基于模糊控制的灌溉施肥系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

孔德志， 孫昌權(quán)

(江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇句容 212400)

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基于模糊控制的灌溉施肥系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

孔德志， 孫昌權(quán)

(江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇句容 212400)

設(shè)計了一種基于模糊控制的灌溉施肥系統(tǒng)。運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采集作物生長區(qū)的溫度、濕度和光照強度數(shù)據(jù)，通過在線可溶性鹽濃度(EC)/pH傳感器實時監(jiān)測灌溉施肥系統(tǒng)的主要參數(shù)，經(jīng)模糊決策后，上位機發(fā)送控制指令給下位機，由下位機控制灌溉施肥系統(tǒng)工作，實現(xiàn)不同營養(yǎng)液濃度、不同灌溉模式的灌溉施肥所需營養(yǎng)液的精準(zhǔn)調(diào)配。

模糊控制；灌溉施肥；可編程邏輯控制器

我國每年的用水總量約4 000 km3，其中農(nóng)業(yè)用水占總用水量的70%[1]。由于灌溉技術(shù)落后、灌溉設(shè)施不配套、管理不到位等原因?qū)е挛覈盟速M嚴(yán)重，水資源利用率低下，農(nóng)業(yè)灌溉水的利用系數(shù)平均約為0.45,而發(fā)達國家達到0.70～0.80[2-3]。我國傳統(tǒng)化肥當(dāng)季利用率較低，氮肥為30%～35%，磷肥為10%～20%，鉀肥為30%～50%。逐年遞增的化肥用量以及較低的利用率導(dǎo)致化肥面源污染日益嚴(yán)重，經(jīng)濟損失增加。同時由于化肥的大量和不合理施用，導(dǎo)致土壤肥力退化，土肥養(yǎng)分流失對地表水和地下水造成嚴(yán)重污染[4]。因此，迫切需要解決灌溉施肥中存在的上述問題。

水肥一體化技術(shù)是將灌溉和施肥有機結(jié)合的一項現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)，通過水、肥的精準(zhǔn)供給實現(xiàn)節(jié)約資源、減少環(huán)境污染的目的。筆者介紹了一種具有多路母液的灌溉施肥系統(tǒng)，通過在線傳感檢測系統(tǒng)、模糊控制器和自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)精準(zhǔn)配肥與灌溉，以提高水肥利用率，減少水資源浪費。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

灌溉施肥系統(tǒng)主要由施肥機本體、控制裝置、傳感檢測網(wǎng)絡(luò)和模糊控制器4部分組成，系統(tǒng)本體結(jié)構(gòu)如圖1所示，實物如圖2所示。傳感檢測網(wǎng)絡(luò)將溫度、濕度和光照強度、可溶性鹽濃度(EC)值、pH和流量等參數(shù)傳送給控制裝置，控制裝置中的模糊控制器依據(jù)系統(tǒng)設(shè)定進行決策，結(jié)果由上位機轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制指令傳送給下位機，下位機依據(jù)控制指令對系統(tǒng)中的水泵、文丘里吸肥器和電磁閥等執(zhí)行部件進行控制，實現(xiàn)水肥供給的精確控制。

2 模糊控制器設(shè)計

灌溉施肥系統(tǒng)是一個多變量、大慣性、非線性和強耦合的控制對象[5-6]，無法獲得精確的數(shù)學(xué)模型，因此采用模糊控制?？刂茀?shù)主要有3個，分別為EC值、pH和流量，而EC值的控制重要性和控制復(fù)雜程度遠高于其他被控參數(shù)，所以模糊控制器以EC值為主要控制對象，圍繞EC值的控制進行模糊控制器設(shè)計。系統(tǒng)選擇最常用的二維控制器，具體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，其控制精度能夠滿足灌溉施肥的控制要求[7]，且可操作性強。

