基于Mamdani型模糊控制的自動灌溉器設(shè)計

陳境峰

（廈門大學(xué)，福建 廈門361005）

1 引言

隨著傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)逐步向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效以及節(jié)能節(jié)水的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的基本要求。利用現(xiàn)有的工業(yè)控制技術(shù)，設(shè)計一種通過環(huán)境系數(shù)的采集實現(xiàn)灌溉的合理、自動控制的裝置，對農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化具有重要的意義?，F(xiàn)有的自動灌溉設(shè)備因為算法問題，存在控制精度問題［1，2］。本控制器利用單片機控制技術(shù)，通過傳感器采集溫度和土壤濕度，并在軟件設(shè)計中加入工業(yè)控制中常用的Mamdani模糊算法，將人們的灌溉經(jīng)驗轉(zhuǎn)換為程序控制，有效地提高了系統(tǒng)的控制精度。

2 總體結(jié)構(gòu)

在自動灌溉器的整個系統(tǒng)設(shè)計中，采用單片機AT89C52作為控制單元，通過對溫度和土壤濕度的采集、處理，實現(xiàn)自動灌溉。

系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，將系統(tǒng)分為3個模塊：人機界面、驅(qū)動模塊、環(huán)境系數(shù)采集模塊。系統(tǒng)上電啟動，初始化完成后進入正常工作模式。用戶可通過人機界面，輸入密碼進入?yún)?shù)設(shè)置，更改系統(tǒng)參數(shù)。溫度傳感器和濕度檢測電路采集環(huán)境參數(shù)傳給單片機，通過Mamdani模糊算法確定模糊量的值，并根據(jù)用戶設(shè)置好的各項參數(shù)進行判斷，實現(xiàn)對端口的開關(guān)控制。

圖1 總體結(jié)構(gòu)

3 Mamdani型模糊控制

1974年Mamdani成功地將模糊控制應(yīng)用于鍋爐和蒸汽機控制以來，模糊控制器被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制領(lǐng)域。其基本思想把操作人員的控制經(jīng)驗歸納成一組條件語句，生成模糊控制器，對無法獲得精確的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)給出有效的控制［3］。它的輸入輸出變量都采用模糊集合形式的語言變量表示，具體為：

其中，Ri表示第i條規(guī)則，l為總的規(guī)則數(shù)，，p＝1，2，…，m，Bi，分別是系統(tǒng)輸入、輸出變量所在的模糊集合，xp（k），p＝1，2，…，m為模糊控制系統(tǒng)的輸入變量，y（k）為模糊控制系統(tǒng)的輸出變量［4，5］。

目前，Mamdani模糊控制廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，但在農(nóng)業(yè)自動控制領(lǐng)域仍很少使用。控制器包含兩個輸入量和一個輸出量，輸入量和輸出量之間的關(guān)系具有高度非線性，無法建立精確的數(shù)學(xué)模型，故引入Mamdani模糊控制。

4 系統(tǒng)模糊控制器設(shè)計

4.1 確定輸入、輸出量

澆灌器利用溫度和土壤濕度傳感器，測出環(huán)境中的溫度x∈［0，40］（℃），土壤濕度y∈［620，1 023］（數(shù)字量），模糊控制器根據(jù)x和y的數(shù)據(jù)，選擇灌溉時間t∈［0，60］（min）。

4.2 輸入、輸出量模糊化

所有模糊子集都選取三角形隸屬函數(shù)［6］。

4.2.1 溫度值模糊化

選用低溫（ST）、中溫（MT）和高溫（LT）3個模糊子集，涵蓋輸入量x的論域［0，40］，隸屬函數(shù)如下：

4.2.2 土壤濕度值模糊化

選用含水少（NW），含水中（MW）和含水多（LW）3個模糊子集，涵蓋輸入量y的論域［620，1 023］，隸屬度函數(shù)如下：

4.2.3 選定5個模糊子集

選用很短（VS）、短（S）、中等（M）、長（L）和很長（VL）5個模糊子集，涵蓋輸出量t的論域［0，60］，隸屬函數(shù)如下：

4.3 建立模糊關(guān)系表

根據(jù)操作經(jīng)驗，對溫度和土壤濕度進行組合搭配，可建立9條模糊控制規(guī)則，見表1。

表1 模糊關(guān)系表

表格中的（1），（2），…，（9），是9條規(guī)則的序號，每條模糊規(guī)則對應(yīng)一個F蘊涵關(guān)系Ri（i＝1，2，…，9），系統(tǒng)總的模糊蘊涵關(guān)系為：

