本发明属于农业自动化技术领域，具体涉及一种基于太阳高度角的温室卷帘及其模糊控制方法。
背景技术：
日光温室是80年代在我国北方地区发展起来的一种蔬菜栽培设施，它兼有塑料大棚和加温温室的优点，可以在不加温或少量加温的条件下在北方越冬生产果蔬类，有着很好的经济效益。随着城乡人民生活水平的提高，冬季栽培鲜菜、鲜果的日光温室大棚迅速发展，规模飞速增加。而且种植反季节蔬菜瓜果可以获得较大收益，也促进了温室大棚的发展。卷帘机是温室大棚的重要组成部分，使用电动卷帘机，延长了光照时间，增加了光合作用，更重要的是节省劳动时间，减轻了劳动强度。据调查，日光温室在深冬生产过程中，每667平方米温室人工控帘约需1.5小时，而卷帘机只需8分钟左右，太阳落山前，人工放帘需用约1小时左右，由此看来，每天若用卷帘机起放帘子，比人工节约近2小时的时间。同时延长了室内宝贵的光照时间，增加了光合作用时间。另外使用电动卷帘机对草帘绵帘的保护性好，延长了其使用寿命，抗风能力大大增强。总体上可使农民比较轻松的使用，节省时间用于作物管理，提高品质，扩大规模。
目前国内电动卷帘机主要有以下两种型式：1，固定式电动卷帘机，这种卷帘机固定在温室大棚的顶部，卷管上下卷动，适合卷草帘、棉帘。但是由于下放靠重力驱动，在大风情况下容易乱绳影响工作；2，走动式电动卷帘机，这种卷帘机由悬臂杆、电机、减速机构和卷帘轴组成。其工作方式是采用机械手原理，不受大棚坡度的限制。但因悬臂杆和支撑杆稳定性较差，不宜满足长度较大的大棚。此两种卷帘机基本都依赖于人工近距离控制，或者遥控控制。而人工控制缺乏科学性，且并未完全解放生产劳动力。如果是定时控制解放了劳动力，但又大大减少了作物光照时间，也容易出现作物冻伤的情况。针对卷帘机控制系统的设计问题，现如今许多研究者设计出了定时开关和遥控开关的卷帘机，也考虑了温度因素。可是作物生长主要依赖光合作用，除了温度，光照也是必要的考虑因素，如果不考虑光照等因素，势必也不能做到最优控制。另外当清晨和傍晚光照较弱的时间段内还保持卷帘机完全打开状态，不利于温室温度的保持。在保证光照的情况下，作物可能会被冻伤。
卷帘机缺乏一个合理的自动化的控制系统，解决这个问题迫在眉睫。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于太阳高度角的温室卷帘模糊控制系统。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于太阳高度角的温室卷帘模糊控制系统，包括固定架、第一卷绕装置、第二卷绕装置、第三卷绕装置、第四卷绕装置、控制模块和若干卷帘本体；
所述固定架至少为两个，两个所述固定架与温室外壁匹配，两个所述固定架分别设置在所述温室两端的外壁上；
所述第一卷绕装置和所述第二卷绕装置及所述第三卷绕装置和所述第四卷绕装置分别相对于温室长度方向对称设置；所述第一卷绕装置设置在温室顶部一端，所述第三卷绕装置设置在所述第一卷绕装置和温室一侧地面之间；
每个所述卷绕装置均包括电机、减速机和卷帘轴，所述电机和减速机均固定在一侧所述固定架上，所述电机位于所述减速机下方，所述电机的输出轴与所述减速机的输出轴通过传动带连接，所述卷帘轴一端与所述减速机的输出轴固定连接，所述卷帘轴另一端与另一侧所述固定架转动连接，所述卷帘本体上端固定在所述卷帘轴上；
所述控制模块包括温度传感器、光照传感器、数据处理模块、主控制器和模糊控制器，所述数据处理模块、主控制器和模糊控制器均设置在温室内，所述温度传感器和光照传感器均设置在所述温室顶部，所述温度传感器和光照传感器均与所述主控制器的信号输入端连接，所述电机与所述主控制器的信号输出端连接；
所述温度传感器，用于采集温室外的温度信号初始数据，并将温度信号初始数据发送到所述数据处理模块；
所述光照传感器，用于采集温室外的光照信号初始数据，并将光照信号初始数据发送到所述数据处理模块；光照信号包括光照强度信号和阳光照射角度信号；
所述数据处理模块，接收温度信号初始数据和光照信号初始数据并对初始数据进行处理后得到模糊输入量，并将模糊输入量发送到所述模糊控制器；
所述模糊控制器，接收模糊输入量并查询模糊控制规则表获得精确输出量；
所述主控制器，接收精确输出量并根据精确输出量向所述电机发送控制指令。
优选地，沿所述卷帘轴均匀设置有至少两个固定座，所述固定座固定在温室骨架上，所述卷帘轴穿过所述固定座。
优选地，所述控制器为AT89C82单片机。
本发明的另一目的在于提供一种基于太阳高度角的温室卷帘的模糊控制方法，包括以下步骤：
步骤1：选择隶属度函数，设定模糊控制规则表，根据温度信号、光照信号和时间信号设置卷帘开启或关闭阈值；
步骤2：所述温度传感器采集温室外的温度信号初始数据，并将温度信号初始数据发送到所述数据处理模块；
所述光照传感器采集温室外的光照信号初始数据，并将光照信号初始数据发送到所述数据处理模块；光照信号包括光照强度信号和阳光照射角度信号；
步骤：3：所述数据处理模块接收温度信号初始数据和光照信号初始数据并对初始数据进行处理后得到模糊输入量，并将模糊输入量发送到所述模糊控制器；
步骤4：所述模糊控制器接收模糊输入量并查询模糊控制规则表获得精确输出量；
步骤5：所述主控制器接收精确输出量并根据精确输出量向所述电机发送控制指令。
