晶梨大棚内做了是否使用生长监测系统的数据统计，根据数据统计结果得出如图6所示的效果对比。

由图6可知，通过使用仓桥水晶梨生长监测系统，对水晶梨生长过程中的温度、湿度、光照等参数信息进行及时的监测和调节，使得环境因子保持在一个比较适宜的范围，水晶梨的优质率和普通率有一定程度的提高，劣质率有一定程度的下降，这说明适宜的生长环境对水晶梨的品质有较大的影响作用。

4结论

笔者通过对农作物生长监测系统的研究，结合仓桥水晶梨的生长特点，设计研发了仓桥水晶梨生长监测系统，主要完成了空气温湿度测量电路模块设计、土壤湿度测量电路模块设计、光强测量电路模块设计、报警电路模块设计等。在系统控制方面，提出了积分变换PID控制算法，并进行了相应的控制试验，试验结果表明积分变换PID控制算法对系统进行控制的平稳性和快速性都要优于普通的PID控制。系统完成后在仓桥水晶梨基地做了系统测试并投入应用，经过近1年的使用，发现水晶梨的优质率和普通率有了稳步的提升，劣质率有了一定程度的下降，带来了一定的经济效益和社会效益，但是对于水晶梨生长环境的温度、湿度、光照等参数的自动控制及精确控制还比较困难，这个问题将作为今后研究的重点内容和方向。

参考文献：

[1]孙利民，李建中，陈渝. 无线传感器网络[M]. 北京：清华大学出版社，2005：53-65.

[2]王雪. 无线传感网络测量系统[M]. 北京：机械工业出版社，2007：156-178.

[3]韩华峰. 农业环境信息远程监控与管理系统设计[D]. 北京：中国农业科学院，2009：13-14.

[4]于海斌，曾鹏，梁韡.智能无线传感器网络系统[M]. 北京：科学出版社，2006：45-78.

[5]于海滨，曾鹏，梁鞯.智能无线传感器网络系统[M]. 北京：科学出版社，2006：45-78.

[6]韩清华，李树君，张云川，等. 食用菌工厂化栽培环境的远程监测系统[J]. 农业机械学报，2008，39（8）：123-127.

2积分变换PID控制算法设计

2.1积分变换PID控制算法的提出

在普通PID控制中，引入积分环节的目的主要是为了消除静差。但在过程的启动、结束或大幅度增减设定时，短时间内系统输出有很大偏差，会造成PID运算的积分积累，致使控制量超过了执行机构可能允许的最大动作范围对应的极限控制量，引起系统较大的超调，甚至引起系统较大的振荡，这在生产过程中是绝对不允许的。根据PID控制算法的局限性，我们提出了积分变换PID控制算法。

积分变换PID控制基本思想是：当被控量与设定值偏差较大时，取消积分的作用，以免由于积分作用使系统稳定性降低，超调量增大；当被控量接近给定值时，引入积分控制，以便

消除静差，提高控制精度。其具体实现步骤如下：

第1步，根据实际情况，人为设定阈值ε>0；

第2步，当|error（k）| >ε时，采用PD控制，可避免产生过大的超调，又使系统有较快的响应；

第3步，当|error（k）| ≤ε时，采用PID控制，以保证系统的控制精度。

积分变换控制算法可表示为：

u（k）=kperror（k）+βk∑kj=0error（j）kd[error（k）-error（k-1）]/T。（1）

式中：T为采样时间；β为积分项的开关系数。

β=1|error（k）|≤ε

0|error（k）|>ε。（2）

2.2积分变换PID控制算法试验

设被控对象为一个延迟对象：G（s）=e80s60s+1采样时间为20 s，延迟时间为4个采样时间，即80 s，被控对象离散化为：

y（k）=-den（2）y（k-1）+mum（2）u（k-5）。（3）

试验：采用M语言进行仿真。取M=1，采用积分变换式PID控制器进行阶跃响应，采用分段积分变换方式，即根据误差绝对值的不同，采用不同的积分强度。仿真中指令信号为r（k）=40，控制器输出限制在[-110，110]。取M=2，采用普通PID控制。

由试验结果得出结论，采用积分变换方法对系统进行控制其平稳性和快速性都要优于普通的PID控制，控制效果有很大的改善。值得注意的是，为保证引入积分作用后系统的稳定性不变，在输入积分作用时比例系数kp可进行相应变化。此外，β值应根据具体对象及要求而定，若β过大，则达不到积分变换的目的；若β过小，则会导致无法进入积分区。如果只进行PID控制，会使控制出现余差。

