杜太行，鄒軍軍，孫曙光，錢春陽，劉 德

(1.河北工業(yè)大學人工智能與數(shù)據(jù)科學學院，天津 300130；2.天津市農(nóng)業(yè)科學院信息研究所，天津 300192)

隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)和新興技術(shù)的融合不斷促進著國內(nèi)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，并進一步演化為智慧農(nóng)業(yè)。近年來，智慧農(nóng)業(yè)在國內(nèi)受到越來越多的關(guān)注。智慧農(nóng)業(yè)將最新的信息技術(shù)如物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和人機交互應(yīng)用于各種農(nóng)業(yè)活動，并成為全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式改革的重要趨勢[1]。設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標志之一，也是智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要任務(wù)。大棚智能控制作為設(shè)施蔬菜種植過程中的重要環(huán)節(jié)，是保障農(nóng)產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量、提高水分利用率的重要舉措[2]。

國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，我國農(nóng)業(yè)灌溉用水量占總用水量的60%以上，實現(xiàn)農(nóng)田的節(jié)水灌溉已成當務(wù)之急[3]。傳統(tǒng)的依賴于農(nóng)戶通過經(jīng)驗判斷是否需要灌溉和漫灌、噴灌等灌溉方式是導(dǎo)致水資源浪費嚴重的主要原因[4]。以往所設(shè)計的智能灌溉控制系統(tǒng)中，主要以檢測到的土壤當前濕度和最佳濕度作為對比，當實時濕度小于最佳濕度下限時則對植株進行適當灌溉從而達到節(jié)水目的，但由于不同地區(qū)的土壤成分差異，濕度不能反映出土壤水分對植物的有效性，土壤水勢則具有更廣泛的適用性[5]。本文以最佳土壤水勢為依據(jù)，控制電磁閥的啟停時間，可以推廣至不同地區(qū)土壤的蔬菜種植，并基于此設(shè)計了設(shè)施蔬菜智能灌溉控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要針對設(shè)施蔬菜的智能灌溉控制，通過傳感器技術(shù)、無線傳輸技術(shù)、人工智能技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)等相結(jié)合，實現(xiàn)農(nóng)田數(shù)據(jù)采集功能、無線傳輸功能、智能決策功能、實時監(jiān)控功能和灌溉執(zhí)行功能，可以同時對多個溫室大棚進行智能化灌溉。系統(tǒng)共分為4個模塊，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 數(shù)據(jù)采集模塊

無線傳感網(wǎng)絡(luò)作為整個智能控制系統(tǒng)的感知層，具備感知核心信息的能力。為了避免現(xiàn)場布線帶來的各種問題，本系統(tǒng)采用自主設(shè)計的無線土壤水勢測量儀，該測量儀采用低功耗太陽能輔助鋰電池供電，集成短距離無線傳輸模塊，并具有數(shù)據(jù)自動存儲功能。土壤水勢是指從土壤中吸取單位水分所需要引起的能量，土壤水分飽和，水勢為零，含水量低于飽和狀態(tài)，水勢為負值，通過傳感器頂端陶瓷頭表面細小而均勻的孔隙來透過水溶液而阻隔土壤顆粒，使儀器內(nèi)部產(chǎn)生負壓值，以此來表示土壤含水狀況。測量儀采用TI公司STM32F103RCT6芯片作為MCU，具有體積小、性能強、成本低、功耗少等優(yōu)點，STM32內(nèi)部集成了16通道12位ADC，可滿足一般情況下對于A/D功能的要求。單片機內(nèi)部對儀器內(nèi)部負壓信號進行A/D轉(zhuǎn)換，獲取實時數(shù)據(jù)進行粗差剔除后存儲在TF卡中，有效減少了外界環(huán)境的影響，避免人工讀數(shù)帶來的誤差。

為了解決田間多點位監(jiān)測的需要，測量儀使用短距離無線數(shù)傳模塊APC240將采集到的數(shù)據(jù)封裝成幀，然后通過射頻天線上傳至系統(tǒng)內(nèi)。APC240采用半雙工信道，可快速實現(xiàn)星型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)連接，工作頻段為433MHz和470 MHz，傳輸距離可達700 m，具有較強的抗干擾能力。此外，嵌入的低功耗射頻芯片sx1212和ST單片機，發(fā)射頻率僅為10 MW，有效保證了續(xù)航時間，上位機采用MySQL作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，接收和存儲土壤水勢測量儀的數(shù)據(jù)。土壤水勢測量儀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 土壤水勢測量儀硬件結(jié)構(gòu)圖