优选地，温度信号、光照信号和时间信号的隶属函数均为高斯型，光照信号输入建立三个模糊集合，分别为低光照ll，中等光照ml，高光照hl；
温度信号输入建立三个模糊集合，分别为低温度lt，中等温度mt，高温度 ht；
时间区间为0-24小时，时间信号输入建立五个模糊集合，从日出开始分别为清晨1time，上午2time，正午3time，下午4time，黄昏5time；
控制指令输出采用三角形隶属函数，卷帘机打开方式为7种输出情况，分别为1open，2open，3open，4open，5open，6open，7open，输出区间为0～8。
本发明提供的基于太阳高度角的温室卷帘、模糊控制系统和方法具有以下
有益效果：
(1)基于模糊控制系统的温度、光照和时间三输入的日光温室卷帘机控制系统。
(2)除温度控制外加入光照强度和阳光照射角度控制，结合光照传感器、以地方经度和时间确定太阳照射角度，根据太阳光的入射角度不同时段分区域开关卷帘机。在保证光照的情况下，减少温室热量损失，并提高卷帘机工作效率，节约时间。
(3)利用模糊控制器，通过计算机实现实时控制。根据偏差和偏差变化值的大小，再利用模糊控制规则确定电输出，从而取得了良好的控制效果，能实时地对温度进行监控；
(4)和普通PID控制器控制效果相比，采用模糊控制器后系统响应超调小，响应曲线平稳；系统具有良好的响应速度、稳定性和精确性，且具有较强的鲁棒性；由模糊控制规则确定的三个参数是动态变化的，更符合空调系统的控制特点；模糊控制器可以克服普通PID控制器的局限性，在温度等自动控制中具有广泛的应用价值。
(5)卷帘机控制模块除突发恶劣气温变化外基本实现全自动化控制，控制效果高效且科学，基本解放劳动力。科学的控制系统增加作物的光照时间，保证了温室的温度，提高作物产量，直接为农业生产带来巨大的经济效益。
附图说明
图1为本发明实施例1的基于太阳高度角的温室卷帘的结构示意图；
图2为本发明实施例1的基于太阳高度角的温室卷帘模糊控制系统框图；
图3为本发明实施例1的基于太阳高度角的温室卷帘的七种开启状态示意图；
图4为本发明实施例1的基于太阳高度角的温室卷帘模糊控制方法的流程图；
图5为本发明实施例1matlab中光照输入变化图；
图6为本发明实施例1matlab中温度输入变化图；
图7为本发明实施例1matlab中时间输入变化图；
图8为本发明实施例1matlab中输出变化图；
图9为本发明实施例1simlink仿真模型；
图10为本发明实施例1simlink中温度输入仿真曲线；
图11为本发明实施例1simlink中光照输入仿真曲线；
图12为本发明实施例1simlink中时间输入仿真曲线；
图13为本发明实施例1simlink中输出仿真曲线。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定或限定，术语“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，在此不再详述。
实施例1
本发明提供了一种基于太阳高度角的温室卷帘模糊控制系统，具体如图1 和图2所示，包括固定架1、第一卷绕装置、第二卷绕装置、第三卷绕装置、第四卷绕装置、控制模块和若干卷帘本体2；
固定架1至少为两个，两个固定架1与温室3外壁匹配，两个固定架1分别设置在温室3两端的外壁上。当温室较长时，可增加固定架1的数量，将多个固定架1均匀设置在温室3外壁上。固定架1的两端分别固定在对应位置的地面上，固定架1本体通过螺钉等于温室3的骨架固定连接。
第一卷绕装置和第二卷绕装置及第三卷绕装置和第四卷绕装置分别相对于温室3长度方向对称设置；第一卷绕装置设置在温室3顶部一端，第三卷绕装置设置在第一卷绕装置和温室3一侧地面之间。这样设置的目的是将整个卷帘分为四部分，可根据光照强度和温室内的温度来判断各部分卷帘的卷起或放下，充分合理的利用有效光线，进而延长作物光照时间，促进作物生长。
每个卷绕装置均包括电机4、减速机5和卷帘轴6，电机4和减速机5均固定在一侧固定架1上，电机4位于减速机5下方，电机4的输出轴与减速机5的输出轴通过传动带7连接，卷帘轴6一端与减速机5的输出轴固定连接，卷帘轴6另一端与另一侧固定架1转动连接，卷帘本体2上端固定在卷帘轴6上。使用时，电机4 正转或反转，并通过传动带7带动减速机5转动，减速机5进而带动卷帘轴6 正转或反转，实现卷帘的卷起或放下。
本实施例中的控制模块包括温度传感器10、光照传感器9、数据处理模块、主控制器和模糊控制器，本实施例中控制器为AT89C82单片机。数据处理模块、主控制器和模糊控制器均设置在温室3内，温度传感器10和光照传感器9均设置在温室3顶部，温度传感器10和光照传感器9均与主控制器的信号输入端连接，电机4与主控制器的信号输出端连接；
温度传感器10，用于采集温室3外的温度信号初始数据，并将温度信号初始数据发送到数据处理模块；
光照传感器9，用于采集温室3外的光照信号初始数据，并将光照信号初始数据发送到所述数据处理模块；光照信号包括光照强度信号和阳光照射角度信号；
数据处理模块，接收温度信号初始数据和光照信号初始数据并对初始数据进行处理后得到模糊输入量，并将模糊输入量发送到所述模糊控制器；
模糊控制器，接收模糊输入量并查询模糊控制规则表获得精确输出量；
