智能灌溉用電動蝶閥的多模式監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

李海波 楊國華 付 琛 劉昌珍 趙曉峰

(無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214153)

0 引言

我國是產(chǎn)糧大國，但其生產(chǎn)方法的科技含量卻很低，尤以灌溉模式最為突出［1］。目前，很多地區(qū)仍然依靠“經(jīng)驗?zāi)Ｊ健眮頉Q定灌溉的時間及需水量、依靠“人工模式”來手工啟停泵、開關(guān)灌水閥。針對大面積農(nóng)村集中示范地，若仍采用這種模式進行灌溉，一方面將導(dǎo)致田地的土壤濕度不能很好地與農(nóng)作物的生長期要求相適應(yīng)，另一方面還會造成由于忘記開關(guān)水閥而造成不必要的經(jīng)濟損失以及能量消耗。為此，設(shè)計一套智能化的電動蝶閥控制系統(tǒng)，不僅能按照農(nóng)作物的生長需求智能化地控制閥門開度，還能解決遠程監(jiān)控蝶閥、方便操作等問題，同時還將更加有利于節(jié)水節(jié)電，具有較大的社會意義和實用推廣價值。

1 電動蝶閥的多模式控制要求

(1)為了方便用戶進行控制，有效地實現(xiàn)人機交互，該套控制系統(tǒng)需要支持蝶閥的手動與自動兩種控制方式。

在手動方式下，蝶閥可以采用專用工具啟閉，尤其在蝶閥出現(xiàn)故障時。在自動方式下，需要支持就地與遠程控制兩種模式。所謂就地控制，即農(nóng)民在田頭可以自由按下開啟、關(guān)閉按鈕對蝶閥進行自動控制;同時也能實時地觀測到蝶閥當(dāng)前所處的狀態(tài)(開到位、關(guān)到位、開度等)。所謂遠程控制，則能根據(jù)管理人員的權(quán)限對蝶閥進行控制(若是管理人員，則其具有最高權(quán)限，可以對蝶閥的使用權(quán)限進行設(shè)置，同時還能遠程上網(wǎng)啟閉蝶閥，觀測蝶閥的狀態(tài);若是農(nóng)民，則可以通過手機上網(wǎng)實現(xiàn)蝶閥的遠程監(jiān)測)。

(2)為了達到智能化的效果，在每塊田地設(shè)置的就地控制裝置需要能夠?qū)崟r反映當(dāng)前農(nóng)作物所處的生長環(huán)境(比如濕度、光照度、水位等)，還能根據(jù)農(nóng)作物的生長需求，對蝶閥開度進行智能化的控制，從而滿足農(nóng)作物對土壤濕度的需求。

2 蝶閥控制系統(tǒng)設(shè)計思路

為了滿足上述蝶閥的控制要求，從人機交互方便、經(jīng)濟實用、安全可靠等角度考慮，這里采用如圖1 所示的控制系統(tǒng)架構(gòu)。

圖1 蝶閥多模式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure of the multi-mode control system for butterfly valve

從圖1 可以看出，本系統(tǒng)主要采用基于無線寬帶通信和以太網(wǎng)的分布式結(jié)構(gòu)。在中心控制站和現(xiàn)場監(jiān)控站之間形成3G 網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，在現(xiàn)場監(jiān)控站與就地控制柜之間采用RS-485 通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。其中，中心控制站主要實現(xiàn)遠程蝶閥的狀態(tài)監(jiān)測、田間土壤參數(shù)、蝶閥遠程控制、數(shù)據(jù)保存及相關(guān)信息管理工作;現(xiàn)場監(jiān)控站主要是針對多組蝶閥進行自動控制以及狀態(tài)指示等;現(xiàn)場控制柜主要針對現(xiàn)場單個電動蝶閥進行就地啟停智能控制;手機3G 模塊主要支持農(nóng)民手機上網(wǎng)啟停蝶閥以及對田間的狀態(tài)監(jiān)測。

3 蝶閥現(xiàn)場單片機模糊控制

3.1 蝶閥模糊控制的原理

由于電動蝶閥的調(diào)節(jié)特性為非線性，且閥門動作和土壤濕度檢測具有一定的滯后性。因此其控制模型很難用精確的數(shù)學(xué)表達式來描述，采用標準的PID 也很難達到預(yù)期的農(nóng)作物對土壤濕度的要求。由于模糊控制不依賴于系統(tǒng)模型，魯棒性好，所以將這種控制方法引入智能節(jié)水灌溉用蝶閥控制系統(tǒng)中，不但能起到節(jié)水的效果，而且還能通過對作物進行合理的灌溉，更有利于作物的生長發(fā)育，達到增產(chǎn)的目的［2］。

所謂蝶閥的模糊控制，即對田間土壤濕度進行采集［3-4］，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)化后，利用模糊控制器(這里采用單片機作為核心控制器)進行模糊化度量、識別，然后利用專家知識，結(jié)合農(nóng)作物的生長需求，生成模糊規(guī)則推理，從而形成模糊決策，最后經(jīng)過反模糊化輸出精確的蝶閥開度，達到智能節(jié)水灌溉的目的。其模糊邏輯推理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 蝶閥模糊控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of fuzzy control system for butterfly valve

