劉悅沆,熊瑞平,陳貴全,彭 博,徐毅松
(四川大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,四川 成都 610065)
近年來“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”的概念在全國范圍內(nèi)大力推廣,精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的有效實(shí)現(xiàn)取決于農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)的發(fā)展,其中農(nóng)業(yè)滴灌的方式日趨流行,實(shí)現(xiàn)智能化滴灌是主要研究內(nèi)容[1]。國內(nèi)外大部分農(nóng)業(yè)地區(qū)仍采用傳統(tǒng)滴灌模式,不僅布線復(fù)雜,往往還會因?yàn)殡娏鬏數(shù)膿p耗或電纜接觸不良等問題導(dǎo)致滴灌無法正常進(jìn)行[2],同時傳統(tǒng)滴灌模式的滴灌水量依賴于人工控制,導(dǎo)致水資源利用率低下,浪費(fèi)較大,運(yùn)行成本高。
現(xiàn)如今,無線傳感技術(shù)ZigBee發(fā)展迅速,它具有功耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容量大、組網(wǎng)方便快捷等優(yōu)點(diǎn)[3],數(shù)據(jù)能夠通過ZigBee協(xié)議進(jìn)行無線傳輸,解決了因環(huán)境復(fù)雜而導(dǎo)致的布線困難問題;模糊控制智能算法參考了專家經(jīng)驗(yàn)建立了模糊控制規(guī)則[4],系統(tǒng)能夠自動決定滴灌水量和滴灌時間,智能化程度較高,減少了人工干預(yù),適用于類似滴灌系統(tǒng)的控制系統(tǒng);上位機(jī)軟件LabVIEW具有可視化的圖形式編程語言[5],能夠在較短時間內(nèi)開發(fā)出一套簡潔、明了、易操作的上位機(jī)軟件,方便相關(guān)人員學(xué)習(xí)上位機(jī)軟件的操作。
智能滴灌控制系統(tǒng)主要由現(xiàn)場ZigBee網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控中心、遠(yuǎn)程用戶組成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
圖1 智能滴灌控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)分為三層結(jié)構(gòu)。
底層的現(xiàn)場ZigBee網(wǎng)絡(luò)是由若干個ZigBee現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)組成,ZigBee現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)能夠采集現(xiàn)場的土壤濕度、大氣溫濕度、光照強(qiáng)度等信息,接收控制命令控制各區(qū)域電磁閥的開閉,以此實(shí)現(xiàn)各區(qū)域滴灌功能的開啟與關(guān)閉。
系統(tǒng)的第二層為監(jiān)控中心,監(jiān)控中心能夠?qū)崟r監(jiān)控溫濕度、光照強(qiáng)度、電磁閥狀態(tài)等現(xiàn)場數(shù)據(jù),并將現(xiàn)場數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫,同時還能夠通過智能算法自動發(fā)送控制指令,控制各區(qū)域滴灌功能的開啟或關(guān)閉。
第三層的遠(yuǎn)程用戶能夠在各地使用不同設(shè)備登錄監(jiān)控軟件服務(wù)器查看監(jiān)控中心實(shí)時數(shù)據(jù)。
現(xiàn)場ZigBee網(wǎng)絡(luò)通過ZigBee協(xié)議使得各節(jié)點(diǎn)能夠通信,進(jìn)行數(shù)據(jù)交流,并能同時與監(jiān)控中心上位機(jī)接入的ZigBee模塊通信,從而進(jìn)行現(xiàn)場與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)交流。上位機(jī)軟件通過互聯(lián)網(wǎng)接入云服務(wù)器,遠(yuǎn)程用戶可以在不同設(shè)備上通過監(jiān)控軟件接入云服務(wù)器查看現(xiàn)場實(shí)時數(shù)據(jù)。
