吳 迪， 劉天宇， 宋 濤， 徐曉輝

(河北工業(yè)大學電子信息工程學院，天津 300401)

我國是一個嚴重缺水的國家，農(nóng)業(yè)灌溉用水量占各行業(yè)總用水的60%以上，而傳統(tǒng)的溝灌、漫灌或人工淋水的灌溉方式對水的有效利用率只有45%，大部分的水在輸送和灌溉過程中被白白浪費掉了[1]，相比之下，發(fā)達國家農(nóng)業(yè)用水有效利用率高達70%～80%。近年來，噴灌、滴灌等節(jié)水灌溉技術得到迅速推廣和應用，其中滴灌水的利用率更是達到了95%，同時還可以結(jié)合施肥，提高肥效1倍以上，節(jié)水增產(chǎn)效果明顯，提高滴灌等節(jié)水灌溉方式的比重將是我國未來灌溉的發(fā)展方向[2-3]。因此，適用于滴灌等節(jié)水灌溉方式的灌溉控制系統(tǒng)應運而生。

在節(jié)水灌溉中，目前大多數(shù)仍是手動控制，即管理人員根據(jù)自己的經(jīng)驗對農(nóng)田進行灌溉，還有一些半自動灌溉控制系統(tǒng)，大多為時間型控制(或者稱為時序控制)[4]，即管理人員憑借經(jīng)驗設定好電磁閥的開啟和持續(xù)時間自動運行，這2種灌溉方式都比較粗糙，而且不能根據(jù)作物在不同的土壤質(zhì)地、不同生長時期、不同的天氣條件下靈活灌溉。

綜上所述，本研究設計一種基于模糊控制的智能節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，選用低功耗的C8051系列單片機作為核心處理器，利用無線傳感器網(wǎng)絡和小型氣象站實現(xiàn)對農(nóng)田信息的采集，運用模糊控制對農(nóng)田需水量進行分析，并通過射頻技術實現(xiàn)對電磁閥開啟時間的無線控制，以此實現(xiàn)對農(nóng)作物的精準灌溉，從而達到最大化節(jié)水的目的。

1 智能節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的組成與工作原理

智能節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)主要由中央控制器、農(nóng)田信息監(jiān)測點、無線電磁閥控制器等3個部分組成。系統(tǒng)通過農(nóng)田信息監(jiān)測點采集農(nóng)田的土壤濕度、空氣濕度、空氣溫度、風速、太陽輻射等信息，并通過Wi-Fi或者485總線傳送給中央控制器；中央控制器利用模糊控制算法對接收到的農(nóng)田信息數(shù)據(jù)進行分析并存儲，得到當前作物的灌溉決策；當需要灌溉時，中央控制器根據(jù)灌溉決策控制射頻發(fā)射模塊發(fā)送灌溉指令，相應的無線電磁閥控制器接收到指令后開始進行灌溉作業(yè)。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

1.1 中央控制器的設計

中央控制器包括單片機、射頻編碼發(fā)送模塊、Wi-Fi模塊、迪文圖形應用服務軟件(DGUS)屏、存儲電路和電源電路，其結(jié)構(gòu)框如圖2所示?；趯ο到y(tǒng)功能和成本的考慮，中央控制器選用C8051F340單片機作為微處理器。該芯片體積小、功耗低，有多達64 kB的片內(nèi)flash存儲器，2個增強型通用異步收發(fā)傳輸器(universal asynchronous receiver/transmitter，簡稱UART)和增強型串行外設接口(serial peripheral interface，簡稱SPI)，以及40個可編程端口I/O和交叉開關。中央控制器采用LM2596和AS1117電壓調(diào)節(jié)芯片組成電源電路，輸出5、3.3 V 電壓給其他芯片和模塊供電，如圖3所示。

