戚艷艷，肖新棉

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，湖北 武漢 430070）

我國農(nóng)業(yè)水資源利用率低，短缺與浪費(fèi)現(xiàn)象并存，是當(dāng)前灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的主要問題[1]。節(jié)水灌溉是在保證作物正常生長發(fā)育的前提下對(duì)作物進(jìn)行適時(shí)適量的灌溉，以最少的用水量獲得最大的收益[2－3]。實(shí)施節(jié)水灌溉自動(dòng)化除了要根據(jù)農(nóng)田狀況選擇合適的灌溉方式、精確采集和分析農(nóng)田信息外，還要選擇控制方法以及編寫程序。對(duì)此，國內(nèi)外開展了大量的研究，除了采用噴灌、滴灌、微灌、波涌灌、濕潤灌溉等常規(guī)方法[4-6]外，還從作物本身的水脅迫機(jī)理等入手研究節(jié)水灌溉[7-9]，并在節(jié)水控制儀器設(shè)備上，應(yīng)用了PLC控制器[10]、GPS和GIS的變量灌溉控制器[11]等，但是這些系統(tǒng)都是基于單片機(jī)語言編程的。如，陳鳳、趙春江等設(shè)計(jì)的基于PLCC技術(shù)的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉自動(dòng)控制器[12]，張澤卉，孫穎，楊耿煌設(shè)計(jì)的基于GSM短信和無線高頻通信的灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)[13]以及甘露萍，譚雪松，張黎驊設(shè)計(jì)的基于太陽能和自制土壤濕度傳感器的自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)[14]等等。為了更好地提高水資源的利用率以及灌溉控制的自動(dòng)化水平，筆者利用虛擬儀器設(shè)計(jì)了一種溫室節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，對(duì)灌溉用水進(jìn)行監(jiān)測預(yù)報(bào)，實(shí)行動(dòng)態(tài)管理，并采用傳感器來監(jiān)測土壤的濕度，實(shí)現(xiàn)水管理的自動(dòng)化。這對(duì)提高我國農(nóng)業(yè)自動(dòng)化水平具有積極促進(jìn)作用。

1 虛擬儀器簡介

虛擬儀器（Virtual lnstrument，簡稱 V1），是在以通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，由用戶設(shè)計(jì)定義，具有虛擬面板、測試功能，由測試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)[15]。虛擬儀器具有以下的重要特點(diǎn)：強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能；用戶可自定義測量功能；易于擴(kuò)展組成自動(dòng)測試系統(tǒng)；大大減少了選擇轉(zhuǎn)換開關(guān)、處理電路、顯示裝置和連接電纜等硬件；系統(tǒng)重新組建省時(shí)間；更新?lián)Q代時(shí)可只作軟件的升級(jí)，其硬件部分不容易被淘汰[16]。

Labview是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言，是虛擬儀器領(lǐng)域中最具代表性的圖形化編程開發(fā)平臺(tái)，是目前國際上首推并應(yīng)用最廣的數(shù)據(jù)采集和控制開發(fā)環(huán)境之一，主要用于數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示和儀器控制等領(lǐng)域，并適用于多種不同的操作系統(tǒng)平臺(tái)[17]。

2 土壤濕度傳感器

在節(jié)水灌溉系統(tǒng)中，土壤濕度傳感器的使用是灌溉系統(tǒng)能否達(dá)到節(jié)水目的的關(guān)鍵，土壤濕度傳感器的選擇成為節(jié)水灌溉系統(tǒng)的首要問題。本系統(tǒng)采用AQUA-TEL-TDR土壤水分/溫度傳感器，它采用先進(jìn)的TDR（Time Domain Reflectometry with IntelligentMicro-Elements，時(shí)域反射技術(shù)）原理，適用于測量任何類型土壤的體積含水量，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 技術(shù)參數(shù)

土壤濕度傳感器的埋入深度，是墑情預(yù)測預(yù)報(bào)的關(guān)鍵問題[18]。系統(tǒng)用于溫室蔬菜的灌溉，由于蔬菜根系不深，所以確定濕度傳感器的埋入深度為地表下10 cm處。

3 灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)可以對(duì)農(nóng)作物按需水量進(jìn)行灌溉，通過埋入土壤的濕度傳感器來檢測土壤的濕度，傳感器發(fā)出的信號(hào)通過電纜傳輸給電子計(jì)算機(jī)，對(duì)所有這些變化參數(shù)進(jìn)行綜合分析以決定是否需要進(jìn)行灌溉[19]。系統(tǒng)正是根據(jù)這個(gè)理念進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)（見圖1）采用的是滴灌的方式，根據(jù)作物的實(shí)際需求具有以下功能：①能夠設(shè)定主管流速、灌水時(shí)間和灌水間隔時(shí)間；②能夠顯示主管流速、灌水時(shí)間、灌水開始時(shí)間和灌水時(shí)間間隔。濕度傳感器測定某一時(shí)間需要灌水，則啟動(dòng)電機(jī)開始灌溉；當(dāng)土壤濕度將要達(dá)到設(shè)定值時(shí)，可以根據(jù)此時(shí)流量表顯示的流速計(jì)算需水量，從而決定電機(jī)的停止時(shí)間。