3系统测试及应用效果分析

3.1系统应用后温湿度变化值对比

系统完成后，笔者于2012年10月24日在上海仓桥水晶梨基地对水晶梨大棚进行了温湿度监测精度测试，系统操作与温湿度计测量结果对比见表1。

时刻采集温度

（℃）实际温度

（℃）温度误差

（℃）相对湿度

（%）实际湿度

（%）湿度误差

（百分点）09：0011.411.50.187.787.50.210：0010.811.60.287.887.60.211：0011.211.30.187.488.20.212：0010.711.50.287.087.30.313：0011.211.30.188.687.70.114：001111.10.187.887.60.215：0010.811.70.187.087.20.216：0010.711.60.187.288.41.217：0010.610.90.387.788.60.9

系统每10 min 采集1 次温湿度数据，每1 h取平均值后与SK-110TRH 型温湿度计测得的标准温湿度对比（表1）。测试结果证明，系统温度最大误差±0.3 ℃，湿度最大误差±1.2百分点，与同类温湿度监测系统相比，精度较高。

3.2实际生产效果对比

仓桥水晶梨由于品质的不同，价格变化也较大，仓桥水晶梨在销售过程中约定：价格在20元/kg以上的为优质水晶梨，价格在10元/kg左右的为普通水晶梨，价格在5元/kg以下的为劣质水晶梨。课题组成员于2012年11月至2013年8月在仓桥水晶梨基地两块相同大小的水晶梨大棚内做了是否使用生长监测系统的数据统计，根据数据统计结果得出如图6所示的效果对比。

由图6可知，通过使用仓桥水晶梨生长监测系统，对水晶梨生长过程中的温度、湿度、光照等参数信息进行及时的监测和调节，使得环境因子保持在一个比较适宜的范围，水晶梨的优质率和普通率有一定程度的提高，劣质率有一定程度的下降，这说明适宜的生长环境对水晶梨的品质有较大的影响作用。

4结论

笔者通过对农作物生长监测系统的研究，结合仓桥水晶梨的生长特点，设计研发了仓桥水晶梨生长监测系统，主要完成了空气温湿度测量电路模块设计、土壤湿度测量电路模块设计、光强测量电路模块设计、报警电路模块设计等。在系统控制方面，提出了积分变换PID控制算法，并进行了相应的控制试验，试验结果表明积分变换PID控制算法对系统进行控制的平稳性和快速性都要优于普通的PID控制。系统完成后在仓桥水晶梨基地做了系统测试并投入应用，经过近1年的使用，发现水晶梨的优质率和普通率有了稳步的提升，劣质率有了一定程度的下降，带来了一定的经济效益和社会效益，但是对于水晶梨生长环境的温度、湿度、光照等参数的自动控制及精确控制还比较困难，这个问题将作为今后研究的重点内容和方向。

参考文献：

[1]孙利民，李建中，陈渝. 无线传感器网络[M]. 北京：清华大学出版社，2005：53-65.

[2]王雪. 无线传感网络测量系统[M]. 北京：机械工业出版社，2007：156-178.

[3]韩华峰. 农业环境信息远程监控与管理系统设计[D]. 北京：中国农业科学院，2009：13-14.

[4]于海斌，曾鹏，梁韡.智能无线传感器网络系统[M]. 北京：科学出版社，2006：45-78.

[5]于海滨，曾鹏，梁鞯.智能无线传感器网络系统[M]. 北京：科学出版社，2006：45-78.

[6]韩清华，李树君，张云川，等. 食用菌工厂化栽培环境的远程监测系统[J]. 农业机械学报，2008，39（8）：123-127.

2积分变换PID控制算法设计

2.1积分变换PID控制算法的提出

在普通PID控制中，引入积分环节的目的主要是为了消除静差。但在过程的启动、结束或大幅度增减设定时，短时间内系统输出有很大偏差，会造成PID运算的积分积累，致使控制量超过了执行机构可能允许的最大动作范围对应的极限控制量，引起系统较大的超调，甚至引起系统较大的振荡，这在生产过程中是绝对不允许的。根据PID控制算法的局限性，我们提出了积分变换PID控制算法。

积分变换PID控制基本思想是：当被控量与设定值偏差较大时，取消积分的作用，以免由于积分作用使系统稳定性降低，超调量增大；当被控量接近给定值时，引入积分控制，以便

消除静差，提高控制精度。其具体实现步骤如下：

第1步，根据实际情况，人为设定阈值ε>0；

第2步，当|error（k）| >ε时，采用PD控制，可避免产生过大的超调，又使系统有较快的响应；

第3步，当|error（k）| ≤ε时，采用PID控制，以保证系统的控制精度。

积分变换控制算法可表示为：

u（k）=kperror（k）+βk∑kj=0error（j）kd[error（k）-error（k-1）]/T。（1）

式中：T为采样时间；β为积分项的开关系数。

β=1|error（k）|≤ε

0|error（k）|>ε。（2）

2.2积分变换PID控制算法试验

设被控对象为一个延迟对象：G（s）=e80s60s+1采样时间为20 s，延迟时间为4个采样时间，即80 s，被控对象离散化为：

y（k）=-den（2）y（k-1）+mum（2）u（k-5）。（3）

试验：采用M语言进行仿真。取M=1，采用积分变换式PID控制器进行阶跃响应，采用分段积分变换方式，即根据误差绝对值的不同，采用不同的积分强度。仿真中指令信号为r（k）=40，控制器输出限制在[-110，110]。取M=2，采用普通PID控制。