采用USR-WiFi232-B模塊作為中央控制器與各土壤濕度監(jiān)測節(jié)點之間的通信模塊。此模塊支持AP/STA工作模式，串口速率高達1 Mbit/s，可以實現(xiàn)雙串口三Socket通信，支持超低功耗模式，支持深度休眠。通過網(wǎng)頁或者AT(attention)指令設置好WiFi模塊參數(shù)(包括Socket連接協(xié)議、端口、串口波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位、停止位、網(wǎng)絡名稱、密碼等)后，選擇STA模式，連接到無線接入點AP。中央控制器的Wi-Fi模塊通過無線接入點實現(xiàn)與土壤濕度監(jiān)測節(jié)點的相互通信。

射頻編碼發(fā)射模塊采用PT2264芯片作為編碼器，PT2264支持最大12位三態(tài)地址管腳，最多可提供312個地址碼，高達4個數(shù)據(jù)管腳，從而可大大減少編碼沖突，利用互補金屬氧化物半導體(complementary metal oxide semiconductor，簡稱CMOS)技術， 功耗低、抗噪聲性能高。當需要開啟某個電磁閥時，單片機控制PT2264對A0～A7和A8/D3～A11/D0管腳進行編碼，生成特殊的地址和數(shù)據(jù)編碼波形(每個管腳可指定“0”“1”“f”3種狀態(tài))，并通過DOUT管腳輸出給315 MHz超再生射頻發(fā)射模塊，把編碼發(fā)送出去。

人機交互設備選用DGUS屏。DGUS屏的配置界面如圖4所示，灌溉狀態(tài)指示燈綠色表示正在灌溉，紅色表示已停止灌溉，用戶還可以通過點擊狀態(tài)按鈕指示燈來手動開始或停止灌溉。點擊灌溉區(qū)域編號還可查看該區(qū)域農(nóng)田預計灌溉時間和環(huán)境參數(shù)。

1.2 農(nóng)田信息監(jiān)測點的設計

農(nóng)田信息監(jiān)測點主要由土壤濕度監(jiān)測節(jié)點和小型氣象站等兩部分構(gòu)成，小型氣象站架設在中央控制器附近，與中央控制器通過485總線進行通信。土壤濕度監(jiān)測節(jié)點由土壤濕度傳感器、單片機、電源模塊和WiFi模塊組成(圖5)。

Wi-Fi傳輸速率快、開發(fā)難度低、成本低且本設計選用的低功耗USR-WiFi232-B模塊體積小、 穩(wěn)定性也較高、 傳輸距離可達300～400 m，符合在農(nóng)田環(huán)境下低功耗、可靠性強的要求。此外，Wi-Fi模塊方便接入外部網(wǎng)絡，可實現(xiàn)系統(tǒng)與手機、計算機直接互聯(lián)，使控制更加靈活多變。對土壤濕度的測量選用TDR土壤水分傳感器，它可以測量土壤的介電常數(shù)，從而直接穩(wěn)定地得到土壤的水分含量。土壤濕度監(jiān)測節(jié)點通過Wi-Fi模塊連接到無線接入點AP，實現(xiàn)與中央控制中心的數(shù)據(jù)交換，組成一對多的星型拓撲結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡。土壤濕度傳感器定時采集不同土壤深度的數(shù)據(jù)，并通過具有8位逐次逼近式PCF8591 A/D轉(zhuǎn)換模塊把模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量給單片機，單片機再按照設定好的協(xié)議把數(shù)據(jù)封裝成幀，并通過WiFi模塊發(fā)送給中央控制器。

1.3 無線電磁閥控制器的設計

無線電磁閥控制器由電源電路、射頻接收電路、電磁閥驅(qū)動電路和電磁閥組成(圖6)。其中，選用的磁保持式電磁閥采用掉電保持的關鍵技術。當開啟電磁閥時，只須輸入 50 ms 的12 V正向直流脈沖，之后電磁閥保持工作狀態(tài)，無需電能，當須要關閉電磁閥時，再輸入反向信號電流。它靈敏度高、穩(wěn)定性高、消耗功率極低，這使得選用較小容量蓄電池供電成為可能，且不存在發(fā)熱現(xiàn)象，以上特點使該電磁閥能采用全密封方式，防潮防腐性能良好。

