金 杰

(廣州大學(xué) 廣東省水肥高效利用及太陽能智能灌溉工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510006)

0 引言

眾所周知，能源和水資源是國民經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)資源。目前全球都面臨著缺水危機，我國屬缺水農(nóng)業(yè)大國，每年因干旱缺水造成的經(jīng)濟損失達350億美元。統(tǒng)計表明：目前我國農(nóng)業(yè)用水占65%左右，但利用率只有45%，與節(jié)水先進國家70%～80%的高利用率差距明顯。全國耕地面積18.26億畝，而絕大多數(shù)的耕地都未曾使用節(jié)水灌溉技術(shù)，造成水資源、人力資源的極大浪費[1]。因此，改善灌溉技術(shù)，采用智能化、精準(zhǔn)化灌溉成為解決水資源短缺的有效途徑。本文根據(jù)天氣預(yù)報信息對農(nóng)田的灌溉實行智能控制，對解決當(dāng)前的水資源短缺以及利用率低等問題具有非常重要的意義。

1 智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

智能灌溉系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集部分、計算機控制部分和執(zhí)行部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。通過土壤濕度傳感器實時采集土壤墑情，通過雨量傳感器采集降雨量，控制器將傳感器輸出的電流信號傳給PC上位機，上位機將采集到的實時數(shù)據(jù)進行處理，同時通過模糊控制與天氣預(yù)報進行決策，向控制器發(fā)出灌溉指令，控制水泵與電磁閥，從而實現(xiàn)智能化灌溉。

圖1 智能灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)備主要包括計算機、土壤濕度傳感器、雨量傳感器、控制器、電磁閥和水泵。土壤濕度的大小對農(nóng)作物生長有著直接的影響，如番茄，最佳土壤濕度為70%。本文選用MS10型土壤水分傳感器，測量土壤水分的體積百分比，其輸出信號為4 mA～20 mA電流；雨量傳感器選用TYL-A1-10系列傳感器，輸出信號為4 mA～20 mA電流，該傳感器采用流量計原理，使得測量結(jié)果更加精確。

控制器是外界設(shè)備與PC上位機之間的橋梁，本文選用西門子PLC作為控制器，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸給計算機，計算機通過模糊控制算法處理濕度和降雨信息，發(fā)出灌溉決策控制水泵和電磁閥。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該系統(tǒng)軟件采用美國NI公司的LabVIEW圖形化編程軟件為開發(fā)平臺，結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際，將整個系統(tǒng)分為三個部分[2]：實時監(jiān)測單元、數(shù)據(jù)管理單元和灌溉決策單元。

(1) 實時監(jiān)測單元。將采集到的農(nóng)田不同區(qū)域的土壤墑情以及電磁閥開關(guān)時段以曲線和文本的形式顯示，并通過LabVIEW調(diào)用當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)頁天氣信息，管理人員能夠更直觀地了解農(nóng)田現(xiàn)場狀況。調(diào)用網(wǎng)頁天氣預(yù)報程序如圖2所示。

(2) 數(shù)據(jù)管理單元。農(nóng)田環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)量大，保證這些現(xiàn)場數(shù)據(jù)可靠存儲是實現(xiàn)智能灌溉的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)庫分別對農(nóng)田各區(qū)域的土壤濕度和電磁閥開關(guān)情況進行存儲。

(3) 灌溉決策單元。灌溉決策單元是灌溉系統(tǒng)的“神經(jīng)中樞”，其主要功能是利用模糊控制算法處理控制器傳來的農(nóng)田環(huán)境參數(shù)，為農(nóng)作物進行灌溉指導(dǎo)，驅(qū)動水泵和電磁閥。灌溉程序流程如圖3所示。

圖2 調(diào)用網(wǎng)頁天氣預(yù)報程序

2 智能控制的灌溉策略

2.1 模糊控制理論

模糊控制是建立在人工經(jīng)驗基礎(chǔ)之上的，采用模糊集合理論和模糊邏輯，并與傳統(tǒng)的控制理論相結(jié)合，模擬人的思維方式，對難以建立數(shù)學(xué)模型的對象實施的一種控制方法。

