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针对温室白昼温度控制中的基于事件的控制和无线传感器网络的一个模拟案例研究
- 帕沃夫斯基，J.L.古兹曼，F.罗德里格兹，M.贝伦格尔
语言和计算机系，阿尔梅里亚大学
萨克拉门托大道，无号码，邮编04120，阿尔梅里亚（西班牙）
电子邮箱：ap245@ual.es
J.桑切斯，S.多米德
计算机与自动化系，国家远程教育大学
罗萨尔约翰街，16号，邮编28040，马德里（西班牙）
摘要
温室设备通常都需要尽最大努力地将所有的传感器和数据采集系统连接起来并分布它们。这些设备需要很多数据和电源线分布在温室当中从而使得系统变得复杂并且昂贵。除此之外，还有一些其他的原因如分布式驱动器的不适用性，这些都使得只有个别的且经常被放置于温室中固定位置的传感器能够成为测量温室动态效应的代表。另一方面，温室中的驱动系统通常是由机械装置组成的，这些机械装置受继电器控制，从安全性和经济的角度来看这样可以很好地减少相互传送控制信号的数量。温室的环境控制可以等效于一个由基于事件的系统，其中只有低频的动态变量需要被控制并且这种控制往往是制止由外部干扰引起的事件。因此，本文将给出在温室的温度控制问题中运用无线传感网络和基于事件的控制方式的初步思想和结论。
1 前言
如今，由于生产需求巨大，并且对多样化、品质和市场呈现出的需要，农业消化部门正在整合新的技术。因此，部门中的一场工艺的革新是必需的，同时控制工程扮演着决定性的角色。它整合了自动控制技术和机器人技术在所有的农业生产环节：种植，生产，收获，收获后加工和运输。现代农业在质量和环境影响方面受到监管，因此在过去几年中自动控制技术在这一领域中的应用越来越多。
众所周知，温室的表面积非常大，在温室中的各个地方气候环境都在发生变化（空间分布性）。尽管如此，我们一般都是对于每一个环境变量在温室的一个固定的位置上安装一个传感器来作为系统的主要动态变化的代表。这样做的原因之一是典型的温室设施需要大量的电线去分配传感器和执行器。因此，系统变得复杂和昂贵并且要在温室中不同的地方添加新的传感器和制动器也会受到限制。
在过去几年中，无线传感器网络（WSN）逐渐成为解决这一问题的重要措施。WSN是一组由无线媒介连接起来的传感器和执行器节点的集合，从而实现分布式感知和执行功能。这些传感器节点收集数据并且通过网络环境与电脑系统进行通讯，我们称这个电脑系统为基站。基于这些收集起来的数据，基站做出决定之后执行器根据环境做出正确的动作。这一方式使得使用者不论何时何地都能够了解并且控制环境[8]。在这一项工作中，WSN通常与基于事件的系统相结合来控制温室内的温度。
基于事件的系统变得越来越常见，尤其是对于分布式的实时感应与控制。一个运行于基于事件的操作系统上的典型应用是状态变量能够及时地被异步更新，例如，当感兴趣的事件被检测到或由于计算和/或通信延迟。基于事件的控制系统目前被认为是解决许多控制问题的手段。在基于事件的控制系统中，正是系统变量的适当的动态演化决定了什么时候下一个控制动作将被执行，然而在基于时间控制的系统中，是时间的自主发展去决定执行控制动作。基于时间的控制系统之所以有优势的根本原因是因为它是建立在已经建立好的一套具有连续采样时间控制系统的理论的基础之上。然而，目前的分布式控制系统还对系统的体系结构施加了限制，这就使得采用一个由时间触发的事件的范式变得困难。特别是，在使用计算机网络或总线的闭环控制的情况下，因为它发生在现场总线，本地区域网络，甚至是互联网。一种替代这些方法的选择是使用基于事件的控制器，这种控制器不会受到控制器的动作同时发生的限制。在软件的执行过程当中工程师需要控制的最苛刻的状况之一就是对同步采样周期的使用。这样的例子有很多，如手机，印刷设备或PDA。这些设备（过程）的复杂性，以及控制器的复杂性，正在迅速增加。通过使用基于事件的控制器可以降低这些复杂性，因为这些控制动作可以以一种异步的方式被执行。
