王程民， 何時劍， 萬 薇

(淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 淮安 223003)

0 引言

中國是農(nóng)業(yè)大國，解決農(nóng)業(yè)灌溉用水的問題可有效地緩解水資源的緊張。滴灌是農(nóng)業(yè)灌溉最理想的技術(shù)。在滴灌系統(tǒng)中合理實施智能控制技術(shù)，不僅解決水分的滲漏和損失，而且節(jié)省勞力，降低成本[1-5]。

模糊控制是利用模糊數(shù)學(xué)的基本思想和理論的控制方法。模糊控制的核心部分是模糊控制器[6-12]。它的控制規(guī)則在單片機中實現(xiàn)，傳感器進行采樣，并將獲取到的被控制量傳遞給單片機，然后將此信號量與給定值進行比較，得到的誤差信號標(biāo)記為E(在此作為誤差反饋)。一般情況下，誤差信號E作為模糊控制器的輸入量。誤差信號精確量E以適當(dāng)?shù)谋壤M行模糊化變成模糊量，用相應(yīng)的模糊語言表示誤差E的模糊量。至此，得到誤差E的模糊語言集合的一個子集e。再由e和模糊控制規(guī)則R(模糊關(guān)系)根據(jù)推理合成規(guī)則進行決策，得到模糊控制量 u為:u=e·R(“·”指代某種算法)[13-15]。其基本原理見圖1。

圖1 模糊控制的基本原理圖

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的工作原理

本控制系統(tǒng)硬件的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，由上位機(中央監(jiān)控機)、通信模塊、傳感器和多個下位機工作站組成。

圖2 系統(tǒng)硬件的總體結(jié)構(gòu)圖

上位機主要實現(xiàn)對采集回來的數(shù)據(jù)進行顯示，數(shù)據(jù)的存貯以及某些特殊的命令等功能。通信模塊負責(zé)將傳感器檢測到的數(shù)據(jù)傳送回下位機。傳感器主要的作用是實現(xiàn)實時監(jiān)測土壤的濕度[6]。

下位機利用RS-485總線接收上位機的各種控制命令和參數(shù)設(shè)置、實現(xiàn)對滴灌速度和時間的檢測和動態(tài)顯示。當(dāng)下位機檢測到當(dāng)前的土壤濕度值小于制定的土壤濕度下限值時，則執(zhí)行相應(yīng)的模糊控制算法，通過采用單片機產(chǎn)生脈寬調(diào)制的脈沖序列，該信號經(jīng)驅(qū)動器放大后驅(qū)動電磁閥開關(guān)，控制滴灌流量。由于作用在電磁閥上的信號是一系列脈沖，所以電磁閥也只有與之對應(yīng)的快速切換的“開”和“關(guān)”兩種狀態(tài)，從而以開啟時間的長短來控制滴灌流量，達到土壤濕度變化的控制，使之保持在要求的控制范圍之內(nèi)[7]。

1.2 數(shù)據(jù)監(jiān)控管理中心

監(jiān)控機采用PC機，它為操作人員提供一個良好的人機界面，而且采用許多保護措施，保證系統(tǒng)安全可靠的運行，特別適合于田間控制惡劣條件下使用。

數(shù)據(jù)監(jiān)控管理中心通過計算機的串行口向無線數(shù)傳模塊發(fā)送命令，對溫室大棚蔬菜田監(jiān)控終端進行初始化，設(shè)置需要采集的溫室大棚蔬菜田數(shù)據(jù)和每日定時送回溫室大棚蔬菜田水分?jǐn)?shù)據(jù)的時間，然后等待接收數(shù)據(jù)，或直接發(fā)送采集命令，采集溫室大棚蔬菜田水分等數(shù)據(jù)[7]。

室內(nèi)田監(jiān)控終端采集完數(shù)據(jù)后，經(jīng)單片機MCU單元的處理，利用單片機的串行口通過室內(nèi)田監(jiān)控終端的無線數(shù)傳模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)監(jiān)控管理中心，并將數(shù)據(jù)整理存入實時數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)監(jiān)控管理中心根據(jù)植物需水規(guī)律和生長情況制定符合水利學(xué)要求的輪灌計劃，并將該計劃轉(zhuǎn)換成控制指令發(fā)送到大棚監(jiān)控終端，由單片機驅(qū)動對應(yīng)的電磁閥的開啟和關(guān)閉。

1.3 通信模塊

系統(tǒng)使用的無線通訊模塊是RF905無線通訊模塊，它主要負責(zé)溫室大棚蔬菜田監(jiān)控終端與監(jiān)控管理中心的數(shù)據(jù)通信。它的通信信道是全雙工的，適合該系統(tǒng)的點對多點的通信方式[9]。

1.4 溫室大棚蔬菜田監(jiān)控終端

監(jiān)控終端由檢測棉田土壤與氣象環(huán)境的各種傳感器、單片機采集控制板、無線通訊模塊、電磁閥等組成，完成環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、處理、無線數(shù)據(jù)通信和電磁閥的控制等功能，通過無線數(shù)傳模塊與監(jiān)控管理中心進行雙向的信息傳輸。

(1)單片機采集控制板。單片機采集控制板完成數(shù)據(jù)采集、控制電磁閥等功能，它包括AT89S51單片機、A/D轉(zhuǎn)換模塊、液晶顯示模塊、時鐘芯片等主要部分。待傳感器采集的模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)換后，可即時通過液晶顯示模塊顯示出來，同時放入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，等待監(jiān)控管理中心的命令，若滿足特定要求(一般是到達預(yù)定時刻或者數(shù)據(jù)到達臨界值需要報警)則將指令通過無線數(shù)傳模塊傳送到數(shù)據(jù)監(jiān)控管理中心。

