基于嵌入式的智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳啟虎 陳瑞

摘 要：針對(duì)當(dāng)前農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用不夠自動(dòng)化、智能化等問(wèn)題，文中提出了一種基于嵌入式的智能灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用嵌入式核心控制器，可提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和智能化水平；運(yùn)用模糊控制的系統(tǒng)控制算法，對(duì)不易建立精確數(shù)學(xué)模型的控制對(duì)象能夠進(jìn)行很好的處理；利用智能移動(dòng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制器，更好地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的監(jiān)控性能。

關(guān)鍵詞：智能灌溉；嵌入式控制器；模糊控制算法；智能移動(dòng)設(shè)備

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）01-00-02

0 引 言

隨著科技的發(fā)展與經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，人們的生活水平得到了不斷改善，人口數(shù)量也呈現(xiàn)出不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)。人口數(shù)量的不斷增長(zhǎng)，勢(shì)必會(huì)給社會(huì)發(fā)展帶來(lái)持續(xù)增大的壓力，產(chǎn)生一系列尖銳的社會(huì)問(wèn)題。其中，解決糧食緊張的問(wèn)題迫在眉睫。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)不僅需要消耗大量的人力、物力，而且效率也不高。因此，對(duì)原有的灌溉系統(tǒng)進(jìn)行有效改進(jìn)，已成為農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。本文采用嵌入式核心控制器件，運(yùn)用模糊控制算法對(duì)各種傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理后的結(jié)果作用于控制部件，以提高系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化水平。同時(shí)，本系統(tǒng)利用智能移動(dòng)設(shè)備接收現(xiàn)場(chǎng)采集的信息，并且可以通過(guò)智能移動(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)提高系統(tǒng)的灌溉效率及節(jié)約用水具有十分重要的意義。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)一種基于嵌入式的智能灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)可利用溫度傳感器、濕度傳感器、風(fēng)速傳感器、光照傳感器等對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境信息進(jìn)行采集，并把采集到的信息傳送到嵌入式處理器中。嵌入式處理器利用模糊控制算法對(duì)各種信息進(jìn)行處理，以處理后的結(jié)果控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。同時(shí)，以智能手機(jī)為遠(yuǎn)程控制設(shè)備可隨時(shí)隨地觀測(cè)采集到的數(shù)據(jù)，并可對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 基于嵌入式的核心處理器和模糊算法

2.1 嵌入式處理器

采用S3C2410處理器，該處理器是韓國(guó)三星公司基于ARM920T核開(kāi)發(fā)的嵌入式微處理器，屬于中高檔32位嵌入式微處理器。其采用哈佛體系結(jié)構(gòu)，內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器被分開(kāi)，具有16 KB的指令Cache和16 KB的數(shù)據(jù)Cache，采用五級(jí)流水線進(jìn)行工作，使用ARM公司生產(chǎn)的AMBA總線，高速組件采用AHB總線，而低速組件采用APB總線。

對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行處理的過(guò)程如圖2所示。

2.2 車(chē)流量模糊算法

由于灌溉現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境復(fù)雜，不易建立精確的數(shù)學(xué)模型，為了更好地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的各種信息進(jìn)行處理，本系統(tǒng)采用模糊控制作為系統(tǒng)的控制算法。

在現(xiàn)場(chǎng)中，每隔一段距離放置一個(gè)傳感器組，其中的溫度傳感器用于采集空氣中的溫度，濕度傳感器用于采集土壤中的濕度，風(fēng)速傳感器用于采集現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速，光照傳感器用于采集現(xiàn)場(chǎng)光照強(qiáng)度。最后合成各種傳感器采集到的數(shù)據(jù)。

控制器的輸入為溫度傳感器數(shù)據(jù)A，濕度傳感器數(shù)據(jù)B，風(fēng)速傳感器數(shù)據(jù)C，光照傳感器數(shù)據(jù)D，輸出為執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制的電磁閥的開(kāi)度E。對(duì)于數(shù)據(jù)A、B、C、D都分為三個(gè)模糊集：SA（溫度低）、MA（溫度中）、LA（溫度高）；SB（濕度低）、MB（濕度中）、LB（濕度高）；SC（光照弱）、MC（光照中）、LC（光照強(qiáng)）；SD（風(fēng)速?。D（風(fēng)速中）、LD（風(fēng)速大）。將輸出開(kāi)度E分為五個(gè)模糊集：VS（很?。?、KS（小）、KZ（中）、KL（大）、VL（很大）。A的論域?yàn)閧1，2，3}； B的論域?yàn)閧1，2，3}；C的論域?yàn)閧1，2，3}；D的論域?yàn)閧1，2，3}；E的論域?yàn)閧0，1，2，3，4}。

3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制模塊

系統(tǒng)采用嵌入式處理器S3C2410作為系統(tǒng)的核心控制模塊，以控制系統(tǒng)正常運(yùn)行。而對(duì)于系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，本文采用直流伺服電機(jī)，該電機(jī)具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍廣、容易控制等特點(diǎn)，廣泛用于農(nóng)業(yè)和工業(yè)控制領(lǐng)域。直流伺服電機(jī)的控制對(duì)象是電磁閥，電磁閥是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行控制的設(shè)備，是一種用來(lái)控制流體的基礎(chǔ)元件，能夠調(diào)節(jié)流體的流量及流速。因此，本系統(tǒng)能夠?qū)λ魉俣燃伴_(kāi)度的大小進(jìn)行很好地控制。

通過(guò)模糊算法處理后的數(shù)字量，利用D/A轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為模擬量。由于此模擬量的幅值較小，還不足以驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)，因此，需要外加一個(gè)合適的放大電路，將模擬量進(jìn)行放大后驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而利用電機(jī)控制電磁閥的開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的執(zhí)行功能。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制過(guò)程如圖3所示。

4 遠(yuǎn)程控制模塊

本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，能夠隨時(shí)隨地對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)視和控制。遠(yuǎn)程控制設(shè)備為智能手機(jī)，具有操作方便、攜帶便捷等特點(diǎn)。系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)及處理后的結(jié)果數(shù)據(jù)可以通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送到智能手機(jī)上，同時(shí)，操作者也可以通過(guò)手機(jī)上的一些控制鍵控制系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。遠(yuǎn)程監(jiān)控過(guò)程如圖4所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)以嵌入式處理器為核心控制模塊，不僅處理速度快，實(shí)時(shí)性高，而且具有網(wǎng)絡(luò)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。以各種傳感器為數(shù)據(jù)采集器件，能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的變化。以直流伺服電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有易于控制的優(yōu)點(diǎn)。以智能手機(jī)為遠(yuǎn)程控制終端，隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。本系統(tǒng)可以在原有灌溉系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，具有成本低、易于維護(hù)等特點(diǎn)，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)中具有較大的實(shí)用價(jià)值。

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