在温室控制中存在的问题主要集中在施肥灌溉和气候系统。施肥灌溉控制问题的解决通常是提供给作物所需的水和肥料的用量。气候控制问题在于不管是否有干扰，要保持温室温度在特定的范围内。自适应正反馈控制器通常被用来解决气候控制问题，它可以对扰动的变化作出相逆的反应。因此，灌溉和气候系统能够由基于事件的控制问题来表示，其中当系统需要的时候控制动作能够被计算和实施，举例说明，比如当作物需要水时或因外界气候条件的变化而引起通风必须关闭的时候。此外，正如上面讨论的那样，在基于事件的控制系统中当系统中检测到发生变化的时候，只会有一个新的控制信号产生。也就是说，只有当一个事件发生时才会驱动系统，而且控制信号的交换次数被减少了。从经济的角度来看（减少电力或燃料的使用）这种情形对于致动器的寿命是非常重要的，特别是那些在温室中使用的由继电器控制的机械装置所组成的致动器。
本文提出了初步的想法和关于无线传感器网络与事件控制系统相结合在温室中应用的模拟仿真。与之相仿的，基于事件的控制已首先被应用于使用通风系统的昼夜温度控制问题当中。本文组织如下。第2节专门描述了温室气候的控制问题。随后，本文对基于事件的系统和无线传感器网络的温室温度控制进行了讨论。在第4节给出了仿真结果。最后在第5节给出了一些结论。
2 温室气候控制问题
2.1气候控制问题简介
农作物的生长主要受到周围环境气候变量以及灌溉所提供的水和肥料的量的影响。这就是为什么说温室能够理想地培育农作物的主要原因，因为它为农作物的理想生长和发展提供了一个封闭的环境，其中气候和灌溉变量都能够被控制。气候和施肥灌溉是不同的两个独立的系统控制问题。根据经验，不同作物品种对于水分和养分的要求是已知的，事实上，第一个自动化系统就是去控制那些变量的。因为温室作物生产的问题是一个复杂的问题，所以我们做一个扩展的简化假设，即植物在每时每刻得到所需的水分和养料。这样，作物生长的控制问题就能够被简化为一个气候环境条件的函数。
温室小气候的动态行为是一个组合的物理过程，涉及能量转移（辐射和热）和质量平衡（水蒸汽通量和二氧化碳浓度）。这些过程取决于通风口的环境条件，温室的结构，作物的类型和状态，还取决于执行器控制的影响[4]。控制温室气候的主要途径是通过通风和加热的方式去改变内部的温湿度状况，通过阴影和人造光的方式去改变内部的辐射和二氧化碳的注入进而去影响光合作用和雾湿度富集。更深的关于气候控制问题的研究可以参考。
图1 气候控制变量
基于温室结构，更常见的还有执行器，作物类型和西班牙东南部的商业条件（在本文中所使用到的模拟所需的数据已被执行），在该区域中主要的控制的气候变量是温度。二氧化碳浓度仅是被用来进行监测，因为进行人工二氧化碳的注册太昂贵了。标准辐射是由阴影屏幕来控制的，但是它的使用不是很广泛。因此，本文将重点放在温度和湿度控制。
2.2 空气温度控制
植物在标准辐射（昼夜条件）的影响下进行光合作用来生长。此外，温度会影响光合作用产生的糖的生成速度，从而辐射和温度必须在一个较高的辐射水平与较高的温度水平的对应的方式下平衡。所以，在白昼的时候保持温度在一个较高的水平下是很有必要的，因为这有利于光合作用。在夜间，植物不活跃（作物不生长），因此不需要保持较高的温度。出于这个原因，我们通常考虑2个温度设定点：日间和夜间。
由于西班牙东南部拥有良好的气候条件，因此在白天，作物所需的能够达到理想温度的能量由太阳提供。事实上，白天的温度控制问题是关于温室的制冷的问题（温度高于白天的设定点），可以通过自然通风的方式达到最佳的温度。另一方面，夜间的温度控制问题是关于温室的制热的问题（温度低于夜间的设定点），可以使用加热装置达到最佳的温度。
如上所述，在本文中只分析白天的温度控制来测试提出的基于事件的控制。因此，在下面的部分中，将分析带有通风的典型温度控制系统。
2.3 通风系统的温度控制
自然通风决定了温室内的空气交换和空气流通，这是由于外界和内部温度的差异造成的。该控制系统的主要目标是保持内部温度在所需的设定温度范围内。气孔和内部温度之间的关系不是线性的，但是我们决定选用一个增益调度控制算法去使用很容易得到的线性模型而非使用非线性控制（见图2）。大多数商业解决方案包括这种增益调度控制器，以应付由于干扰引起的快速和缓慢变化的动态。该控制器包含了一个增益调度PI方案，其中的控制器的值可以被改变，这些值以一些干扰为基础，如外部温度和风速。这个算法的完整描述可以在中找到。
图2 增益调度控制器
3 基于事件和无线传感器网络的温室温度控制系统
