王永濤，楊璐瑤，胡 玥，劉 瀏，徐小燕

(1.貴州省水利科學(xué)研究院，貴陽(yáng) 550002；2.重慶交通大學(xué)，重慶 400074)

農(nóng)業(yè)作為用水大戶，季節(jié)性和區(qū)域性的缺水現(xiàn)象仍然嚴(yán)重，但同時(shí)又是最具節(jié)水潛力的產(chǎn)業(yè)之一。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉嚴(yán)重缺水與過(guò)度浪費(fèi)現(xiàn)象仍然突出，節(jié)水問(wèn)題近年來(lái)重視程度不斷提高，習(xí)近平總書(shū)記更是從國(guó)家戰(zhàn)略出發(fā)，提出的治水新思路更是將節(jié)水問(wèn)題擺在首要地位[1]。

貴州省以現(xiàn)代山地特色高效農(nóng)業(yè)為抓手，大力實(shí)施以水利自動(dòng)化與信息化等高新技術(shù)為核心的貴州山區(qū)現(xiàn)代水利示范區(qū)建設(shè)，通過(guò)發(fā)展智能控制的灌溉技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)水，促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化、集約化、現(xiàn)代化水平的提高，增強(qiáng)農(nóng)業(yè)發(fā)展的后勁。還能帶動(dòng)節(jié)水灌溉設(shè)備制造等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提高農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備的科技水平[2]。本文從智能化方面入手，開(kāi)展節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的研究，為我省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整套系統(tǒng)主要由上位機(jī)PC(平板電腦、手機(jī)等移動(dòng)智能終端)，下位機(jī)(傳感器節(jié)點(diǎn)和電磁閥節(jié)點(diǎn))兩部分組成，通訊方式可以根據(jù)實(shí)際需要采用Zigbee、微波和GPRS多種方式(見(jiàn)圖1)。上位機(jī)可根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)情況選擇辦公電腦、工控機(jī)和服務(wù)器等，通過(guò)INTERNET網(wǎng)或者近距離無(wú)線透明傳輸模塊傳輸命令和接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。應(yīng)用界面由C#語(yǔ)言編寫(xiě)，這樣整個(gè)系統(tǒng)具備界面編程簡(jiǎn)單、開(kāi)發(fā)容易等特點(diǎn)。下位機(jī)以微功耗高性能單片機(jī)為核心控制節(jié)點(diǎn)組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，連接電磁閥和水泵驅(qū)動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)，51F系列單片機(jī)應(yīng)優(yōu)選集成Rtx51tiny多任務(wù)操作系統(tǒng)，10位ADC、兩個(gè)模擬比較器、結(jié)構(gòu)優(yōu)良，具備工業(yè)級(jí)等特性的單片機(jī)[4]。

圖1 系統(tǒng)組成簡(jiǎn)圖(箭頭代表數(shù)據(jù)流方向)

2 設(shè)計(jì)理論及軟件環(huán)境

2.1 模糊控制灌溉

由于作物灌溉條件是氣象、土壤等多種環(huán)境因素互相影響的結(jié)果，精確穩(wěn)定的模型無(wú)法進(jìn)行描述。而土壤濕度作為重要的灌溉控制指標(biāo)，是眾多影響因素中最重要和最易于控制的指標(biāo)。通過(guò)借鑒其他文獻(xiàn)資料研究成果，確定本模糊灌溉控制系統(tǒng)的二維輸入量為：土壤濕度偏差E(t)和偏差變化率EC(t)，輸出量為：灌溉時(shí)間TIME(t)。首先通過(guò)土壤濕度變送器采集和監(jiān)測(cè)土壤濕度變化，并通過(guò)差分運(yùn)算得出土壤濕度偏差E(t)和偏差變化率EC(t)。然后，通過(guò)模糊控制器進(jìn)行模糊計(jì)算，得出系統(tǒng)的輸出量灌溉時(shí)間TIME(t)。最后，系統(tǒng)按照灌溉時(shí)間自動(dòng)開(kāi)啟電磁閥進(jìn)行灌溉。其原理圖如圖2所示。

圖2 模糊控制原理圖

2.2 Matlab軟件平臺(tái)

Matlab開(kāi)發(fā)版本為R2008[a]，并一同安裝MCR。Matlab模糊控制工具箱(Fuzzy Logic Toolbox)提供了一系列與模糊控制相關(guān)的函數(shù)，計(jì)算人員只需將適當(dāng)?shù)膮?shù)填寫(xiě)進(jìn)去便可以得出所需的模糊隸屬函數(shù)，同時(shí)也可以通過(guò)簡(jiǎn)單的語(yǔ)言書(shū)寫(xiě)建立模糊控制函數(shù)[5]。通過(guò)Matlab軟件中提供的DeployMent Tool工具能夠?qū)?m文件生成相對(duì)應(yīng)的.Net組件。C#應(yīng)用程序編譯平臺(tái)為Visual Studio 2008。

