果園精量水肥無線灌溉控制設(shè)備設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張育斌　魏正英　張磊　蔚磊磊　簡(jiǎn)寧

摘 要： 針對(duì)山丘果園復(fù)雜環(huán)境，又需大面積分區(qū)控制灌溉并集中管理的需求，研制了低成本、低功耗小型無線灌溉控制設(shè)備。設(shè)備嵌入PID控制、模糊控制和灰色預(yù)測(cè)控制相結(jié)合的控制算法，有效解決時(shí)滯現(xiàn)象，進(jìn)行有效地預(yù)測(cè)作物的需水量，達(dá)到對(duì)系統(tǒng)的精確灌溉控制；同時(shí)硬件選用低功耗微控制器與雙穩(wěn)態(tài)電磁閥，避免信道擁塞，無線傳輸采用GPRS長(zhǎng)距離和NRF2401的短距離相結(jié)合的通信方式，系統(tǒng)可準(zhǔn)時(shí)開啟電磁閥。運(yùn)行測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制相比，超調(diào)量減少了22.5%，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間減少了28.2%；驗(yàn)證了其在水肥濃度和肥量精量控制中，系統(tǒng)響應(yīng)速度快和實(shí)時(shí)性好、穩(wěn)定、無線通信可靠，提高了水肥灌溉效果。

關(guān)鍵詞： 精量控制； 水肥灌溉； 無線通信； 灌溉系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TN876.3?34； TN876.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）10?0001?04

Abstract： According to complex environment in most mountain orchards and urgent demands of centralized management for zone control irrigation in large area， a low?power consumption and low?cost irrigation control equipment was developed. The control algorithm combining PID control， fuzzy control and grey prediction control equipment is embedded in the equipment， which can effectively solve the time delay phenomenon， predict water requirement of fruit tree， and achieve the precise control of the irrigation. The low power microcontroller and bi?stable solenoid valve are chosen to avoid channel congestion. The wireless communication mode combining GPRS for long distances with NRF2401 for short distance is adopted， which can open the solenoid valve on time. The running test results show that， in comparison with conventional control systems， the overshoot of the system is reduced by 22.5% and the response time of the system is decreased by 28.2%. The system has high response speed， good real?time performance and reliable wireless communication， and has improved the water fertilizer irrigation effect.

Keywords： precise control； water fertilizer irrigation； wireless communication； irrigation system

0 引 言

近幾年來，節(jié)水灌溉技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，農(nóng)業(yè)精確灌溉勢(shì)在必行，替代傳統(tǒng)灌溉控制器的高精度的灌溉施肥控制設(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)實(shí)現(xiàn)了灌溉系統(tǒng)中灌溉與施肥的精準(zhǔn)控制[1]。精量灌溉既要控制作物正常生長(zhǎng)發(fā)育所需的水肥，又要用最少的水肥量獲得最大的純收益。灌溉對(duì)象是非線性、大慣性和純時(shí)延的一個(gè)系統(tǒng)，無法建立精確與統(tǒng)一的灌溉模型，傳統(tǒng)的控制方法受到挑戰(zhàn)[2]。而模糊控制不需要建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，魯棒性強(qiáng)，能有效改善時(shí)變與非線性問題[3?4]，但存在大時(shí)滯現(xiàn)象。

無線滴灌控制技術(shù)發(fā)展速度較快，面向精確灌溉無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、水稻節(jié)水灌溉無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、農(nóng)田自動(dòng)灌溉無線監(jiān)控系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生[5?6]。具體系統(tǒng)大概分為兩類：一類是基于TI CC芯片系列、非開源Z?Stack固件庫(kù)與ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)控制；另一類則是基于GSM或GPRS通信模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制。

本文結(jié)合PID控制器的控制效果、采用模糊控制改善其非線性的控制效果，運(yùn)用灰色預(yù)測(cè)控制解決大時(shí)滯現(xiàn)象，并考慮果園環(huán)境情況，選擇低功耗的STC15和NRF24L01開發(fā)無線模塊，進(jìn)行無線控制。同時(shí)結(jié)合上述技術(shù)開發(fā)精量水肥無線灌溉控制機(jī)，進(jìn)行仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證水肥灌溉效果。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

水肥精量灌溉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮各方面功能需求，只有滿足按量灌溉、水肥比例混合和控制均勻、及時(shí)灌溉和遠(yuǎn)程控制等需求的控制系統(tǒng)才能受到農(nóng)民的歡迎，才能得到推廣使用。本系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

系統(tǒng)所用到的硬件包括：STM32核心控制板；A/D采樣模塊；觸摸顯示屏；D/A輸出模塊；水、肥流量傳感器；土壤溫濕度傳感器；無線模塊；GSM模塊；電磁閥；肥泵；直流調(diào)速器等。

2 灰色預(yù)測(cè)模糊PID控制技術(shù)