圖1 灌溉控制系統(tǒng)簡圖

3.1 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)的硬件主要包括4大部分，由電磁控制閥構(gòu)成的控制水路通斷部分、數(shù)字儀表的信息傳輸部分、濕度傳感器輸入部分以及控制箱對(duì)電機(jī)的控制部分，系統(tǒng)硬件的工作過程如圖2。

圖2 系統(tǒng)硬件運(yùn)行過程

3.2 系統(tǒng)軟件組成

程序采用模塊化設(shè)計(jì)，主要分為：系統(tǒng)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析控制模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊、輔助功能模塊等6大模塊，其中每個(gè)模塊又由若干小模塊組成（如圖3）。

圖3 軟件的組成模塊

系統(tǒng)以溫室土壤水分采集軟件為基礎(chǔ)，控制硬件完成數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算、比較和與其他設(shè)備的通訊，了解作物缺水狀況，進(jìn)而做出評(píng)價(jià)性的結(jié)論，并確定是否進(jìn)行灌溉；保存數(shù)據(jù)，作出相關(guān)表格和譜圖，標(biāo)定作物當(dāng)前所處狀況，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化作物的需水模型。整個(gè)過程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件運(yùn)行過程

3.3 控制算法

控制算法決定了控制系統(tǒng)的精度，因此控制算法的選擇是進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。由于溫室灌溉濕度控制是一個(gè)大慣性非線性延時(shí)系統(tǒng)，很難對(duì)這類系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型用經(jīng)典的控制方法進(jìn)行控制，而模糊控制作為智能控制領(lǐng)域的重要分支，特別適合于處理這種模型不確定的系統(tǒng)，且設(shè)計(jì)簡單、魯棒性強(qiáng)，因此本系統(tǒng)采用模糊控制算法來實(shí)現(xiàn)溫度的調(diào)控。

Labview提供了3種模糊關(guān)系的計(jì)算方法：極大值中心法、質(zhì)量中心法和極大值平均法。其中中心法適用于決策控制，均值法適用于模型識(shí)別，所以在系統(tǒng)中采用質(zhì)量中心法。

4 小 結(jié)

目前在溫室灌溉系統(tǒng)中，自動(dòng)控制已經(jīng)有了很大程度的應(yīng)用，對(duì)于提高灌溉效率發(fā)揮了重要作用。但是這些大都是應(yīng)用單片機(jī)來編寫相應(yīng)的程序，本系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于采用虛擬儀器技術(shù)研究開發(fā)具有通用性的灌溉控制系統(tǒng)，為作物灌溉的決策控制提供了新的方法。

[1] 高 峰，俞 立，張文安，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的作物水分狀況監(jiān)測系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) [J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25（2）：107－112.

[2]孫景生,康紹忠.我國水資源利用現(xiàn)狀與節(jié)水灌溉發(fā)展對(duì)策[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2000，16（2）：1-5.

[3] 張 兵，袁壽其，成 立.國內(nèi)外節(jié)水灌溉自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].排灌機(jī)械，2003，（2）：37-41.

[4] Sudheera K P,Panda R K.Digital image processing for determining drop sizes from irrigation spray nozzles[J].AgriculturalWater Management,2000,45：159-167.

[5] 韓文霆，吳普特，楊 青，等.噴灌水量分布均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)比較及研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21（9）：172-177.

[6]Dehghanisanij H,AgassiM，Anyoji H,et al.Improvement of saline water use under drip irrigation system [J].Agricultural Water Management,2006,85:233-242.

[7] 張寄陽，劉祖貴，段愛旺，等.棉花對(duì)水分脅迫及復(fù)水的生理生態(tài)響應(yīng)[J].棉花學(xué)報(bào)，2006，18（6）：398-399.

[8] 劉 丹，陳祥偉.水分脅迫對(duì)銀中楊耗水特征與水分利用的影響[J].生態(tài)學(xué)雜志，2006，25（3）：290-294.

[9] Pellegrino A，Goze E，Lebon E，et al.A model-based diagnosis tool to evaluate thewater stress experienced by grapevine in field sites[J].European Journal of A gronomy,2006,25：49-59.

[10]官 平,謝守勇,戴 星.基于PLC的灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].節(jié)水灌溉，2006，（6）：68-71.

[11]楊 青，龐樹杰，楊成海，等.集成GPS和GIS技術(shù)的變量灌溉控制系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22（10）：134-138.

[12]陳 鳳，趙春江，鄭文剛，等.基于PLCC技術(shù)的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉自動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].節(jié)水灌溉，2010，（2）：13-16.

[13]張澤卉，孫 穎，楊耿煌.基于GSM短信和無線高頻通信的灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)[J].節(jié)水灌溉，2008，（1）：33-37.

[14]甘露萍，譚雪松，張黎驊.基于太陽能和自制土壤濕度傳感器的自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)[J].節(jié)水灌溉，2009，（11）：31-33.

[15]周航慈，朱兆優(yōu)，李躍忠.智能儀器原理與設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2005.3.

[16]朱文堅(jiān)，謝小鵬，黃鎮(zhèn)昌.機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教程[M].北京：科學(xué)出版社.2005.

[17]陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW8.20程序設(shè)計(jì)從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社.2007.7.

[18]史 巖，李 帆，孫 凱，等.墑情監(jiān)測中土壤水分傳感器埋設(shè)位置研究[J].萊陽農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，23（3）：179-184.

[19]汪 洋.多媒體終端的WNCE BSP軟件設(shè)計(jì)[D].杭州：浙江大學(xué)，2007.