3 智能決策模塊

3.1 智能決策流程

智能灌溉決策的功能主要由現(xiàn)場集控計算機實現(xiàn)，現(xiàn)場集控中心一體機硬件配置如下：CPU：Intel(R) Core(TM)i5-3317U @1.70 GHz 1.70 GHz；安裝內(nèi)存(RAM)：8.00 GB；系統(tǒng)類型：Win7 64位操作系統(tǒng)；硬盤容量：250 G 。一體機采用Labview2013作為軟件平臺，應(yīng)用第三方數(shù)據(jù)庫訪問工具包LabSQL對數(shù)據(jù)庫進行管理，其中ADO Connection Open模塊用于對數(shù)據(jù)庫的連接驗證和訪問，SQL Execute模塊對數(shù)據(jù)庫進行查詢和修改，現(xiàn)場集控計算機的智能決策流程如圖3所示。

圖3 智能決策流程圖

3.2 模糊控制器設(shè)計

由于土壤大慣性、非線性的特征，很難確定具體的數(shù)學模型，所以采用模糊控制的方法，在專家的灌溉建議和大量灌溉經(jīng)驗基礎(chǔ)上以自然語言的形式表現(xiàn)在控制規(guī)則上[6]。選擇雙輸入單輸出的Mamdani型模糊控制器作為推理機，實時土壤水勢與理想水勢差值(E)和差值變化率(EC)為輸入量，最佳灌溉時長(U)作為輸出量。模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，先把算得的兩個輸入量映射至模糊域，再輸入到模糊控制器中，根據(jù)規(guī)則庫進行模糊推理，最后解模糊得到電磁閥開啟時間。利用模糊控制器分析處理土壤水勢數(shù)據(jù)，配合規(guī)則庫中豐富的種植經(jīng)驗，有效提高了灌溉決策的準確性，以土壤水勢為測量參數(shù)的方式也廣泛適用于各地區(qū)不同類型土壤的智能灌溉。

圖4 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

不同作物在不同生長生理期對水分的需求量也有差別[7]，本文以經(jīng)濟作物黃瓜結(jié)果期的模糊決策為例進行探討。黃瓜根系分布于基質(zhì)下25 cm范圍內(nèi)，屬于淺根類植物，水分需求量大，不耐旱，綜合考慮結(jié)果期產(chǎn)量和水分利用率因素，土壤水勢在-10～-5 kPa時既能節(jié)約灌溉用水，又能達到單株最大產(chǎn)量[8]。設(shè)置土壤水勢目標值為-5 kPa，土壤水勢下限為-10 kPa，晴天條件下實驗測得土壤水勢由-5 kPa下降至-10 kPa時間約為70 h，最大差值變化率為6%。溫室環(huán)境內(nèi)不會受到外界降水的影響，且作物灌溉過于頻繁會加劇病蟲害發(fā)生，所以模糊控制器每70 h工作1次，以保證黃瓜生長在最佳土壤濕度，土壤水勢從-10 kPa到-5 kPa電磁閥需要開啟的時間為15 min。

土壤水勢差值E的物理論域為[0,5],模糊語言變量分7個等級，記為{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB},模糊論域為{0,1,2,3,4,5,6}。土壤水勢差值變化率EC和電磁閥開啟時間U的物理論域分別為[0,6%]和[0,15]，模糊語言變量分成6個等級，記為{NM,NS,ZE,PS,PM,PB}，模糊論域為{0,1,2,3,4,5}。三角形隸屬度函數(shù)在坐標軸上呈線性分布，具有設(shè)計簡單、輸出平滑的特點[9]，因此E、EC和U均采用三角形隸屬度函數(shù)，E的隸屬度函數(shù)如圖5所示。EC和U的隸屬度函數(shù)與E類似。

圖5 輸入量E隸屬度函數(shù)

根據(jù)專家經(jīng)驗及前期實驗數(shù)據(jù)總結(jié)得出模糊控制規(guī)則如表1所示。

為檢驗控制效果，將上述輸入和輸出的隸屬度函數(shù)及分布和模糊控制規(guī)則寫入LabVIEW的fuzzy system designer內(nèi)，雙輸入單輸出控制器的語言式規(guī)則采用如“if ‘E’ is ‘NB’ AND ‘EC’ is ‘NM’ THEN ‘U’ is ‘PM’”表示。Mamdani型控制器以最小運算法為模糊蘊含關(guān)系方法進行模糊推理，隸屬度函數(shù)最大原則選擇控制量，清晰化方法為面積重心法。輸出特性曲面如圖6所示，可以發(fā)現(xiàn)該控制器響應(yīng)速度快，輸出精細，變化平緩。

