基于ZigBee的智能滴灌控制系統(tǒng)

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）

0 引 言

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。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

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)。

1.1 ZigBee現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)

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。

1.2 監(jiān)控中心

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。

1.3 遠(yuǎn)程用戶

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。

2 模糊控制智能算法

2.1 模糊控制的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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)

2.2 模糊控制的實(shí)現(xiàn)

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。

3 系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)

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

4 結(jié) 語

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。