3.2 蝶閥模糊控制系統(tǒng)實現(xiàn)

3.2.1 參數(shù)模糊化

這里選用了系統(tǒng)檢測的土壤實際濕度T 與土壤濕度給定值Td的誤差以及誤差變化率作為節(jié)水灌溉用蝶閥模糊控制系統(tǒng)的輸入變量。根據(jù)農(nóng)作物生長期的最佳土壤濕度需求，經(jīng)過量化因子量化后，選擇確定其ΔT、ΔET 模糊論域分別為［-1，1］、［-0.2，0.2］，并將其都定義為5 個等級，分別為{負大，負小，零，正小，正大}，分別對應(yīng)于{NB，NS，ZO，PS，PB}，其隸屬度函數(shù)均選擇高斯型。其中ΔET 的隸屬度函數(shù)如圖3 所示。

圖3 模糊控制系統(tǒng)輸入量模糊隸屬度函數(shù)Fig.3 The fuzzy membership functions of ΔET

把閥門開度作為模糊控制器的輸出變量，論域定義為［0，90］(由于閥門全開需90 s);設(shè)定5 個模糊子集分別為{最小，小，適中，大，最大}，隸屬度函數(shù)取三角形。

3.2.2 模糊控制規(guī)則

蝶閥控制的原則為:當(dāng)土壤濕度偏差大時，輸出量要向盡量減小偏差的方向選取;當(dāng)土壤濕度偏差較小時，輸出量要向盡量保持土壤濕度穩(wěn)定的方向選取，避免超調(diào)的情況出現(xiàn)。因此，最終在農(nóng)學(xué)專家的指導(dǎo)下，結(jié)合當(dāng)季農(nóng)作物的實際情況，經(jīng)過灌溉實驗，合理地制定本系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則如表1 所示。

表1 蝶閥模糊控制規(guī)則Tab.1 Fuzzy control rules of butterfly valve

3.2.3 模糊控制軟件實現(xiàn)流程

蝶閥的就地控制主要采用單片機為核心，通過利用外置的撥碼開關(guān)進行參數(shù)設(shè)置(模式設(shè)定、設(shè)備地址、通信協(xié)議等)。每塊農(nóng)田選用5 只SWR-3 型土壤水分傳感器作為土壤濕度采集器，借助于單片機內(nèi)置的A/D 轉(zhuǎn)換通道進行土壤濕度的采集與模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而通過判斷當(dāng)前控制柜的工作模式來進行參數(shù)設(shè)定，實現(xiàn)自動模糊控制或手工啟?？刂?，并定時進行參數(shù)顯示刷新。其軟件實現(xiàn)的流程如圖4 所示。

圖4 蝶閥就地模糊控制軟件實現(xiàn)流程Fig.4 The implementing flowchart of local fuzzy control software for butterfly valve

3.2.4 模糊控制效果

通過將該裝置應(yīng)用于蘇州太倉某一農(nóng)田示范基地現(xiàn)場，結(jié)果發(fā)現(xiàn)各塊田地的蝶閥手工均能靈活啟?？刂疲?dāng)置于自動控制模式時，其田間的土壤設(shè)定濕度與當(dāng)前濕度變化趨勢如圖5 所示。

圖5 田間的土壤設(shè)定濕度與當(dāng)前濕度變化趨勢Fig.5 The setting soil humidity and current humidity varying trend

4 蝶閥組觸摸屏遠程監(jiān)控

4.1 蝶閥用單片機控制裝置通信協(xié)議

蝶閥用單片機控制裝置提供了RS-232 以及RS-485 兩種通信接口模式。由于在現(xiàn)場監(jiān)控站是針對某一片農(nóng)田統(tǒng)一進行監(jiān)控，因此在這個監(jiān)控中心將涉及到多個單片機蝶閥控制裝置數(shù)據(jù)上傳與下發(fā)的問題。S7-200 系列的PLC 支持自由口通信模式，而所謂的自由口通信就是允許用戶自己定義通信協(xié)議設(shè)置，如數(shù)據(jù)長度、奇偶校驗等，其通信功能完全由用戶程序控制［5］。因此，在此采用自由口通信的方式，實現(xiàn)PLC與多個單片機之間的數(shù)據(jù)通信，然后利用PLC 與觸摸屏之間的以太網(wǎng)通信實現(xiàn)多個田地的蝶閥遠程控制以及狀態(tài)監(jiān)測。這樣，不僅降低了系統(tǒng)開發(fā)成本，而且應(yīng)用方便。

開發(fā)的單片機蝶閥控制裝置支持ASCII 碼字符格式進行信號傳輸，其通信的協(xié)議為:＜起始符(1 字節(jié)ASCII 碼)、地址(2 字節(jié)ASCII 碼)、數(shù)據(jù)長度(2 字節(jié)ASCII 碼)、命令或狀態(tài)(4 字節(jié)ASCII 碼)、CRC 校驗((4 字節(jié)ASCII 碼)＞ 結(jié)束符(1 字節(jié)ASCII 碼))，支持進行狀態(tài)查詢以及開關(guān)命令發(fā)送。

