智能化噴灌控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

張 兵，鄒一琴，韓 霞，胥安東

(1.江蘇大學(xué)流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 常州工學(xué)院電氣與光電工程學(xué)院，江蘇 常州 213002)

我國人均水資源總量不足世界平均水平的1/3，而且我國是發(fā)展中國家，隨著工業(yè)用水、生活用水的增加，農(nóng)業(yè)用水節(jié)水非常重要。因此提高水的利用率和水的生產(chǎn)效率，減少水的浪費(fèi)，應(yīng)用節(jié)水灌溉新技術(shù)、新方法來達(dá)到農(nóng)業(yè)節(jié)水，從而達(dá)到擴(kuò)大灌溉面積，提高糧食總產(chǎn)量的目的。智能化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)符合我國可持續(xù)發(fā)展之路。農(nóng)作物各個(gè)階段的生長與土壤的濕度、實(shí)時(shí)的光照強(qiáng)度、大氣溫度等氣候因素有很大的關(guān)系，在這些因素中土壤濕度是重要因素且具有易探測(cè)和調(diào)節(jié)的特性，土壤濕度具有諸多的特點(diǎn)。如果使用傳統(tǒng)的控制方式,系統(tǒng)很容易出現(xiàn)很大的超調(diào)，嚴(yán)重情況下造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，最終導(dǎo)致無法節(jié)水，并且當(dāng)超調(diào)量超過一定值時(shí)，還會(huì)對(duì)農(nóng)作物的生長造成影響。因此本次使用Mamdani控制模型來應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)控制方法產(chǎn)生的問題。

1 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

本次系統(tǒng)硬件部分分為基站的硬件設(shè)計(jì)和節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)?；竞凸?jié)點(diǎn)的單片機(jī)選擇STC89C52RC芯片，通信模塊選擇有線通訊RS-485?；竞凸?jié)點(diǎn)系統(tǒng)硬件見圖1、圖2。

圖1 基站系統(tǒng)硬件框圖

圖2 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)硬件框圖

基站的硬件結(jié)構(gòu)主要由以下幾個(gè)部分組成。

(1)單片機(jī)模塊。使整個(gè)微控制器STC89C52RC正常工作的模塊，主要包括晶振電路(使用12 MHz的晶振)、復(fù)位電路(帶手動(dòng)復(fù)位的高電平復(fù)位)。

(2)通信模塊。主要用于與各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令交換，主要通過發(fā)送相關(guān)的指令并隨后接受來自節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，本次主要使用RS-485通信協(xié)議。

(3)I/O模塊。用于控制通信模塊。

(4)人機(jī)界面。主要包括液晶顯示屏(12864液晶)以及相關(guān)的按鍵電路(電路包括3個(gè)按鈕，分別為生長周期增、減以及確認(rèn)按鈕)，目的是用于用戶的參數(shù)設(shè)定以及數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

(5)電磁閥。接受來自單片機(jī)的控制指令，控制電磁閥門的開關(guān)從而達(dá)理想的灌溉效果。

(6)電源。主要用于提供5 V電壓。

圖2為各節(jié)點(diǎn)的硬件框圖，除了人機(jī)界面，基站擁有的硬件它也擁有，而且還多了一個(gè)用于采集土壤濕度的傳感器模塊。

1.1 繼電器及電磁閥

電磁閥模塊主要通過單片機(jī)的信號(hào)來控制電磁閥門的開與關(guān)，低電平時(shí)繼電器吸合。二極管D1用于當(dāng)繼電器斷開狀態(tài)時(shí)提供放電線路避免繼電器線圈上出現(xiàn)很大反向電壓，電壓過高可能導(dǎo)致三極管的損壞。具體電路設(shè)計(jì)見圖3。