在把温室温度控制问题当作一个基于事件的控制问题来解决之前，我们先来介绍一些有关水平交叉采样和基于事件的控制的基本概念。
3.1 水平交叉采样和基于事件的控制
正如前面所讨论的，在一个基于事件的控制系统中，控制行为以异步方式执行，即采样周期由系统事件控制，并且它被称为基于事件的采样。基于事件的采样是一个非常古老的想法，它指出最合适的抽样方法是指只有当一个信号中出现了显著的变化才发送信息，这才证明了一个新的采样。这种采样方法在文献中有着不同的名字：自适应采样，异步调制，死区方法，发送变量增量法，水平交叉采样和和勒贝格采样法。
尽管名称各不相同（在本文中选用水平交叉采样这一名称），基本原理是相同的：当当前采样值与上一时刻采样值之间绝对值相差大于一个限定值delta;时，输入信号被采样。当信号的变化比较小时，样本的数量会明显小于一周期一采样方案的数量，如图3所示：
(1)
图3 水平交叉法
如果取样是事件触发的，基于事件的控制系统可以代替基于时间的控制系统。这些控制系统又可以叫做非周期性的或异步控制系统。在基于事件的系统中，是事件的发生而不是时间来决定什么时候进行采样。事件的性质可能会有所不同。例如可以是一个测量信号超过一个特定的限制，或数据包到达计算机网络的一个节点上。
通常，基于事件的控制器由两部分组成：事件检测器和控制器。当一个事件发生时事件检测器指示控制器必须产生一个控制动作。例如，如果当前的误差值与上一个计算出的误差值之间的绝对值大于限定值delta;时，或者自从上个采样之后经过的时间超过了限定的时间，那么就会做出计算一个新的控制信号的决定。最后一个条件是一个简单的安全措施：
and (2)
条件的效应将会使控制器在瞬态过程中的标准采样时间点进行工作，例如使设置点发生变化和使负载扰动，还将会使控制器在稳态条件中的最大采样间隔内进行工作。
3.2 温室中的无线传感器网络和基于事件的控制
正如上面提到的，本文致力于分析带有自然通风的白天的温度控制问题。在这种情况下，被控制的变量是内部温度，控制变量是打开的气孔。自然通风的使用使得内外空气的产生了交换，这样通常会导致温室内的温度降低。控制器必须计算出必要的打开的气孔使温度达到期望的设定值。正如在第2节讨论的，最常见的控制器使用的是一个增益调度PI方案，其中的控制器参数会基于一些干扰发生改变：外部温度和风速。
在本设计中是使WSN和基于事件的控制像图4所示的那样结合起来。传感器分布于温室当中，对于每一个变量都有一个水平交叉采样。也就是说，WSN被提供给温室使用，如果当前变量的值和上一时刻得到的值之间的绝对值大于限定值delta;时，其中的每一个传感器都将会传输数据。因此，本设计的第一步就是为每一个温室变量计算出一个合适的限定值delta;。正如下一节所示的那样，这个值会直接影响到事件的发生和传送数据的数量。
图4 基于事件的控制和WSN
表1 温室变量的限定值
|
变量 |
限定值(delta;=5%) |
限定值(delta;=3%) |
|
内部温度 |
0.6 |
0.36 |
|
外部温度 |
0.61 |
0.36 |
|
湿度 |
0.49 |
0.29 |
|
太阳辐射 |
34.30 |
20.58 |
|
风速 |
0.53 |
0.31 |
|
风向 |
17.84 |
10.70 |
表1显示了最常见的用于控制的一些变量的限定值。其中被计算出的delta;= 3% 和delta;= 5%是根据作者的经验和分析了三年的数据之后得出的。对于每一个变量的限定值delta;都进行了它的最大值和最小值的计算。每个变量的delta;= 3%和delta;= 5%的变化范围的计算是根据最大值和最小值之间的差的3%和5%而来的。如在下一节所展现的那样，对于每一个变量我们都用两个不同限定值来分析他们的影响，而不是只选择它们其中的一个。
另一方面，经典的用于控制白天温度的控制器被替换为基于事件的控制器。因此，控制系统是由事件发生器和增益调度控制器组成的。在这种方式中，当事件发生器检测到事件时，增益调度控制器将计算出一个新的控制行动。典型的事件是当前的误差值与上一个计算出的误差值之间的绝对值大于限定值delta;。根据式
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