比如，PLC 若發(fā)送＜0103020000B844 ＞，則代表PLC 需要查詢1#蝶閥當(dāng)前的狀態(tài);當(dāng)單片機控制裝置接收到此信息后，將返回一串信息，表明蝶閥是“正在開”、“正在關(guān)”、“開故障”、“關(guān)故障”、“開好”、“關(guān)好”等狀態(tài)。PLC 若發(fā)送＜0103020100B9D4 ＞，則代表PLC 遠程關(guān)閉1#蝶閥，單片機控制裝置接收到此信息后將立即動作。

4.2 蝶閥組遠程群控系統(tǒng)設(shè)計

4.2.1 自由口通信實現(xiàn)

在S7-200 系列的PLC 中，進行自由口通信主要有兩條指令:XMT 以及RCV，分別用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)［6］。在實現(xiàn)PLC 與蝶閥就地控制用單片機裝置進行自由口通信時，主要采用下列流程實現(xiàn):①首先進行接收參數(shù)的設(shè)置(起始字符、結(jié)束字符)，啟用發(fā)送、接收以及定時中斷;②在定時中斷產(chǎn)生時，由上位PLC 發(fā)送蝶閥狀態(tài)查詢或蝶閥啟閉命令(即設(shè)置發(fā)送XMT 指令對應(yīng)的緩沖區(qū)內(nèi)容)，并暫時分離定時中斷;③當(dāng)發(fā)送完成后，立即執(zhí)行發(fā)送中斷，即接收下位單片機控制裝置發(fā)出的響應(yīng)信息;④當(dāng)信息接收完成后，啟用接收中斷，即對接收的信息進行分解，從而向觸摸屏發(fā)送相關(guān)的蝶閥狀態(tài);同時啟用定時中斷。

在具體軟件實現(xiàn)的過程中，主要需要解決好兩大問題:①發(fā)送或接收信息時出現(xiàn)通信故障，應(yīng)及時向觸摸屏反饋信息，同時要立即禁用自由口通信，防止出現(xiàn)死機狀態(tài);②由于上位PLC 需要控制多個單片機蝶閥控制裝置，所以在發(fā)送信息時需要進行通信協(xié)議的定義、信息字符串中校驗碼的計算。

4.2.2 蝶閥組遠程觸控系統(tǒng)設(shè)計

當(dāng)PLC 與就地的蝶閥控制柜之間能夠進行數(shù)據(jù)通信后，利用人機交互友好、動態(tài)效果較強、較為經(jīng)濟的昆侖通泰觸摸屏TPC7062K 作為現(xiàn)場監(jiān)控站的蝶閥監(jiān)控HMI，通過CP243-1 以太網(wǎng)模塊實現(xiàn)PLC 與HMI之間的數(shù)據(jù)通信，采用Modbus TCP/IP 協(xié)議實現(xiàn)HMI與手機3G 模塊或上位計算機之間的信息交互，從而達到遠程監(jiān)控蝶閥的目的［7-8］。通過對畫面的設(shè)計、數(shù)據(jù)變量的定義、設(shè)備的連接、策略的設(shè)置，設(shè)計出遠程HMI 和手機上網(wǎng)監(jiān)控工程。這套遠程HMI 和手機上網(wǎng)監(jiān)控軟件不僅能夠?qū)Φy的使用狀況進行設(shè)置，并能實時反映多組蝶閥的工作狀態(tài)，同時還能檢查蝶閥以及通信線路的故障并加以提示。

5 系統(tǒng)在太倉水利的應(yīng)用

將設(shè)計好的蝶閥多模式監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于太倉農(nóng)田灌溉時發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)目前運行穩(wěn)定可靠，蝶閥控制方式多樣靈活，支持手機、監(jiān)控站觸摸屏監(jiān)控以及就地的智能自動控制以及手工開關(guān)。同時，田間的土壤濕度與水稻生長期的最佳濕度要求相比，誤差能夠控制在±3.24%左右。與以往人工開關(guān)蝶閥方式進行灌溉的電能進行比較發(fā)現(xiàn)，泵閥不用長時間開啟，其電能節(jié)約近0.008 kW· h/m2。

6 結(jié)束語

針對田間灌溉用蝶閥手動控制的缺陷進行分析研究，發(fā)現(xiàn)對蝶閥控制進行智能化的設(shè)計開發(fā)將有利于節(jié)約人力、物力以及財力，同時還有利于農(nóng)作物的生長。為此，提出采用PLC、觸摸屏以及手機模塊等設(shè)備，利用多種工業(yè)通信模式實現(xiàn)了單個蝶閥的就地手自動控制、片區(qū)現(xiàn)場工作站的集中監(jiān)控以及網(wǎng)上農(nóng)田示范區(qū)的蝶閥工作狀態(tài)監(jiān)控等智能化的控制模式。同時，針對土壤濕度控制穩(wěn)定性、精確度等問題，研究設(shè)計了一種基于模糊控制算法的土壤濕度智能控制。經(jīng)過實際農(nóng)田示范區(qū)的使用發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能夠完全滿足控制要求。

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