2.3 Matlab與C#混合編程

通過(guò)Matlab模糊控制工具箱(Fuzzy Logic Toolbox)提供的模糊控制相關(guān)的系列函數(shù)進(jìn)行模糊組件out_time的配置，然后通過(guò)readfis函數(shù)裝入。通過(guò)土壤濕度變送器采集和監(jiān)測(cè)土壤濕度變化，并通過(guò)差分運(yùn)算得出土壤濕度偏差E(t)和偏差變化率EC(t)，在轉(zhuǎn)換為MWN umericArray格式傳入到模糊控制箱中，最后模糊控制箱輸出時(shí)間隸屬函數(shù)，再轉(zhuǎn)換到C#中得出系統(tǒng)的輸出量灌溉時(shí)間TIME(t)，指導(dǎo)系統(tǒng)按照灌溉時(shí)間滿足作物的需水量要求[6]。

2.4 模糊控制器的設(shè)計(jì)

(1)隸屬度函數(shù)的建立。設(shè)土壤濕度最佳值為R(t)，實(shí)時(shí)濕度監(jiān)測(cè)值為H(t)，輸入變量E(t)=R(t)-H(t)，EC(t)=dE(t)/dt。輸出變量值為電磁閥持續(xù)灌溉的時(shí)間T。設(shè)置誤差E的基本論域?yàn)閇-10%,10%]，誤差變化率EC為[-15%,15%],時(shí)間T為[0,40] min。E和EC的模糊集均為{NB,NM,NS,0,PS,PM,PB}量化論域均為{-3,-2,-1,0,1,2,3},T的模糊集為{0,PS,PM,PB},量化論域?yàn)閧0,1,2,3}，則量化因子分別為K1=3/10=0.3,K2=3/15=0.2,比例因子為K3=40×60 s/3=800。E、EC、T的隸屬度函數(shù)分別為表1和表2所示。

表1 E、EC的隸屬函數(shù)

表2 T的隸屬函數(shù)

模糊控制器的輸出是一個(gè)模糊集合，模糊控制系統(tǒng)最終需要將模糊控制器輸出的模糊集合進(jìn)行解模糊計(jì)算，以得到一個(gè)精確的量來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。解模糊常用的方法很多，其中重心法易于實(shí)現(xiàn)在較短時(shí)間和較小的取樣間隔來(lái)達(dá)到所需要的精度，應(yīng)用于本灌溉控制系統(tǒng)是一種較好的方法。我們采用重心法進(jìn)行解模糊計(jì)算來(lái)得到灌溉控制系統(tǒng)電磁閥持續(xù)開(kāi)啟灌溉的時(shí)間，重心法的計(jì)算公式如下所示。

u=∑xiμ(xi)/∑μ(xi)

(1)

表3 模糊控制規(guī)則表

if(EisNB)and (ECis notNB)then (Tis 0)

(2)

if(EisNB)and (ECisNB)then (Tis 0)

(3)

if(EisNM)and (ECis notNM)then (Tis 0)

(4)

if(EisNM)and (ECisNM)then (Tis 0)

(5)

if(EisNS)and (ECisNB)then (Tis 0)

(6)

if(EisNS)and (ECisNM)then (Tis 0)

(7)

if(EisNS)and (ECisNS)then (Tis 0)

(8)

if(EisNS)and (ECis 0 )then (Tis 0)

(9)

if(EisNS)and (ECisPS)then (Tis 0)

(10)

if(EisNS)and (ECisPM)then (TisPS)

(11)

if(EisNS)and (ECisPB)then (TisPM)

(12)

在C#中調(diào)用Matlab的dll文件時(shí)首先添加對(duì)MLApp和MWArray以及out_time.dll的引用邊在命名空間添加：using MathWorks.Matlab.NET.Arrays; using MathWorks.Matlab.NET.Utility。

2.5 數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)