圖3 繼電器連接圖

1.2 傳感器模塊

農(nóng)作物主要從土壤中獲得所需水分，節(jié)水灌溉中土壤的水分是最為重要的數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)部分通過傳感器收集到實(shí)時(shí)的土壤含水量的數(shù)據(jù)并且通過通信模塊發(fā)給基站，基站通過對(duì)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的實(shí)時(shí)土壤含數(shù)量進(jìn)行分析，跟最佳的土壤含水量進(jìn)行比較，從而得出土壤濕度的差值以及土壤濕度的變化率，并且將這2個(gè)數(shù)據(jù)模糊化從而作為控制器的輸入，經(jīng)過模糊推理后將輸出反模糊化從而控制電磁閥門的開關(guān)，確保在滿足農(nóng)作物的生長水分的前提下，節(jié)約用水。因此具有高精度的土壤墑情傳感器非常重要。

目前經(jīng)常使用的土壤濕度傳感器有FDR型以及TDR型，比較流行的是FDR型。本次設(shè)計(jì)使用頤信科技的TH-FDR2000型土壤水分傳感器。

由于單片機(jī)本次選用的不自帶AD轉(zhuǎn)化模塊，且土壤水分傳感器傳輸過來的是單片機(jī)無法識(shí)別的模擬信號(hào)，因此需要外接一個(gè)AD模塊，考慮到精度以及轉(zhuǎn)化時(shí)間選用ADC0804芯片。

2 冬小麥需水分析

冬小麥在不同的生育階段對(duì)于水分的需求是不同的，實(shí)時(shí)適量的灌溉不僅能夠節(jié)約大量的農(nóng)業(yè)用水，而且也能提高小麥的產(chǎn)量以及品質(zhì)。根據(jù)冬小麥在不同的生育期的水分脅迫指標(biāo)，把冬小麥的生育期劃分為苗期、返青期、拔節(jié)、抽穗和灌漿期。通過查閱相關(guān)資料得到冬小麥各生育階段高效的灌溉指標(biāo)。冬小麥各生育階段適宜的土壤含水量及根系濕潤層深度見表1。

表1 冬小麥各生育階段適宜的土壤含水量及根系濕潤層深度

3 模糊控制器設(shè)計(jì)

3.1 模糊控制器結(jié)構(gòu)

模糊控制器結(jié)構(gòu)見圖4。從圖4中可以知道系統(tǒng)有2個(gè)輸入?yún)?shù)，其一為土壤濕度差值E，另一個(gè)為土壤濕度變化率EC。只有1個(gè)輸出參數(shù)，即灌溉時(shí)間T。土壤濕度差值以及土壤濕度變化率的定義如下：

E=當(dāng)前土壤濕度-當(dāng)前生長階段最佳的土壤濕度

EC=本次采集的土壤濕度-上次采集到的土壤濕度

圖4 模糊控制器結(jié)構(gòu)

將冬小麥各生長階段的最佳土壤濕度考慮進(jìn)去，設(shè)土壤濕度偏差論域?yàn)閇-15%，15%]。在這個(gè)范圍內(nèi)包含了土壤干燥、土壤濕度適合以及土壤過濕。考慮到根系濕潤層厚度，將能夠測(cè)量土壤濕度的傳感器放入土壤55 cm處。由于土壤濕度具有極大的慣性，通過實(shí)驗(yàn)可知土壤濕度在灌水后需要40 min才能變化，因此每隔40 min進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采樣。通過之前實(shí)驗(yàn)可知土壤的濕度變化在20%以內(nèi)，因此土壤濕度變化率的論域設(shè)定為[-20%，20%]。通過實(shí)驗(yàn)可知土壤濕度達(dá)到上限需要40 min，因此T的論域?yàn)閇0,40]。

3.2 確定語言變量

采用的語言變量有7個(gè)，既可以滿足系統(tǒng)要求也可以使控制效果良好。輸入、輸出變量見表2。

表2 語言變量

土壤濕度差值的語言變量劃分成7個(gè)：負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)小(NS)、零(Z)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)，其中Z表示土壤處于最佳的濕度；NS、NM、NB表示土壤的濕度遞減；PS、PM、PB表示土壤濕度遞增。土壤濕度變化率的語言變量同樣劃分成7個(gè)：負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)小(NS)、零(Z)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)，其中Z表示土壤的濕度沒有變化。NS、NM、NB表示土壤的濕度遞減速度逐步增加；PS、PM、PB表示土壤濕度遞增速度逐步增加。灌溉時(shí)間的語言變量也是劃分成7個(gè)：零(Z)、傾向于時(shí)間短(PIS)、時(shí)間短(PS)、傾向于時(shí)間中等(PIM)、時(shí)間中等(PM)、傾向于時(shí)間長(PIB)、時(shí)間長(PB)，Z表示電磁閥不開啟；PIS、PS、PIM、PM、PIB、PB表示電磁閥開啟時(shí)間逐步增加。