2.1 灰色預(yù)測(cè)控制

考慮農(nóng)作物需水量易受到氣候因素、土壤墑情等諸多因素的影響，而這些因素部分是可知的，部分卻是未知的，符合灰色研究范疇。

針對(duì)這種情況，多因素灰色預(yù)測(cè)MGM（1，n）可以對(duì)其進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)作物的需水量。灰色預(yù)測(cè)MGM（1，n）模型是偏微分方程組[7]，其中n表示n個(gè)數(shù)據(jù)序列，而m為每個(gè)序列中所含有的m個(gè)歷史數(shù)據(jù)，則有：

2.2 模糊PID控制系統(tǒng)

該控制系統(tǒng)由傳感器采集到精確的模擬量，模糊控制器無法直接加以識(shí)別，而是將該模擬量進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)化，并將結(jié)果按一定規(guī)則轉(zhuǎn)化為模糊語言。

在二維模糊控制中，分別以偏差和偏差的變化率進(jìn)行定義，即將偏差映射到輸入論域的模糊集合上為偏差E，同理對(duì)偏差的變化率進(jìn)行映射，得其語言變量EC。這樣就通過將偏差以及偏差的變化率在實(shí)際情況中的變化范圍進(jìn)行尺度變換，變換到模糊集體域X上。

3 無線控制模塊設(shè)計(jì)

3.1 電磁閥及驅(qū)動(dòng)電路

電磁閥是灌溉系統(tǒng)的執(zhí)行器件，也是系統(tǒng)中功耗最大的部件。為了盡可能降低系統(tǒng)整體功耗[9]，本文選用具有低功耗工作特性的雙穩(wěn)態(tài)電磁閥（型號(hào) ZCS?08P）。相應(yīng)的電磁閥驅(qū)動(dòng)電路示意圖如圖3所示，它由L9110SH橋電路和MOS 管開關(guān)電路兩部分組成。

在驅(qū)動(dòng)電磁閥進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作時(shí)，先通過STM32使MOS 管開關(guān)電路打開，給 L9110S 芯片供電，再通過STM32的 I/O口控制 L9110S 芯片驅(qū)動(dòng)電磁閥的開關(guān)。

3.2 無線通信模塊

短距離無線通信使用433 MHz 的 ISM頻段，該頻段的通信模塊比2.4 GHz 頻段通信模塊具有更遠(yuǎn)通信距離[10]。結(jié)合無線灌溉控制系統(tǒng)低數(shù)據(jù)容量通信距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，選擇NRF2401通信模塊。模塊和STM32之間通過SPI總線進(jìn)行無線通信如圖4所示。

遠(yuǎn)程通信模塊安裝在水肥精量控制器中，用戶既可遠(yuǎn)程調(diào)整灌溉參數(shù)，也能集中管理。目前常用的4種遠(yuǎn)距離通信模塊是：數(shù)傳電臺(tái)、GPRS DTU、WiFi無線網(wǎng)橋、電力線載波適配器[11]?？紤]果園基地情況和農(nóng)戶的便宜程度，選擇適應(yīng)性最強(qiáng)且最昂貴的通信方式的GPRS DTU。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 仿真調(diào)試實(shí)驗(yàn)

借助Simulink模塊庫(kù)建立了相應(yīng)的灰色預(yù)測(cè)模糊PID控制結(jié)構(gòu)，采用階躍輸入信號(hào)對(duì)水肥灌溉流量控制系統(tǒng)進(jìn)行常規(guī)PID、模糊PID、灰色預(yù)測(cè)模糊PID控制仿真實(shí)驗(yàn)，得到結(jié)果曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，在基于灰色理論與模糊控制的灌溉系統(tǒng)中，流量的控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線平滑、超調(diào)量小、系統(tǒng)穩(wěn)定性好。同時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)的上升時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間都比模糊PID控制和傳統(tǒng)PID控制短，灌溉控制系統(tǒng)能很快地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，表明灰色預(yù)測(cè)模糊PID控制有更良好的控制性能和魯棒性。

4.2 水肥濃度精量灌溉實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)過程中的實(shí)際控制效果如圖6和圖7所示。其中紅色曲線表示水路的瞬時(shí)流量，綠色曲線表示肥路的瞬時(shí)流量。

圖6顯示的是把水路瞬時(shí)流量取一個(gè)固定值，肥量與之成1∶100的比例，肥路流量的瞬時(shí)變化情況，其中剛開始部分是系統(tǒng)啟動(dòng)后的干擾信號(hào)，在肥泵啟動(dòng)后干擾信號(hào)消失。從圖7中可以看出，肥量流量逐漸增大，最后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，沒有超調(diào)量，但是有一定的穩(wěn)態(tài)誤差。從總體上來看，控制效果還算不錯(cuò)。