灌溉數(shù)據(jù)庫(kù)包括以下幾項(xiàng)數(shù)據(jù)表[7]：①作物信息表，包括作物名稱(chēng)、生長(zhǎng)階段、濕度下限、濕度上限、溫度下限、溫度上限；②灌區(qū)信息表，包括灌區(qū)編號(hào)、灌區(qū)面積、作物名稱(chēng)、灌溉方式；③灌溉計(jì)劃表，包括灌區(qū)編號(hào)、生長(zhǎng)階段、灌溉時(shí)間、灌溉水量、是否完成灌溉；④灌溉狀態(tài)表，包括灌區(qū)編號(hào)、設(shè)備通信狀態(tài)、傳感器狀態(tài)、溫度值、濕度值、流量值；⑤灌溉歷史表，包括灌區(qū)編號(hào)、作物名稱(chēng)、生長(zhǎng)階段、灌溉時(shí)間、灌溉水量、灌前濕度、灌后濕度。灌區(qū)信息表和作物信息表為父表，作物名稱(chēng)、灌區(qū)編號(hào)為主鍵；灌溉計(jì)劃表、灌溉狀態(tài)表和灌溉歷史表為子表(見(jiàn)圖3)。

3 下位機(jī)設(shè)計(jì)

下位機(jī)的核心任務(wù)時(shí)完成土壤濕度信息的實(shí)時(shí)采集與傳輸，任務(wù)輪換和運(yùn)算速度要求不該。因此，KEIL公司開(kāi)發(fā)的多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Rtx51tiny可以滿足要求[8]。下位機(jī)共設(shè)計(jì)1個(gè)主任務(wù)0和6個(gè)子任務(wù)。主任務(wù)用COM_HANDLE_TAS表示，6個(gè)子任務(wù)分別為：任務(wù)1數(shù)據(jù)處理；任務(wù)2執(zhí)行命令；任務(wù)3獲取溫濕度；任務(wù)4開(kāi)關(guān)閥；任務(wù)5定時(shí)器；任務(wù)6看門(mén)狗。通過(guò)Rtx51tiny多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)任務(wù)簡(jiǎn)的輪換，以完成下位機(jī)的各個(gè)功能[9](見(jiàn)圖4)。

圖3 數(shù)據(jù)庫(kù)框架圖

圖4 任務(wù)建立圖

4 SIMULINK仿真及參數(shù)的調(diào)整

本文所構(gòu)建的SIMULINK 環(huán)境下的模糊控制系統(tǒng)圖如圖5所示，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集土壤濕度階躍信號(hào)與作物所需最佳土壤濕度作差分運(yùn)算，土壤濕度偏差和土壤濕度偏差的變化率分別用Gain0和Gain1表示。Saluration為比例運(yùn)算，其中比例因子Gain0=0.2，Gain1=0.3，Gain2=800。

圖5 SIMULINK模糊控制系統(tǒng)仿真框圖

設(shè)定作物要求的土壤濕度為25%，控制系統(tǒng)最終的穩(wěn)定值在25%附近略大。土壤濕度對(duì)灌水量的變化響應(yīng)曲線和作物要求的土壤濕度分別用折線和曲線表示。由此得濕度階躍響應(yīng)曲線圖，如圖6所示。

圖6 濕度階躍響應(yīng)曲線圖

從濕度階躍響應(yīng)曲線圖6可知，土壤濕度信號(hào)具有較小的超調(diào)量，穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)響應(yīng)用時(shí)均<1 s，用時(shí)較短，靈明度高。系統(tǒng)控制得到的土壤濕度與設(shè)定的作物要求的土壤濕度誤差僅為5%，該范圍能夠滿足作物生長(zhǎng)要求，應(yīng)用性較強(qiáng)。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)本文研發(fā)了基于C#和Matlab的灌區(qū)模糊灌溉控制系統(tǒng),采用C#面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言,通過(guò)Matlab模糊控制工具箱(Fuzzy Logic Toolbox)設(shè)計(jì)了模糊控制器，并在SIMULINK 環(huán)境下進(jìn)行了仿真。該方法具有簡(jiǎn)便、直觀、高 效的特點(diǎn)，整套灌溉系統(tǒng)編寫(xiě)容易，功能優(yōu)良[10]。

(2)該模糊灌溉控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用于思南塘頭現(xiàn)代水利試點(diǎn)區(qū)自動(dòng)化與信息化工程。針對(duì)精品水果和蔬菜進(jìn)行智能灌溉，實(shí)現(xiàn)節(jié)水30%和節(jié)約勞動(dòng)力1 000余人次/6.67 hm2的目標(biāo)，并在我省高效農(nóng)業(yè)示范園區(qū)推廣至66.67 hm2左右。經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益明顯，項(xiàng)目的示范推廣有利于促進(jìn)我省山地高效特色農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。

□

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