模糊邏輯控制器由3個(gè)核心部分組成：D/F(模糊化)模塊、近似推理、F/D清晰化模塊。為了使它們能跟輸入、輸出的清晰量相匹配，在模糊化模塊之前設(shè)有“量化因子”模塊，在清晰化模塊之后設(shè)有“比例因子”模塊。

(1)量化因子：

E=6/15=0.4

EC=6/20=0.3

(2)比例因子：

T=40×60/6=400

為了簡化模糊變量的賦值以及相應(yīng)的模糊規(guī)則相應(yīng)表的制作，將變量的論域改變成表3形式。

表3 輸入、輸出變量的模糊集合論域

3.3 確定語言值的隸屬函數(shù)

模糊語言值實(shí)際上是一個(gè)模糊子集，而語言值最終是通過隸屬度函數(shù)來描述的，即模糊化。語言值的隸屬度函數(shù)又稱為語言值的語義規(guī)則，它可以以連續(xù)函數(shù)的形式出現(xiàn)，也可以以離散的量化等級(jí)形式出現(xiàn)，應(yīng)該說他們都有各自的特色，例如連讀的隸屬函數(shù)描述比較準(zhǔn)確，而離散的量化等級(jí)描述比較簡潔、明確。在控制系統(tǒng)中常見的幾種隸屬度函數(shù)有三角形函數(shù)和高斯型。隸屬函數(shù)選用三角形函數(shù)來描述，具體見圖5、圖6、圖7。

圖5 E的隸屬度函數(shù)

圖6 EC的隸屬度函數(shù)

圖7 T的隸屬函數(shù)

3.4 建立模糊控制規(guī)則

使用經(jīng)驗(yàn)歸納法來建立模糊控制規(guī)則。經(jīng)驗(yàn)歸納法就是依據(jù)人類的控制經(jīng)驗(yàn)以及個(gè)人的直覺加上推理，經(jīng)過整理、歸納和提煉一系列的行為后形成的方法。

控制經(jīng)驗(yàn)、策略需要操作人員在生產(chǎn)實(shí)踐中邊學(xué)習(xí)邊思考從而獲得。模糊控制能夠成為智能控制的重要分支的原因在于其擁有實(shí)用性，這種實(shí)用性建立在對(duì)人類行為的描述。模糊控制規(guī)則見表4。

表4 模糊邏輯控制規(guī)則

具體的模糊邏輯控制表的規(guī)則如下：

(1)若土壤濕度大于最佳的土壤濕度，則無論土壤濕度變化率如何變化，電磁閥都不開啟。

(2)若土壤濕度等于最佳的土壤濕度，則當(dāng)土壤濕度有變干燥的趨勢(shì)即土壤濕度變化率負(fù)增長時(shí)，打開電磁閥，NS到NB對(duì)應(yīng)PIS到PIM，其他情況不打開電磁閥。

(3)若土壤處于較缺水狀態(tài)，則當(dāng)土壤濕度沒有處于變更濕的狀態(tài)打開電磁閥，Z到NB對(duì)應(yīng)PIS到PM，其他情況不打開電磁閥。

(4)若土壤處于中度缺水時(shí)，則當(dāng)土壤濕度的變化率處于PB時(shí)，不打開電磁閥，其他情況打開電磁閥，PM、PS到NB對(duì)應(yīng)PIS、PIS到PIB。

(5)若土壤屬于極度缺水，則土壤變化率處于PB、PM到NB時(shí)對(duì)應(yīng)PIS、PIS到PB。

3.5 在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)模糊邏輯控制表

由于外部輸入都是很精確的量，因此首先要將輸入量模糊化處理，再根據(jù)模糊邏輯控制表求出結(jié)果再反模糊化控制電磁閥。

將E、EC的論域設(shè)定為[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]，T的論域設(shè)定為[0,0.5,1,1.5,2,2.5,3,3.5,4,4.5,5,5.5,6]。