相較于大多數(shù)固定編碼的射頻收發(fā)控制形式，本設計射頻接收電路為自學習型，使用靈活。按下學習開關，PT2294把從射頻接收模塊接收到的編碼波形自動解碼并保存，學習完成后只能識別學習過的編碼，有效防止沖突碰撞。根據(jù)從射頻接收電路接收到的指令，電磁閥驅(qū)動電路采用H橋驅(qū)動芯片L9110產(chǎn)生正反脈沖，從而控制電磁閥的開閉。

2 模糊控制的實現(xiàn)

在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，都是通過已知的精確數(shù)學模型來建立算法，但對于農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)，由于其非線性、大慣性、滯后性的特點，想要建立精確的數(shù)學模型是很繁瑣的，實現(xiàn)起來非常困難。模糊控制是一種非線性控制方式，是根據(jù)專家經(jīng)驗進行決策，無須建立精確數(shù)學模型，在處理農(nóng)業(yè)灌溉這種大慣性系統(tǒng)問題時就顯得十分有效[5-6]。在農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)現(xiàn)有的模糊控制中，大多數(shù)都只考慮了土壤濕度1個變量，即只以土壤濕度為輸入，從而得到灌溉決策。作物對水分的吸收主要靠根部，而吸收的水主要用于自身生長和蒸騰作用的散失，蒸騰作用又和氣象環(huán)境緊密相連。由此可知，土壤條件、氣象條件以及作物生長特性都對作物需水量有重要影響[7]。所以，在本設計中選用作物的騰發(fā)量(evapotranspiration，簡稱ET)和土壤濕度(electrical conductivity，簡稱EC)作為輸入變量，作物灌溉時間(U)為輸出。先把2個輸入量模糊化輸入到系統(tǒng)中，然后系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫進行模糊推理，最后解模糊，輸出作物所需的灌溉時間。模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

2.1 模糊控制輸入量的獲得

模糊控制系統(tǒng)的輸入量土壤濕度由監(jiān)測節(jié)點的土壤濕度傳感器直接測得， 騰發(fā)量的獲得則是先根據(jù)系統(tǒng)測得的空氣溫濕度和風速等相關參數(shù)利用公式計算得到參考作物騰發(fā)量(ET0)，然后再乘上作物系數(shù)求得各階段的實際作物騰發(fā)量，計算公式如下：

ET=KCET0。

(1)

式中：KC表示綜合作物系數(shù)；ET0表示參考作物騰發(fā)量。

研究表明，Penman-Monteith公式使用常規(guī)氣象數(shù)據(jù)即可求得ET0，特別是在變化的氣候環(huán)境，計算時間尺度較短的情況下，Penman-Monteith公式計算精度優(yōu)于其他公式，又具有易于操作等應用價值，故采用Penman-Monteith公式計算參考作物騰發(fā)量[8-9]，公式如下：

(2)

式中：ET0表示參考作物騰發(fā)量，mm/day；Δ表示溫度水汽壓曲線斜率，KPa/C；Rn表示凈輻射，MJ/(m2·d)；G表示土壤熱通量密度，MJ/(m2·d)；γ表示濕度計常數(shù)，KPa/C；T表示2 m高處的平均氣溫，℃；U2表示2 m高處的風速，1/ms；es表示飽和水汽壓，kPa；ea表示實際水汽壓，kPa。

2.2 模糊灌溉決策

以經(jīng)濟作物番茄為例進行探討。番茄對水分需求很大，一般要求土壤水分含量在45%～90%之間，在不同的生長時期，對水分的需求也不一樣[10]。根據(jù)農(nóng)業(yè)部門長期實踐的總結(jié)，本系統(tǒng)制定的番茄灌溉生長階段根層土壤水分控制標準如表1所示。

表1 番茄灌溉生長階段根層土壤水分控制標準

以番茄結(jié)果期的模糊決策模塊為例，具體介紹灌溉控制策略的實現(xiàn)。由表1可知，番茄結(jié)果期最適宜的土壤濕度為75%，低于65%或者高于85%時，番茄不能正常生長發(fā)育，因此番茄結(jié)果期土壤濕度變化范圍設置為65%～85%，農(nóng)田環(huán)境信息每30 min采集1次，作物騰發(fā)量每24 h計算1次。從已有研究數(shù)據(jù)來看，番茄結(jié)果期的騰發(fā)量變化范圍在 7～16 mm/d。