ZigeBee模塊相比WiFi和藍(lán)牙模塊能夠容納更多的組網(wǎng)節(jié)點(diǎn),功耗與后期維護(hù)成本低,且能夠通過AT命令自組網(wǎng),自動選擇最優(yōu)路徑傳輸數(shù)據(jù)[6],使得ZigBee模塊成為智能滴灌控制系統(tǒng)的最優(yōu)選擇。ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)
ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的主控芯片選擇AT89S51的8位MCU,通過TTL轉(zhuǎn)串口的方式與ZigBee模塊CC2530通信。
節(jié)點(diǎn)供電采用多晶5 V太陽能電池板,可提供的峰值電流達(dá)60 mA,能夠滿足ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)正常工作的需求。
土壤濕度檢測采用TELESKY 5 V土壤濕度傳感器,該傳感器的叉型設(shè)計(jì)能方便插入土壤,其表面采用鍍鎳處理,加寬了感應(yīng)面積,提高了導(dǎo)電性,能夠防止傳感器接觸土壤而生銹,延長了儀器的使用壽命。傳感器輸出和單片機(jī)的A/D模塊相連,通過A/D轉(zhuǎn)換可以精確檢測土壤濕度。
大氣溫濕度采用DHT12數(shù)字式溫濕度傳感檢測,此傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合型傳感器,通過I2C與單片機(jī)通信。
光照強(qiáng)度傳感器選擇BH1750FVI光照小球傳感器,它能夠直接進(jìn)行數(shù)字輸出,省略了復(fù)雜的計(jì)算過程,模塊內(nèi)部包含電平轉(zhuǎn)換,與單片機(jī)I/O口連接就能獲取準(zhǔn)確的光照強(qiáng)度數(shù)值。
系統(tǒng)采用能夠進(jìn)行自保持的ZCZ58-50B電磁閥,這種電磁閥只在需要開啟或關(guān)閉時消耗一點(diǎn)電能,工作電壓為12 V,供電采用2個6 V的多晶太陽能板串聯(lián)為其供電。
監(jiān)控中心主要由上位機(jī)軟件、數(shù)據(jù)庫、PC機(jī)組成。監(jiān)控中心的上位機(jī)軟件采用LabVIEW圖形式編程語言開發(fā),用戶可以在監(jiān)控中心上位機(jī)軟件中對現(xiàn)場各滴灌區(qū)域的土壤濕度、大氣溫濕度、光照強(qiáng)度、電磁閥狀態(tài)、滴灌時間等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控與管理,監(jiān)控中心也可以通過模糊控制智能算法自動或手動向現(xiàn)場電磁閥發(fā)送控制命令。以上數(shù)據(jù)均按日期編號,存入ACESS數(shù)據(jù)庫,用戶可以通過上位機(jī)軟件訪問查詢歷史數(shù)據(jù),掌握植物生長的整體情況。監(jiān)控中心的功能如圖3所示。
監(jiān)控中心的上位機(jī)軟件接入云服務(wù)器,將現(xiàn)場數(shù)據(jù)同步到云服務(wù)器中,基于Windows和Android系統(tǒng)將監(jiān)控軟件安裝在遠(yuǎn)程用戶的電腦或智能手機(jī)上,用戶登錄接入云服務(wù)器的監(jiān)控軟件便可以獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù),對現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。
在傳統(tǒng)的滴灌系統(tǒng)中,都是人為控制電磁閥的開啟與關(guān)閉,對滴灌的用水量缺少精確把控。在智能控制系統(tǒng)中,需實(shí)時監(jiān)控現(xiàn)場數(shù)據(jù),系統(tǒng)根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能算法分析,從而對系統(tǒng)的輸出做精確調(diào)整,達(dá)到高效的滴灌狀態(tài)。但目前大多數(shù)算法均通過已知的數(shù)學(xué)模型建立,一旦系統(tǒng)運(yùn)用在農(nóng)業(yè)滴灌中,不確定性、波動性、滯后性較大,因此建立精確的數(shù)學(xué)模型難度較大[7]。