苹果防霜冻放热反应控制系统开发*

李 雪， 杨延宁， 邹 彬

(1.延安大学 物理与电子信息学院，陕西 延安 716000； 2.陕西省能源大数据智能处理省市共建重点实验室，陕西 延安 716000)

0 引 言

中国西北黄土高原产区土层深厚、昼夜温差大，是最佳的苹果生产地带。但西北地区早春回暖过早，果树提前进入花期，而此时气温正好处在霜冻线附近甚至更低，突如其来的“倒春寒”天气有时温度下降幅度达10 ℃以上，对花期幼果构成严重威胁，使果树花芽变色、枯萎。2018年4月上旬，陕西、山西、宁夏、甘肃等几大苹果产区发生特大霜冻灾害，温度低至-2～-7 ℃，是近十几年最罕见的极端天气，造成大面积减产甚至绝收。其中，陕西延安平均减产高达>70 %左右，对当地苹果产区造成了严重的经济损失[1]。

目前，防霜机和烟熏法的防护效果最佳[2]，但防霜机设备价格高昂，难以推广应用，尤其针对一些中小型果园，由于霜冻常发生在后半夜，烟熏法不仅会造成人力浪费和环境污染，还可能引发明火，存在很大安全隐患。本文开发了一种低成本、安全环保的苹果防霜冻放热反应控制系统，可有效降低霜冻危害，反应产物还可用于污水处理和土壤改善。

1 总方案设计

设计闭环反馈系统由数据采集、分析处理、驱动放热和控制显示4部分组成，DS18B20传感器用于获取果园温度信息，当微处理器检测到当前温度低于预设值时，通过启动比例—积分—微分(PID)控制器来改变脉宽调制(pulse width modulation,PWM)占空比[3]，驱动水泵工作并利用占空比调节其转速与流量，实现对生石灰和水放热反应程度的精确控制，使果园温度维持在预设值附近，OLED对整个系统的控制效果进行实时显示。系统总原理框图如图1所示。

图1 系统总原理框图

2 系统硬件设计

2.1 主控电路设计

系统应用于户外工作，选用STM32F103C8T6微处理器作为系统主控单元[4]。其采用3.3 V供电系统，可实现系统低功耗设计要求，同时还具有处理速度高、存储空间大等优点。引脚1,7,17,20接到电源正极，引脚11,16,19接地，PA2为温度数据输入接口，PA0,PA1分别连接OLED显示器时钟线和数据线，PB5为PWM输出接口，PB15，PA8用于配置水泵电机驱动模式。STM32F103C8T6最小系统原理如图2所示。

图2 STM32F103C8T6最小系统电路

2.2 温度采集电路设计

选取果园局部区域作为实验对象，放热反应产生的热量以该区域中心为圆心向周围散射，利用DS18B20传感器采集圆周上距离相等的4点处温度，处理器对传感器采集到的温度信号进行分析处理，并取最小值作为果园实测值送入PID控制器参与运算。DS18B20使用1—Wire协议与微处理器进行数据传输，多点组网温度采集时需将每个器件的数据引脚DQ连接在一起[5]，该传感器硬件设计简单，稳定性高，适合环境恶劣的户外工作。组网温度采集电路图如图3所示。

图3 组网温度采集电路

2.3 水泵驱动电路设计

选用L298N模块来驱动5 V水泵电机，其作为直流电机等感性负载的专用驱动模块，内部电路操作简单，与主控电路连接方便[6]。本系统仅需操作一路水泵电机，因此,只选用ENA作为PWM输入端口来使能L298N，控制水泵停转，使能端口默认低电平有效。IN1,IN2接输入控制电平，控制水泵转向，VCC给内部逻辑电路供电，OUT1,OUT2用来连接直流水泵。水泵驱动电路原理如图4所示。

图4 水泵驱动电路

2.4 显示电路设计

系统采用0.96 in(1in=2.54 cm)OLED液晶显示器来实时显示预设温度和果园实际温度，可直观显示系统控制效果。显示器具备自发光特性，不需背光源，只有在驱动程序和连线正确的情况下才会被点亮，降低了系统功耗。显示器和微处理器之间通过I2C协议进行通信，SCL,SDA分别作为I2C时钟线和数据线接口，连接端口设计简单[7]。模块工作温度范围广，低温下工作也不会影响其性能，符合系统设计要求。

2.5 电源模块设计

考虑到黄土高原地区日照时间长，自然资源充足，系统最终采取太阳能供电方式，解决了市电供给引起的线路复杂、能量传输功耗大等问题[8]。同时考虑到阴天或夜间电能转换能力降低，因此选用18 650锂电池来存储电量，其额定工作电压为3.7 V，通过锂电池专用充电芯片TP4056对其进行充电，当电压达到4.2 V时立即停止充电，拥有充电与保护一体化功能。放电时采用超低压差稳压器AMS1117-3.3，便可得到3.3 V的稳定输出电压，用于系统供电。