根據(jù)表5、6、7可以推算出對(duì)應(yīng)的模糊控制相應(yīng)表，見表8。

3.6 模糊控制器程序設(shè)計(jì)

整個(gè)流程圖見圖8，說明如下：

(1)基站通過節(jié)點(diǎn)傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出土壤濕度差值E以及土壤濕度變化率EC，然后對(duì)E、EC進(jìn)行模擬化。

(2)首先判斷E是否在[-15%,15%]之間，超過上下限則

表5 E的賦值

表6 EC的賦值

表7 T的賦值

表8 模糊規(guī)則

限定為-15%或者15%。

(3)然后判斷EC是否在[-20%,20%]之間，超過上下限則限定為-20%或者20%。

(4)將E、EC模糊化。

(5)對(duì)照模糊響應(yīng)表得出T。

(6)將T反模糊化處理。

圖8 模糊控制流程

4 仿真及結(jié)果分析

本次Mamdani控制模型共有31條規(guī)則，分別如下：①if (ECisNB) and (EisNB) then (TisPB)；②if (ECisNB) and (EisNM) then (TisPIB)；③if (ECisNB) and (EisNS) then (TisPM)；④if (ECisNB) and (EisZ) then (TisPIM)；⑤if (ECisNM) and (EisNB) then (TisPIB)；⑥if (ECisNM) and (EisNM) then (TisPM)；⑦if (ECisNM) and (EisZ) then (TisPS)；⑧if (ECisNS) and (EisNB) then (TisPM)；⑨if (ECisNS) and (EisNM) then (TisPIM)；⑩if (ECisNS) and (EisNS) then (TisPS)；if (ECisNS) and (EisZ) then (TisPIS)；if (ECisZ) and (EisNB) then (TisPIM)；if (ECisZ) and (EisNM) then (TisPS)；if (ECisZ) and (EisNS) then (TisPIS)；if (ECisPS) and (EisNB) then (TisPS)；if (ECisPS) and (EisNM) then (TisPIS)；if (ECisPM) and (EisNB) then (TisPIS)；if (ECisPM) and (EisNM) then (TisPIS)；if (ECisPB) and (EisNB) then (TisPIS)；if (ECisZ) and (EisZ) then (TisZ)；if (ECisPS) and (EisNS) then (TisZ)；if (ECisPS) and (EisZ) then (TisZ)；if (ECisPM) and (EisNS) then (TisZ)；if (ECisPM) and (EisZ) then (TisZ)；if (ECisPB) and (EisNS) then (TisZ)；if (ECisPB) and (EisZ) then (TisZ)；if (ECisPB) and (EisZ) then (TisZ)；if (ECisPS) then (TisZ)；if (ECisPM) then (TisZ)；if (ECisPB) then (TisZ)；if (ECisNK) and (EisNS) then (TisPIM)。

通過MATLAB進(jìn)行仿真，結(jié)果見圖9。

圖9 Surface輸出曲面

從圖9可以看出，當(dāng)土壤濕度處于過濕的時(shí)候，電磁閥不會(huì)開啟，當(dāng)土壤濕度越干，且干旱程度持續(xù)惡化的情況下，電磁閥開啟時(shí)間越長。

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)主要通過土壤的濕度來判斷是否對(duì)冬小麥進(jìn)行灌溉，在滿足冬小麥生長的前提下節(jié)水。但像空氣中的濕度、光照強(qiáng)度、大氣溫度等因素都可能對(duì)最后的結(jié)果造成極大的影響。本系統(tǒng)主要應(yīng)用于冬小麥，無法適用于其他作物，因此整個(gè)系統(tǒng)還需要進(jìn)行改進(jìn)。可以將各種外部因素作為輸入加入進(jìn)去，以增加系統(tǒng)的可靠性。此外還可以再建立一個(gè)常見的農(nóng)作物的庫，可以適應(yīng)更多的地區(qū)作物。

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