由试验结果得出结论，采用积分变换方法对系统进行控制其平稳性和快速性都要优于普通的PID控制，控制效果有很大的改善。值得注意的是，为保证引入积分作用后系统的稳定性不变，在输入积分作用时比例系数kp可进行相应变化。此外，β值应根据具体对象及要求而定，若β过大，则达不到积分变换的目的；若β过小，则会导致无法进入积分区。如果只进行PID控制，会使控制出现余差。

3系统测试及应用效果分析

3.1系统应用后温湿度变化值对比

系统完成后，笔者于2012年10月24日在上海仓桥水晶梨基地对水晶梨大棚进行了温湿度监测精度测试，系统操作与温湿度计测量结果对比见表1。

时刻采集温度

（℃）实际温度

（℃）温度误差

（℃）相对湿度

（%）实际湿度

（%）湿度误差

（百分点）09：0011.411.50.187.787.50.210：0010.811.60.287.887.60.211：0011.211.30.187.488.20.212：0010.711.50.287.087.30.313：0011.211.30.188.687.70.114：001111.10.187.887.60.215：0010.811.70.187.087.20.216：0010.711.60.187.288.41.217：0010.610.90.387.788.60.9

系统每10 min 采集1 次温湿度数据，每1 h取平均值后与SK-110TRH 型温湿度计测得的标准温湿度对比（表1）。测试结果证明，系统温度最大误差±0.3 ℃，湿度最大误差±1.2百分点，与同类温湿度监测系统相比，精度较高。

3.2实际生产效果对比

仓桥水晶梨由于品质的不同，价格变化也较大，仓桥水晶梨在销售过程中约定：价格在20元/kg以上的为优质水晶梨，价格在10元/kg左右的为普通水晶梨，价格在5元/kg以下的为劣质水晶梨。课题组成员于2012年11月至2013年8月在仓桥水晶梨基地两块相同大小的水晶梨大棚内做了是否使用生长监测系统的数据统计，根据数据统计结果得出如图6所示的效果对比。

由图6可知，通过使用仓桥水晶梨生长监测系统，对水晶梨生长过程中的温度、湿度、光照等参数信息进行及时的监测和调节，使得环境因子保持在一个比较适宜的范围，水晶梨的优质率和普通率有一定程度的提高，劣质率有一定程度的下降，这说明适宜的生长环境对水晶梨的品质有较大的影响作用。

4结论

笔者通过对农作物生长监测系统的研究，结合仓桥水晶梨的生长特点，设计研发了仓桥水晶梨生长监测系统，主要完成了空气温湿度测量电路模块设计、土壤湿度测量电路模块设计、光强测量电路模块设计、报警电路模块设计等。在系统控制方面，提出了积分变换PID控制算法，并进行了相应的控制试验，试验结果表明积分变换PID控制算法对系统进行控制的平稳性和快速性都要优于普通的PID控制。系统完成后在仓桥水晶梨基地做了系统测试并投入应用，经过近1年的使用，发现水晶梨的优质率和普通率有了稳步的提升，劣质率有了一定程度的下降，带来了一定的经济效益和社会效益，但是对于水晶梨生长环境的温度、湿度、光照等参数的自动控制及精确控制还比较困难，这个问题将作为今后研究的重点内容和方向。

参考文献：

[1]孙利民，李建中，陈渝. 无线传感器网络[M]. 北京：清华大学出版社，2005：53-65.

[2]王雪. 无线传感网络测量系统[M]. 北京：机械工业出版社，2007：156-178.

[3]韩华峰. 农业环境信息远程监控与管理系统设计[D]. 北京：中国农业科学院，2009：13-14.

[4]于海斌，曾鹏，梁韡.智能无线传感器网络系统[M]. 北京：科学出版社，2006：45-78.

[5]于海滨，曾鹏，梁鞯.智能无线传感器网络系统[M]. 北京：科学出版社，2006：45-78.

[6]韩清华，李树君，张云川，等. 食用菌工厂化栽培环境的远程监测系统[J]. 农业机械学报，2008，39（8）：123-127.