注：1.補水閥；2.回水池；3.補水泵；4.液位傳感器；5.過濾器；6.水動閥；7.浮球閥；8.混合罐；9.控制裝置；10.液位傳感器；11.母液罐；12.過濾器；13.球閥；14.文丘里吸肥器；15.EC值傳感器；16.pH傳感器；17.分區(qū)電磁閥；18.流量傳感器。Note: 1.Water supply valve; 2.Backwater pool; 3.Water supply pump; 4.Liquid level sensor; 5.Filter; 6.Water operated valve; 7.Float valve; 8.Mixing drum; 9.Control device; 10.Liquid level sensor; 11.Mother liquor tank; 12.Filter; 13.Ball valve; 14.Venturi fertilizer suction device; 15.EC value sensor; 16.pH value sensor; 17.Zone solenoid valve; 18.Flow transducer.圖1 灌溉施肥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of irrigation and fermentation system

二維模糊控制器的2個輸入變量分別為EC值偏差和偏差變化。EC值偏差e是由傳感檢測系統(tǒng)實時釆集的灌溉施肥系統(tǒng)的EC值dr和作物的最適宜EC值ds比較得到的，具體如式(1)所示。用當(dāng)前時刻的EC值偏差e(k)和前一個EC值采樣周期偏差e(k-1)作差，得到EC值偏差變化ec，具體如式(2)所示。模糊控制器的輸出變量為u，輸出變量的控制對象為配肥電磁閥和系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)電磁閥等。

圖2 灌溉施肥系統(tǒng)實物Fig.2 The entity of irrigation and fermentation system

e=ds-dr

(1)

ec=e(k)-e(k-1)

(2)

控制器采用雙輸入、單輸出結(jié)構(gòu)，EC值偏差e用正大、正小、零、負(fù)小和負(fù)大5個模糊語言詞匯描述，分別用PB、PS、Z、NS、NB表示，變量論域為(-3，-2，-1，0，1，2，3)；而偏差變化ec和控制量u用正大、正小、零、負(fù)小和負(fù)大5個模糊語言詞匯描述，分別用PB、PS、Z、NS、NB表示，ec的變量論域為(-3，-2，-1， 0，1，2，3)，u的變量論域為(-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4)；依據(jù)項目實際情況確定EC值偏差e的基本論域為[-5，+5](百分比)，EC值偏差變化ec的基本論域為[-2，+2](百分比)，控制量u的基本論域為輸出時間[0，5 min]，由此得出各比例因子，K1=3/10=0.3，K2=3/2=1.5，Ku=5/8=0.625。

控制規(guī)則確定的依據(jù)是實踐經(jīng)驗和專家的豐富知識，兼顧系統(tǒng)的誤差控制和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，故以“if-and-then”條件語句形式來表達控制規(guī)則，全部控制規(guī)則共有25條語句，其中部分控制規(guī)則如下：

If (E is NB) and (EC is NB) then (U is PB)

圖3 EC值模糊控制器結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 The structure diagram of EC value fuzzy controller

If (E is NB) and (EC is NS) then (U is PB)

If (E is NB) and (EC is Z) then (U is PB)

If (E is NB) and (EC is PS) then (U is PS)

具體控制規(guī)則如表1所示。

表1 輸出變量u的模糊控制規(guī)則

3 控制裝置設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計 控制裝置的硬件分為上位機和下位機2個部分，上位機選擇工控機，下位機選擇可編程邏輯控制器(PLC)，系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖4所示。上位機與下位機之間的通信方式采用串行通信，上位機完成與無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信、控制決策、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和網(wǎng)頁發(fā)布等任務(wù)；下位機通過傳感器完成EC值、pH和流量等參數(shù)的采集、A/D轉(zhuǎn)換和執(zhí)行機構(gòu)的控制等任務(wù)。