模糊控制智能算法無需建立精確的數(shù)學(xué)模型,它是基于專家經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)知識建立起來的控制器,能夠模仿人的思維方式?jīng)Q策[8]。目前在關(guān)于滴灌的模糊控制之中,大多只將當(dāng)前土壤濕度作為模糊控制的輸入量,但作物的生長需水情況不僅僅要考慮當(dāng)前土壤濕度,還包括土壤自身水分的蒸騰量、滲漏量、降雨量等,這些因素都直接或間接影響土壤濕度,從而影響植物從土壤之中能夠獲取的水分。外界因素對土壤濕度的影響可以用土壤濕度的變化率表示,所以將模糊控制器的輸入量設(shè)置為土壤濕度和土壤濕度的變化率。
建立二維輸入單輸出模式的模糊控制器,二維輸入量分別為土壤當(dāng)前濕度En與土壤濕度的變化率H,輸出變量則為滴灌電磁閥開啟的時間T。模糊控制器為相關(guān)專家經(jīng)驗(yàn)建立起模糊控制規(guī)則以及模糊推理結(jié)果的解模糊化。模糊控制大致結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 模糊控制結(jié)構(gòu)
MATLAB 2018中的Fuzzy Logic Toolbox提供了豐富的模糊控制相關(guān)函數(shù)與組件,通過相關(guān)函數(shù)與組件向?qū)骄幊?,可建立智能滴灌的模糊控制智能算法?/p>
借助MATLAB部署工具(Deployment Tool)將模糊控制智能算法打包成庫文件,生成.NET Framework程序集。上位機(jī)軟件LabVIEW提供豐富的API接口,支持.NET外部互聯(lián)功能。LabVIEW編寫的上位機(jī)軟件借助現(xiàn)場傳感器檢測的數(shù)據(jù)與模糊控制智能算法便可計(jì)算出最終的滴灌時間,發(fā)出準(zhǔn)確的滴灌命令。
基于ZigBee的智能滴灌系統(tǒng)中的監(jiān)控中心能夠?qū)崟r監(jiān)測ZigBee現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)并向ZigBee現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)自動或手動發(fā)送滴灌控制命令。系統(tǒng)控制分為自動滴灌模式和手動滴灌模式,自動滴灌模式下系統(tǒng)每5 min對數(shù)據(jù)進(jìn)行一次采集整合計(jì)算,刷新滴灌時間;手動模式是指由操作人員手動控制各區(qū)域電磁閥。系統(tǒng)程序流程如圖5所示。
圖5 系統(tǒng)程序流程
為方便相關(guān)人員操作該智能系統(tǒng),設(shè)計(jì)的監(jiān)控中心上位機(jī)界面簡潔、易操作。
用戶可隨意切換自動滴灌模式和手動滴灌模式,界面上的4個區(qū)域分別代表實(shí)際農(nóng)田中劃分的4個滴灌區(qū)域,每個區(qū)域可分別監(jiān)控其傳感器數(shù)據(jù)和滴灌功能的開閉。
自動滴灌模式界面如圖6所示。
圖6 自動滴灌模式界面
手動滴灌模式界面如圖7所示。
圖7 手動滴灌模式界面
通過對基于ZigBee的智能滴灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究,可以得到以下結(jié)論:
(1)通過ZigBee協(xié)議進(jìn)行現(xiàn)場與監(jiān)控中心的無線數(shù)據(jù)傳輸與控制命令發(fā)送,減少了系統(tǒng)布線,能使系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定,提高了滴灌系統(tǒng)的灌溉效率;
(2)模糊控制智能算法結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌蜃詣記Q策田間的滴灌時間,減少了人為干預(yù),極大程度減少了農(nóng)業(yè)水資源的浪費(fèi);
(3)智能滴灌系統(tǒng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)均可在監(jiān)控中心或遠(yuǎn)程用戶智能設(shè)備上的監(jiān)控軟件中實(shí)時監(jiān)控與查看,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)在線監(jiān)測,符合智能農(nóng)業(yè)的理念。