4.4 近似推理

可根據(jù)公式（1），求近似推理總輸出。

其中，U＊表示總輸出量，A＊表示輸入量的論域，Rj表示模糊蘊涵關(guān)系，Uj表示各條規(guī)則下求出的輸出量［6］。

A＊、Rj、Uf3者之間的對應(yīng)關(guān)系參照表1，根據(jù)3節(jié)中的語言變量表示方法，分別求出U1……U9，最后可根據(jù)公式（1）求出U＊，總輸出U＊是個模糊子集，最大隸屬度為0.4，論域為［10，40］（min）。

4.5 輸出量清晰化

采用最大隸屬度法［4～6］，最大隸屬度法最大的特點是計算簡單，在一些控制要求不高的場合，采用最大隸屬度法非常方便。由上可知總輸出的最大隸屬度為0.4，論域為［10，40］（min）。通過前文節(jié)中的隸屬函數(shù)，求出的最小值為16min，最大值為34min，平均值為25min。

5 硬件設(shè)計

5.1 人機界面設(shè)計

控制器采用AT89C52單片機，通過74LS374與74LS138對I／O口進行擴展，供人機界面和端口模塊使用。人機界面由6位數(shù)碼管、6個LED指示燈和4個按鍵構(gòu)成。LED指示燈顯示當(dāng)前工作狀態(tài)。4個按鍵功能分別為：確定、返回、上移、右移。用戶可通過按鍵和數(shù)碼管對系統(tǒng)的參數(shù)進行查詢和設(shè)置。

5.2 端口驅(qū)動設(shè)計

驅(qū)動模塊采用24V外部供電電源，外接電磁閥，單片機通過光耦TLP521實現(xiàn)對端口的開關(guān)控制，有很好的抗干擾效果。圖2為其中一個端口的電路，端子J22外接24V水閥。

5.3 采集模塊設(shè)計

環(huán)境系數(shù)采集模塊由時鐘模塊、溫度傳感器DS18B20、土壤濕度采集轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。時鐘模塊采用PCF8563，外接32.768kHz的晶振，該晶振保證平均誤差可達(dá)5min／年，為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的時間日期［7］；溫度系數(shù)采集采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器，可提供準(zhǔn)確、穩(wěn)定的環(huán)境溫度［1］。

圖3為其中的一路土壤濕度采集電路，本控制器采用電阻法［8］測土壤濕度，有效減少了成本。AD轉(zhuǎn)換芯片采用TLC1543，該芯片有11路模擬輸入通道，10 位 的 分 辨 率［2］，輸 入 端 通 過 鎖 存 器74LS374接到I／O口。傳感器的制作，用兩根長10cm，直徑3mm的不銹鋼棒，上端固定，間距10cm，兩端分別接入圖3中的J10口，測量時插入土壤中長8cm。模擬量和數(shù)字量可通過公式x／1 023＝y(tǒng)／5來處理，其中，x為轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，y為采集的模擬量，通過實際測量，得到的數(shù)字量范圍為［620，1 023］。

圖2 端口驅(qū)動電路

圖3 土壤濕度采集電路

6 軟件設(shè)計

6.1 模糊控制器軟件編寫

根據(jù)上述算法及求出的輸出量，編寫相應(yīng)軟件，圖4為流程圖的一部分，程序?qū)φ毡?，通過對采集的溫度值和土壤濕度值的判斷，選擇灌溉時間。

6.2 系統(tǒng)整體軟件編寫

圖5為系統(tǒng)軟件流程圖。設(shè)備開機后進入初始化，通過定時器1對按鍵和數(shù)碼管進行掃描，實現(xiàn)實時顯示和按鍵判斷，之后通過時間以及實時采集的溫度、土壤濕度來判斷各個端口是否進行灌溉。在判斷是否灌溉的環(huán)節(jié)中，引入上文所設(shè)計的基于Mamdani型模糊控制的判斷程序，對采集到的溫度和土壤濕度電壓信號進行分析，提高系統(tǒng)的精確度。

圖4 模糊控制器的軟件流程

系統(tǒng)中的參數(shù)查看和設(shè)置放在按鍵處理環(huán)節(jié)，用戶必須輸入正確密碼才能進入，可根據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁?、土壤、農(nóng)作物等情況設(shè)置各項參數(shù)。參數(shù)包括日期時間、各個驅(qū)動端口對應(yīng)的濕度和溫度閥值、查看濕度值內(nèi)碼等。其中，濕度閥值可根據(jù)烘干法［8］確定最佳濕度值，然后對此濕度進行測量，讀取濕度值內(nèi)碼，用戶就可將此內(nèi)碼設(shè)為閥值。

圖5 整體軟件流程

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