圖4 控制裝置硬件架構(gòu)Fig.4 Hardware architecture of control device

由于作物種植區(qū)一般面積較大，參數(shù)采集點分散，為減少布線量，選用了無線傳感器構(gòu)建傳感網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)溫度、濕度和光照強度等環(huán)境參數(shù)的采集。傳感器采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)傳送給無線網(wǎng)關(guān)，傳輸方式為基于Zigbee的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸；無線網(wǎng)關(guān)作為中間傳輸層，需要對傳感器發(fā)送過來的信號進行過濾、分組、關(guān)聯(lián)和聚合等操作，最終以TCP/IP數(shù)據(jù)包的形式，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)送到控制中心的主機上。EC值、pH和流量的監(jiān)測實時性和可靠性要求高，且傳感器安裝在灌溉施肥系統(tǒng)的本體上，適宜采用更為可靠的有線傳輸方式。

3.2 軟件設(shè)計 該系統(tǒng)上位機軟件基于Visual Studio.net平臺開發(fā)，數(shù)據(jù)庫基于SQL Server 2005開發(fā)。上位機軟件集無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)存儲、用戶管理和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等功能為一體，依托部署在生產(chǎn)現(xiàn)場的各種傳感節(jié)點和無線通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)作物生產(chǎn)環(huán)境的感知和控制等，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的可視化、自動化管理。上位機管理軟件界面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件界面Fig.5 System software interface

下位機軟件采用西門子公司的V 4.0 STEP 7 Micro WIN-SP 9編程軟件編寫。程序主要功能包括灌溉施肥系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集，執(zhí)行機構(gòu)控制、系統(tǒng)報警、上位機通信和工作模式控制等。

4 實例試驗

系統(tǒng)經(jīng)實地運行，系統(tǒng)的EC值響應(yīng)曲線如圖6所示(EC值傳感器檢測的周期為6 s)。由結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)控制具有調(diào)節(jié)時間短、響應(yīng)速度快的特點，能夠滿足生產(chǎn)要求,且灌溉施肥系統(tǒng)參數(shù)波動范圍小，控制品質(zhì)好。

5 結(jié)語

該研究設(shè)計的灌溉施肥系統(tǒng)在實地運行半年后也發(fā)現(xiàn)了有待進一步探索的問題:一是蒸發(fā)作用對EC值的影響較大，特別是夏日溫度較高時，栽培系統(tǒng)的水分蒸發(fā)速度很快，對系統(tǒng)EC值的影響大；二是營養(yǎng)液流經(jīng)作物根部后，作物需要的營養(yǎng)成分被吸收，由于營養(yǎng)液是循環(huán)使用的，導(dǎo)致被其他作物吸收較少的元素在營養(yǎng)液中的濃度大幅度提高，雖然總的EC值濃度可控制在設(shè)定值范圍內(nèi)，但有效營養(yǎng)元素的濃度低于檢測值，且作物吸收較少的元素富集會對作物產(chǎn)生毒害作用。因此 ，今后仍需對該灌溉施肥系統(tǒng)進行進一步的改進優(yōu)化，以更好地應(yīng)用于實地生產(chǎn)中。

圖6 系統(tǒng)EC值響應(yīng)曲線Fig.6 Response curve of system EC value

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Design and Application of Irrigation and Fertilization System Based on Fuzzy Control

KONG De-zhi, SUN Chang-quan

(Jiangsu Vocational College of Agriculture and Forestry, Jurong, Jiangsu 212400)

An irrigation and fertilization system based on fuzzy control was designed.Using Internet of things technology to construct wireless sensor network, collecting data of temperature, humidity and intensity of illumination in crops growth zone, the main parameters of irrigation and fertilization system were monitored through online EC/pH sensor.After fuzzy decision, the master computer sends control commands to the slave computer, the slave computer controls the irrigation and fertilization system to realize the precise allocation of nutrient solution for irrigation and fertilization with different nutrient concentrations and different irrigation modes.

Fuzzy control; Irrigation and fertilization; PLC

江蘇省農(nóng)業(yè)三新工程項目(SXGC〔2016〕306)。

孔德志(1982- )，男，陜西旬陽人，講師，從事農(nóng)業(yè)自動化研究。

2016-10-17

S 27

A

0517-6611(2016)36-0230-03