主控制器，接收精确输出量并根据精确输出量向电机4发送控制指令。
为了提高卷帘的稳固性，沿卷帘轴6均匀设置有至少两个固定座8，固定座8 固定在温室3骨架上，卷帘轴6穿过固定座8。
如图3所示，本实施例中提供的温室卷帘供有七种打开状态，图中红色为打开部分，分别涵盖了不同方向及光照强度的考虑因素。
本实施例的另一目的在于提供一种基于太阳高度角的温室卷帘的模糊控制方法，如图4所示，包括以下步骤：
步骤1：选择隶属度函数，设定模糊控制规则表，根据温度信号、光照信号和时间信号设置卷帘开启或关闭阈值；
步骤2：温度传感器10采集温室3外的温度信号初始数据，并将温度信号初始数据发送到数据处理模块；
光照传感器9采集温室3外的光照信号初始数据，并将光照信号初始数据发送到数据处理模块；光照信号包括光照强度信号和阳光照射角度信号；
步骤：3：数据处理模块接收温度信号初始数据和光照信号初始数据并对初始数据进行处理后得到模糊输入量，并将模糊输入量发送到模糊控制器；
步骤4：模糊控制器接收模糊输入量并查询模糊控制规则表获得精确输出量；
步骤5：主控制器接收精确输出量并根据精确输出量向电机4发送控制指令。
在matlab中建立模糊控制隶属度模型；
如图5所示，第一个输入光照：为了提高控制的效率，这里把真实光照数据乘以0.001在simlink仿真中体现出来，隶属函数为高斯型。光照偏差区间为 -10001x～700001x可基本涵盖应用范围。输入建立三个模糊集合，分别为低光照 (ll)，中等光照(ml)，高光照(hl)；
如图6所示，第二个输入温度：
采用高斯型隶属函数，温度偏差区间为-3～50摄氏度。输入建立三个模糊集合，分别为低温度(1t)，中等温度(mt)，高温度(ht)；
如图7所示，第三个输入时间：
同样采用高斯型隶属函数，时间区间为0～24小时。输入建立五个模糊集合，从日出开始分别为清晨(1time)，上午(2time)，正午(3time)，下午(4time)，黄昏(5time)到傍晚结束共五个时间段。这五个时间段涵盖了不同的太阳光照射角度的状态。
如图8所示，输出：
采用三角形隶属函数，根据所设计的7种卷帘机打开方式对应7种输出情况分别为1open，2open，3open，4open，5open，6open，7open。输出区间为0～8；
模糊控制规则为：
·1.If(sun is ll)and(temperature is mt)and(time is 1time)then(door is 1open)(1)
·2.If(sun is ll)and(temperature is mt)and(time is 2time)then(door is 2open)(1)
·3.If(sun is ll)and(temperature is mt)and(time is 3time)then(door is 4open)(1)
·4.If(sun is ll)and(temperature is mt)and(time is 4time)then(door is 6open)(1)
·5.If(sun is ll)and(temperature is mt)and(time is 5time)then(door is 7open)(1)
·6.If(sun is ll)and(temperature is ht)and(time is 1time)then(door is 2open)(1)
·7.If(sun is ll)and(temperature is ht)and(time is 2time)then(door is 3open)(1)
·8.If(sun is ll)and(temperature is ht)and(time is 3time)then(door is 4open)(1)
·9.If(sun is ll)and(temperature is ht)and(time is 4time)then(door is 5open)(1)
·10.If(sun is ll)and(temperature is ht)and(time is 5time)then(door is 6open)(1)
·11.If(sun is ml)and(temperature is lt)and(time is 1time)then(door is 1open)(1)
·12.If(sun is ml)and(temperature is lt)and(time is 2time)then(door is 2open)(1)
·13.If(sun is ml)and(temperature is lt)and(time is 3time)then(door is 4open)(1)
·14.If(sun is ml)and(temperature is lt)and(time is 4time)then(door is 6open)(1)
·15.If(sun is ml)and(temperature is lt)and(time is 5time)then(dooris 7open)(1)
·16.If(sun is ml)and(temperature is mt)and(time is 1time)then(door is 2open)(1)