3 系统软件设计

3.1 PID控制算法

系统采用MDK5作为其软件开发环境，编程语言采用C语言。结合PID算法对系统进行闭环控制，较直接控制，降低了系统功耗，增强了系统稳定性，通过将比例、积分、微分三种控制方式结合起来实现对整个放热过程的精确控制。PID算法控制原理框图如图5所示。

图5 PID算法控制原理框图

PID算法控制模拟微分方程如下

(1)

式中u(t)为PID控制器输出，Kp为比例系数,Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数，e(t)为预设值和实测值的偏差，在实际操作中，需将式(1)进行离散化处理才可用于编程实现[9]，得到的离散化差分方程如式(2)所示

(2)

式中T为采样周期，k为离散自变量，式(2)每次输出都需考虑曾经发生过的状态且需要对各时刻偏差值进行累加，运算量大，为减小运算工作量，加快系统响应，选用增量式PID算法进行控制[10,11]，将式(2)与这两个相邻时刻的输出相减得到的增量式输出表达式如式(3)所示

Δu(k)=Kp(e(k)-e(k-1))+Kie(k)+

Kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))

(3)

式中Ki为积分系数，Kd为微分系数，通过增量式输出来更新PWM占空比，最终实现调节果园温度的目的。

3.2 主程序设计

系统上电后，首先对IO口、定时器状态和液晶显示器进行初始化，温度传感器采集果园温度，当处理器检测到测量温度低于预设值时，调用PID控制子程序，通过改变PWM占空比来调节直流水泵转速及流量，控制放热反应程度。系统主程序流程如图6所示。

图6 系统主程序流程

3.3 温度采集子程序设计

DS18B20使用1—Wire协议与微处理器进行数据通信。温度读取时对信号时序有严格要求，待传感器初始化完成后，系统首先判断总线上有无DS18B20器件，若无，则返回一个错误值;反之，则进行温度读取操作。由于采取多点采集方式，为区分具体操作对象，需对DS18B20内部的64位ROM序列号进行匹配后，再发送温度转换命令，待主机发送复位命令后，再次进行器件序列号匹配，最后才发送读数据寄存器指令，微处理器每隔100 ms读取一次果园温度数据。

4 系统测试方案

基于系统的设计方案完成了样机制作，在完成系统软硬件功能调试后，选择延安市宝塔区川口乡的小李渠村果园作为样机实验地点。延安地区霜冻一般发生在4月中旬至5月初，因此选择在此时间段内进行PID控制算法的最佳参数整定和系统的性能测试工作。

4.1 测试设备与材料

防霜冻系统样机、5 V直流水泵、秒表、块状生石灰、水、催化剂、反应槽。

4.2 具体实施方案

果园苹果树间隔平均为2 m，为克服地势、风向等环境因素带来的影响，以4 m×4 m的正方形区域作为单个装置热量可以辐射的最大范围，将防霜冻样机放置在中心果树下方，正方形区域4个顶点位置处的果树下分别安装1只温度传感器，将4点处采集到的最小温度值作为果园实测温度送入PID控制器参与运算，以此确保该区域内每一点的温度都能达到预设温度要求。

5 测试结果与分析

首先通过实验来确定最佳控制参数，果树花期冻害临界温度为-2 ℃，因此，选择在果园温度下降到0 ℃时展开测试，预设温度设置为4 ℃。PID参数调节控制效果如表1所示。

在实验中，通过使用控制变量法对参数逐个进行调试，最终整定的最佳参数为Kp=20，Ki=1，Kd=1，此时系统仅有少量超调，能快速达到预设温度要求并保持稳定状态。在完成参数整定后，还对系统性能进行了测试，每隔2 s读取一次温度数据，测试结果如图7所示。

表1 PID参数调节控制效果

图7 系统性能测试结果

通过实验结果可知，系统达到稳态所需时间约为36 s，稳态误差为仅为0.11 ℃，最大相对误差为14.5 %，基本可以达到系统设计要求。

6 结 论

通过结合PID算法达到了对果园温度的精确控制，同时，多点温度采集的布局方式使得系统设计更加科学、合理。实验结果表明：该控制系统具有响应快、运行稳定、成本低、防护效果明显等特点，极大减小了霜冻灾害损失，基本达到系统设计要求，在果园灾害防护方面具有很强的应用价值，还可推广至蔬菜等农作物防护领域。