土壤環(huán)境是一種非線性的、滯后的、時變的復(fù)雜過程，并且很難建立精確統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型，將模糊控制技術(shù)引入農(nóng)業(yè)灌溉，可提高灌溉決策的準(zhǔn)確性[3]。首先將操作人員的經(jīng)驗制定成模糊規(guī)則，然后將來自傳感器的參數(shù)模糊化，并將此模糊后的參數(shù)輸入模糊規(guī)則，完成模糊推理輸出，最后將輸出量解模糊化，以此來控制電磁閥的開啟時長。

2.2 模糊控制器的設(shè)計

本系統(tǒng)運用LabVIEW的模糊邏輯工具包(Fuzzy Logic Toolkit)[4]設(shè)計了兩種模糊控制器，即常規(guī)模糊控制器和雨量模糊控制器[5]，均采用二輸入單輸出的Mamdani型模糊控制器，輸入、輸出均采用三角形隸屬函數(shù)。

(1) 常規(guī)模糊控制器中，輸入量為當(dāng)前土壤濕度E和最佳土壤濕度與當(dāng)前土壤濕度的差值EC，輸出量為灌溉時長T。將當(dāng)前土壤濕度E的論域[10,70]劃分為5級，如表1所示。將差值EC的論域[0,25]劃分為6級，如表2所示。經(jīng)實驗測出土壤濕度從10%變到70%所需灌溉時間為13 min，因此確定灌溉時長T的論域為[0,13],將其劃分為5級，如表3所示。生成的常規(guī)模糊規(guī)則如表4所示。

表1 土壤濕度E模糊集劃分

表2 差值EC模糊集劃分

表3 灌溉時長T模糊集劃分

表4 常規(guī)模糊控制規(guī)則

(2) 雨量模糊控制器中，輸入量為當(dāng)前土壤濕度E和降雨量RQ，輸出量為灌溉時長T。降雨量根據(jù)氣象預(yù)報信息劃分為6級，如表5所示。生成的雨量模糊規(guī)則如表6所示。

表5 降雨量RQ模糊集劃分

表6 雨量模糊控制規(guī)則

經(jīng)過模糊推理后得到的輸出是一個隸屬度函數(shù)，因此必須進行解模糊變成確定值。

LabVIEW提供去模糊化方法有面積中心、改進面積中心、和中心、最大值中心、最大值平均，本系統(tǒng)采用面積中心法進行解模糊，取模糊論域隸屬度函數(shù)與橫坐標(biāo)圍成面積的中心為模糊推理的輸出值。

2.3 模糊控制器的輸出

經(jīng)模糊推理后，本系統(tǒng)常規(guī)模糊控制器和雨量模糊控制器的輸出特性曲面分別如圖4、圖5所示，兩種模糊控制器在LabVIEW中的實現(xiàn)分別如圖6、圖7所示。

3 結(jié)語

(1) 本文將實時天氣預(yù)報引入智能灌溉控制系統(tǒng)，

減少了降雨量造成的水資源浪費，避免了灌溉后下雨天農(nóng)作物遭遇洪澇災(zāi)害的風(fēng)險。

(2) 本系統(tǒng)運用LabVIEW的模糊邏輯工具包(Fuzzy Logic Toolkit)設(shè)計了常規(guī)模糊控制器和雨量模糊控制器，系統(tǒng)先由土壤濕度傳感器采集土壤濕度，根據(jù)常規(guī)模糊控制器推斷是否需要灌溉，當(dāng)需要灌溉時，首先根據(jù)天氣預(yù)報監(jiān)測三天內(nèi)是否有雨，如果無雨則根據(jù)常規(guī)模糊控制器決策灌溉；如果有雨，則等到雨水的到來，根據(jù)雨量模糊控制器決策灌溉。

圖4 常規(guī)模糊控制器輸出特性曲面

圖5 雨量模糊控制器輸出特性曲面

圖6 有雨時模糊控制程序

圖7 無雨時模糊控制程序