表1 模糊控制規(guī)則

圖6 輸出特性曲面

4 遠程監(jiān)控模塊

實時監(jiān)控分為現(xiàn)場集控計算機的實時監(jiān)控和遠程監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)場集控計算機采用Labview訪問數(shù)據(jù)庫的方式讀取數(shù)據(jù)庫中各溫室土壤水勢的歷史記錄。遠程監(jiān)控中心是農(nóng)戶與灌溉系統(tǒng)交互的接口，為了方便農(nóng)戶在家中也能實時接收田間數(shù)據(jù)，遠程端在MySQL授權(quán)下以root用戶登錄到服務(wù)器，輸入對應(yīng)的用戶名密碼即可實現(xiàn)遠程連接進行數(shù)據(jù)監(jiān)控。農(nóng)戶可以遠程控制灌溉的實施離不開系統(tǒng)的遠程傳輸功能，本文選用GRM500作為智能遠程控制終端，支持Modbus通信協(xié)議，與PLC通過RS485相連，工業(yè)級嵌入式ARM處理器具有極強的穩(wěn)定性，支持WCDMA協(xié)議，利用運營商3G網(wǎng)絡(luò)與遠程監(jiān)控端實時通訊，傳輸距離不受限制。

5 灌溉執(zhí)行模塊

為保障灌溉執(zhí)行機構(gòu)的穩(wěn)定運行，本文選取微處理器為ST30的西門子S7-200 SMART作為現(xiàn)場可編程邏輯控制器來驅(qū)動電磁閥。該PLC的CPU模塊集成一個RS485接口和一個以太網(wǎng)端口，支持TCP/IP協(xié)議，可同時接收現(xiàn)場主機和無線傳輸端發(fā)來的指令。S7-200 SMART具有18個輸入點和12個輸出點，每個輸出點可以控制一個電磁閥，現(xiàn)場集控計算機在PC Access SMART創(chuàng)建西門子的OPC Server，并在Labview中綁定變量實現(xiàn)對PLC的變量輸出操作。同理為了進行遠程控制，建立無線傳輸端和PLC之間的地址映射，實現(xiàn)手動控制和智能控制可切換的控制模式。

電磁閥選取型號為順綠SLPGA的直流常閉電磁閥，該電磁閥具有靈敏度高，穩(wěn)定性好，功耗低等優(yōu)點。額定電壓12 V，工作壓力0.1～1.04 MPa，最大流速30 m3/h，額定功率為4.5 W，采用雙重過濾防止堵塞電磁線圈，耐久度良好。灌溉方式選用滴灌法，結(jié)合施肥可使水分利用率達到95%，肥效提高1倍以上[10]。

6 智能灌溉控制系統(tǒng)測試

控制系統(tǒng)運行后，現(xiàn)場集控計算機界面顯示各溫室大棚作物的理想水勢，并以柱狀圖形式顯示出實時水勢，無人干預(yù)下系統(tǒng)自主做出決策。當某個大棚的電磁閥開啟灌溉時，相應(yīng)的狀態(tài)燈也會亮起，用戶也可以手動選擇灌溉或停止灌溉?？刂葡到y(tǒng)的界面如圖7所示。

圖7 智能灌溉控制系統(tǒng)界面

7 結(jié) 語

本文在掌握我國設(shè)施農(nóng)業(yè)智能灌溉發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，以適用性更加廣泛的土壤水勢作為控制目標，LabVIEW為平臺設(shè)計了一套基于模糊控制方法的設(shè)施蔬菜智能灌溉控制系統(tǒng)，以相應(yīng)的軟件設(shè)計實現(xiàn)了田間土壤水勢數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的無線傳輸、智能灌溉決策、遠程監(jiān)控等功能。在以后的研究中，還需在系統(tǒng)中增加空氣溫濕度、光照、二氧化碳含量等傳感器及相應(yīng)的無線通信模塊，完善針對不同作物各個生長周期的模糊控制規(guī)則，提高控制系統(tǒng)的精確度，從而實現(xiàn)精準灌溉。