系統(tǒng)采用的模糊控制算法為合成推理的查表法。系統(tǒng)先采集土壤濕度，空氣溫濕度等參數(shù)，然后對輸入ET和EC以及輸出U進行模糊化，考慮到節(jié)水灌溉實際條件和控制精度，把模糊化后的土壤濕度值EC、作物騰發(fā)量ET以及灌溉時間U的模糊語言變量劃分為7級{正大，正中，正小，零，負小，負中，負大}，簡記為{PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB}，其論域設為：ET，{3，2，1，0，-1，-2，-3}；EC，{3，2，1，0，-1，-2，-3}；U，{6，5，4，3，2，1，0}

其中，對于EC而言，ZO表示最適土壤濕度；NB、NM、NS表示小于最佳土壤濕度的3個程度，強度依次減弱；NB表示極度缺水；PS、PM、PB表示大于最佳土壤濕度的3個程度，強度依次增加；PB表示極度缺水；對于騰發(fā)量ET，PB到NB分別表示騰發(fā)量的從強到弱的7個強度；對于灌溉時間U、PB到NB代表灌溉時間從60 min到0 min依次減少。

在把輸入由精確量轉(zhuǎn)化為模糊量之后，就要確定模糊變量的隸屬度函數(shù)，考慮到本灌溉系統(tǒng)編程的簡明性和實用性，本設計選用三角形隸屬度函數(shù)對輸入輸出量進行模糊化處理，如式(3)所示。

(3)

輸入ET、EV和輸出U的隸屬度函數(shù)如圖8、圖9所示。

根據(jù)農(nóng)業(yè)部長期對節(jié)水灌溉的實踐總結(jié)，可以得到模糊控制規(guī)則如表2所示。

表2 模糊控制規(guī)則

以第1條模糊控制規(guī)則為例，在這種雙輸入單輸出的模糊控制器中，控制規(guī)則應寫成“ifEC=NBandET=NBthenU=PB”的形式。在本系統(tǒng)中，采用Mamdani極小運算法進行模糊推理，采用隸屬函數(shù)最大原則求取各相應控制量，通過Matlab建立模糊控制器并仿真，得到的模糊控制如表3所示，三維控制曲面如圖10所示。

表3 模糊控制查詢

3 系統(tǒng)軟件設計

灌溉控制系統(tǒng)在運行時，首先對農(nóng)田的環(huán)境信息進行采集，然后運用模糊控制推理出是否需要灌溉，若不需要灌溉則定時重復此程序；若需要灌溉則執(zhí)行灌溉決策，程序流程如圖11所示。

4 結(jié)論與討論

本系統(tǒng)以C8051f340單片機為微處理器，通過有線和無線方式對農(nóng)田環(huán)境參數(shù)進行采集，并與模糊控制相結(jié)合來獲取農(nóng)作物需水量，實現(xiàn)農(nóng)田的精準灌溉。通過初步試驗表明，該系統(tǒng)通信可靠，控制準確，運行良好。本研究設計電磁閥的無線控制方案，驗證射頻技術在農(nóng)業(yè)無線電磁閥控制器上的可行性與可靠性。建立基于Penman-Monteith公式與模糊數(shù)學的多傳感數(shù)據(jù)融合方法，綜合考慮土壤水分含量和與農(nóng)田騰發(fā)量相關的空氣溫濕度、風速、太陽輻射等因素的影響，能更加精確地確定作物需水量。如果該系統(tǒng)應用的地理環(huán)境或作物種類有所改變，只需修改系統(tǒng)的輸入輸出隸屬度函數(shù)，即可改變系統(tǒng)的性能，滿足不同對象的控制要求。在以后的研究中，該系統(tǒng)還須增加遠程通信模塊，實現(xiàn)對農(nóng)田的遠程監(jiān)控。