(2)土壤、氣象傳感器。檢測土壤的水分、溫度等傳感器，檢測大氣的溫度、濕度、風(fēng)速、光照、雨量等傳感器。所有傳感器經(jīng)各自的信號調(diào)理變送器將土壤、大氣等環(huán)境參數(shù)均轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)過單片機采集控制板的A/D轉(zhuǎn)換器最后變成數(shù)字信號。系統(tǒng)采用STH-01型土壤水分傳感器，它是高精度、高靈敏度、抗干擾能力強、傳送距離遠的測量土壤水分的傳感器。

(3)電磁閥。電磁閥在不通電的情況下閥常閉，通電后閥開啟。單片機采集控制板通過控制繼電器的打開與關(guān)閉，從而控制電磁閥的啟閉[6，12]。

2 軟件設(shè)計

滴灌控制系統(tǒng)是一個較復(fù)雜的主從分布式控制系統(tǒng)，其軟件需要采用模塊化設(shè)計，每個模塊完成各自的功能，由上位機以命令的形式統(tǒng)一調(diào)用，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。本系統(tǒng)上位機程序采用VB語言編寫，給用戶很好的人機交流界面。它實現(xiàn)了系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置與修改、數(shù)據(jù)接收與存貯、實時數(shù)據(jù)顯示、下位機工作狀態(tài)查詢、數(shù)據(jù)的綜合管理等功能。下位機采用的C語言編寫，它可以實現(xiàn)對硬件的控制，操作方便。下位機軟件可分為3個獨立的模塊，分別是主程序、模糊控制器模塊、串口通信模塊。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

主程序根據(jù)上位機命令或鍵盤響應(yīng)進行下位機各項操作的調(diào)度及監(jiān)控。模糊控制器模塊有包括點滴速度參數(shù)采集與模糊化程序、模糊判決程序、模糊控制判決表及相關(guān)控制程序等多個子模塊。參數(shù)采集與模糊化模塊完成點滴速度的采集與模糊化處理等控制:然后由模糊判決程序根據(jù)模糊判決表做出控制選擇;再由控制程序輸出控制信號。串口通信監(jiān)控模塊完成上下位機數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，并按照通信協(xié)議對上位機命令進行“翻譯”，并完成相關(guān)操作[3，6，8]。

3 結(jié)語

溫室滴灌設(shè)備控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)，通過無線數(shù)傳模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，通過采樣獲得的數(shù)據(jù)進行模糊控制，使溫室大棚蔬菜田的滴灌變的十分可靠，并有效的節(jié)約水資源。系統(tǒng)實現(xiàn)簡單、成本低、可靠性高，且將智能控制技術(shù)運用與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，促進了農(nóng)業(yè)的發(fā)展，緩解了水資源短缺的問題，使得該系統(tǒng)在長距離數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)中具有較大的推廣價值。

[1] 張曉文，楊仁全，周增產(chǎn)，等.溫室環(huán)境智能控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].農(nóng)機化研究，2005(1):147-149+152.

[2] 牛文全.微壓滴灌技術(shù)理論與系統(tǒng)研究[D].西安:西北農(nóng)林科技大學(xué)，2006.

[3] 陳曉軍.基于蒸騰速率的溫室滴灌控制系統(tǒng)研究[D].杭州:浙江工業(yè)大學(xué)，2010.

[4] 毛姣姣.基于CAN總線的棉花滴灌控制系統(tǒng)設(shè)計與抗干擾方法研究[D].石河子:石河子大學(xué)，2011.

[5] 余 榮.基于PWM的滴灌控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究[D].南京:南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2011.

[6] 黃 峰.基于滴灌控制系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點應(yīng)用技術(shù)研究[D].南京:南京理工大學(xué)，2012.

[7] 韓麗娜，汪小旵.基于Penman-Monteith方程的溫室智能滴灌控制系統(tǒng)研究[J].中國蔬菜，2012(18):85-88.

[8] 楊 婷，汪小旵.基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的自動滴灌系統(tǒng)設(shè)計[J].節(jié)水灌溉，2010(2):10-12+16.

[9] 吳 可，李 博，周新志.ZigBee無線通信技術(shù)在田間滴灌控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011(3):635-637+644.

[10] 王智乾，柯建宏.基于PLC模糊控制的溫室灌溉控制策略研究[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011(6):1428-1432.

[11] 李加念，洪添勝，馮瑞玨，等.柑橘園水肥一體化滴灌自動控制裝置的研制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012(10):91-97.

[12] 朱凝華.溫室滴灌設(shè)備控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].天津:河北工業(yè)大學(xué)，2006.

[13] 邵 波，徐立鴻.基于自適應(yīng)模糊控制的溫室滴灌控制算法(英文)[C]//中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會、農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院、九三學(xué)社中央社會服務(wù)部、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué).2003國際農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程論壇論文集，2003:4.

[14] 王智乾.基于PLC的溫室模糊灌溉控制系統(tǒng)研究[D].昆明:昆明理工大學(xué)，2012.

[15] 徐立鴻，邵 波.一種新型溫室滴灌控制算法[C]//中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會.中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會第七次全國會員代表大會及學(xué)術(shù)年會論文集，2004:3.

[16] 楊 婷，汪小旵.基于CC2430的無線傳感網(wǎng)絡(luò)自動滴灌系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制，2010(6):1332-1334+1338.

[17] 羅 昊，楊培嶺，徐飛鵬，等.基于無線的智能溫室環(huán)境控制系統(tǒng)[C]//Wuhan Institute of Forum Wuhan Branch.Proceedings of 2010 The 3rdInternational Conference on Computational Intelligence and Industrial Application(Volume7).2010.