·17.If(sun is m1)and(temperature is mt)and(time is 2time)then(door is 3open)(1)
·18.If(sun is ml)and(temperature is mt)and(time is 3time)then(door is 4open)(1)
·19.If(sun is ml)and(temperature is mt)and(time is 4time)then(door is 5open)(1)
·20.If(sun is ml)and(temperature is mt)and(time is 5time)then(door is 6open)(1)
·21.If(sun is ml)and(temperature is ht)and(time is 1time)then(door is 2open)(1)
·22.If(sun is ml)and(temperature is ht)and(time is 2time)then(door is 4open)(1)
·23.If(sun is ml)and(temperature is ht)and(time is 3time)then(door is 4open)(1)
·24.If(sun is ml)and(temperature is ht)and(time is 4time)then(door is 4open)(1)
·25.If(sun is ml)and(temperature is ht)and(time is 5time)then(door is 6open)(1)
·26.If(sun is h1)and(temperature is lt)and(time is ltime)then(door is 2open)(1)
·27.If(sun is hl)and(temperature is lt)and(time is 2time)then(door is 3open)(1)
·28.If(sun is hl)and(temperature is lt)and(time is 3time)then(door is 4open)(1)
·29.If(sun is hl)and(temperature is lt)and(time is 4time)then(door is 5open)(1)
·30.If(sun is hl)and(temperature is lt)and(time is 5time)then(door is 6open)(1)
·31.If(sun is hl)and(temperature is mt)and(time is 1time)then(door is 2open)(1)
·32.If(sun is hl)and(temperature is mt)and(time is 2time)then(door is 3open)(1)
·33.If(sun is hl)and(temperature is mt)and(time is 3time)then(door is 4open)(1)
·34.If(sun is hl)and(temperature is mt)and(time is 4time)then(door is 5open)(1)
·35.If(sun is hl)and(temperature is mt)and(time is 5time)then(door is 6open)(1)
·36.If(sun is hl)and(temperature is ht)and(time is ltime)then(door is 3open)(1)
·37.If(sun is h1)and(temperature is ht)and(time is 2time)then(door is 4open)(1)
·38.If(sun is hl)and(temperature is ht)and(time is 3time)then(door is 4open)(1)
·39.If(sun is hl)and(temperature is ht)and(time is 4time)then(door is 4open)(1)
·40.If(sun is hl)and(temperature is ht)and(time is 5time)then(door is 5open)(1)。
利用simlink建立仿真模型，如图9至图13所示。
仿真数据，选用某日光温室2017年1月1日当天的温度和光照变化情况。共266个记录点，平均5.41分钟(266个时间点一个时间点5.41分钟共24小时)读取一次数据。：
由图可以看出，随着时间的推移卷帘机输出状态在由一到七过渡，基本无坏值，输出情况基本合理。考虑到卷帘机开关时间和实际工作需求，以每一小时检测一次输出情况，更新卷帘机状态。但温度、光照输入检测是5分钟左右一次，以保证控制的时效性。
以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。