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)，對(duì)響應(yīng)進(jìn)行性能分析，得到控制系統(tǒng)性能指標(biāo)如表1所示。

從以上數(shù)據(jù)可以看出本系統(tǒng)的控制性能較好，尤其是超調(diào)量很小，超調(diào)下降了28.2%。這主要取決于肥泵的物理特性，不管給肥泵多高的電壓，肥泵的轉(zhuǎn)速都是逐漸增加的，在肥泵轉(zhuǎn)速達(dá)到合適值的時(shí)候，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)也基本完畢，從而使得超調(diào)量很小。

4.3 果園內(nèi)信號(hào)衰落測(cè)試

無線信號(hào)在阻礙物覆蓋的環(huán)境中傳播具有直射、反射、繞射和散射等各種傳播機(jī)制均有可能存在。果園測(cè)試無線信號(hào)的衰減可能會(huì)受到植被高度、天線高度、通信距離和植被的繁茂程度等因素的影響。本試驗(yàn)旨在說明本系統(tǒng)在果園的復(fù)雜環(huán)境下能夠達(dá)到較大的通信距離。測(cè)試包括無遮擋和有遮擋，測(cè)試的數(shù)據(jù)如表2所示。因此測(cè)試時(shí)選用不同增益的天線，測(cè)量接收無線信號(hào)強(qiáng)度（Reive Signal Strength Index，RSSI）以評(píng)估系統(tǒng)性能。

試驗(yàn)表明，信號(hào)衰減與天線增益成線性變換，先快后慢的變化趨勢(shì)，通信距離受遮擋物體影響。針對(duì)同一增益的天線，無線信號(hào)傳輸與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境有很大影響，有遮擋下，通信距離有明顯的影響，達(dá)到一定距離就無法通信。同一環(huán)境下，不同的增益對(duì)通信距離也有明顯變化。

表2 系統(tǒng)的性能參數(shù)

4.4 精量水肥灌溉機(jī)應(yīng)用

精量水肥灌溉控制機(jī)主要由RAM控制器（無線）、流量計(jì)、壓力表、電磁閥、泵、過濾器和傳感器及控制軟件、農(nóng)作物水肥需求數(shù)據(jù)庫(kù)軟件等組成。接入采集的土壤作物含水量和地溫等信息，其水、肥混合為閉環(huán)控制，水肥變頻連續(xù)控制，實(shí)現(xiàn)智能全自動(dòng)水肥灌溉控制，具有自動(dòng)和手動(dòng)控制模式，如圖8所示。

其工作原理為，在現(xiàn)場(chǎng)水分、土壤等傳感器采集農(nóng)作物缺水肥狀態(tài)時(shí)，控制器接收信號(hào)，并發(fā)送指令，開啟進(jìn)水泵，打開電磁閥，讓水進(jìn)入管路，水路流量計(jì)進(jìn)行檢測(cè)水量，到一定值后反饋給控制器，控制器做出決策判斷，啟動(dòng)相應(yīng)的四路營(yíng)養(yǎng)液所在的肥路泵，開啟電磁閥，進(jìn)入管路，根據(jù)專家系統(tǒng)配比作物所需營(yíng)養(yǎng)溶液濃度，水肥混合出水管進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)灌溉，實(shí)現(xiàn)精量灌溉。采用本研究灰色模糊控制技術(shù)應(yīng)用該灌溉機(jī)，對(duì)其進(jìn)行精量控制，同時(shí)融入結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)對(duì)PID的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)整定，在約5 s后就基本穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)水肥灌溉，實(shí)時(shí)施肥效果明顯，無線通信模塊在本機(jī)器運(yùn)行工作穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

本文對(duì)系統(tǒng)的控制技術(shù)和無線通信方式進(jìn)行了深入探討，研究了基于灰色理論的模糊PID灌溉控制技術(shù)，以及基于GPRS的長(zhǎng)距離通信和基于NRF2401的短距離無線通信技術(shù)。將研究技術(shù)應(yīng)用于精量水肥控制機(jī)上，結(jié)果表明系統(tǒng)擁有更強(qiáng)的適應(yīng)性，良好的控制性能和魯棒性及穩(wěn)定通信。采用PID控制有效解決了節(jié)水灌溉不確定模型問題，采用模糊PID控制成功解決系統(tǒng)的大慣性、非線性的問題，增加多因素灰色預(yù)測(cè)MGM（1，n），克服了大時(shí)滯現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)水肥精量灌溉；采用GSM DTU技術(shù)解決了果農(nóng)不在園區(qū)期間，可以遠(yuǎn)距離對(duì)果園進(jìn)行水肥精量灌溉，采用NRF2401的短距離無線通信技術(shù)，可以解決果園區(qū)泵站和控制室不在同一地點(diǎn)問題，實(shí)現(xiàn)園區(qū)內(nèi)高效方便的水肥精量控制。

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