基于模糊控制的智能灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張明岳，高師杰

（西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，西安 710600）

1 引言

水資源是農(nóng)業(yè)的命脈，我國作為農(nóng)業(yè)大國，發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)對于節(jié)約水資源和發(fā)展農(nóng)業(yè)技術(shù)的重要性非比尋常，對我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)以及科學(xué)技術(shù)發(fā)展也都具有重要的戰(zhàn)略意義?！丁笆濉鞭r(nóng)業(yè)科技發(fā)展規(guī)劃》明確提出了“要充分發(fā)揮科技對加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)、促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要支撐引領(lǐng)作用”。

近年來，隨著信息技術(shù)的飛速進(jìn)步，以Zigbee、GPRS和物聯(lián)網(wǎng)等新型通訊技術(shù)現(xiàn)實(shí)的智能灌溉系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，其中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用最多。物聯(lián)網(wǎng)與灌溉系統(tǒng)的結(jié)合，不但實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制智能灌溉，也有效提高了灌溉效率，節(jié)約了水資源。其中，師志剛等人[1]以物聯(lián)網(wǎng)為支撐搭建的智能灌溉系統(tǒng)，基本實(shí)現(xiàn)了智慧型農(nóng)業(yè)，在實(shí)時(shí)灌溉及經(jīng)濟(jì)效益方面得到了改善，但在精準(zhǔn)灌溉方面還不夠完善。王宗省等人[2]將物聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)業(yè)灌溉相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化灌溉，但在精準(zhǔn)灌溉方面沒有具體闡述。

鑒于現(xiàn)有的研究成果，在此，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將以STM32為主控芯片的灌溉下位機(jī)系統(tǒng)與電腦客戶端或微信端通過服務(wù)器連接，同時(shí)運(yùn)用模糊控制算法，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉（包括電腦/微信端智能監(jiān)測、指令灌溉以及下位機(jī)智能決策等）。

2 灌溉控制系統(tǒng)搭建

按照系統(tǒng)總體任務(wù)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1[3]。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

由圖可見，系統(tǒng)主要由三個(gè)部分構(gòu)成：

感知層：以STM32ARM微控板為核心，與DHT11空氣溫濕度傳感器、TH-FDR2000土壤水分傳感器以及光照傳感器等設(shè)備建立連接，用來采集作物所處環(huán)境參量數(shù)據(jù)。利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立一個(gè)自治、協(xié)同工作網(wǎng)絡(luò)，并將外接設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)中的其他設(shè)備進(jìn)行信息交互與資源共享。

網(wǎng)絡(luò)層:以阿里云服務(wù)器和MYSQL數(shù)據(jù)庫作為智能網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，將Wi-Fi模塊傳輸?shù)玫降臄?shù)據(jù)用PHP語言存入數(shù)據(jù)庫，供微信進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)用。

應(yīng)用層：用戶可通過電腦端或微信公眾平臺(tái)[4]發(fā)送數(shù)據(jù)請求指令以及灌溉指令等，再由感知層根據(jù)指令要求發(fā)送當(dāng)前狀態(tài)下采集的環(huán)境參量數(shù)據(jù)或驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，從而使電磁閥的閥門處于不同的開度，滿足不同狀態(tài)下作物生長所需的水量。

3 硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)選用STM32F103RCT6作為微控制器芯片，它是一種32位Cortex-M3CPU，因其價(jià)格實(shí)惠、體積小巧、內(nèi)部資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類控制設(shè)備和儀器儀表中。該芯片用于控制智能傳感器組群采集環(huán)境信息數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包發(fā)送，以供查看和后續(xù)控制策略的實(shí)施。同時(shí)它也是電磁閥開關(guān)的控制單元。STM32F103芯片基本參數(shù)[5]由表1詳細(xì)給出。

表1 STM32F103RCT6基本參數(shù)

系統(tǒng)中選用的土壤墑情傳感器（TH-FDR2000）是一款利用高頻電子技術(shù)制造的具有高精度、高靈敏度的土壤水分測量傳感器。該傳感器通過測量田間土壤的介電常數(shù)來探知土壤的水分含量，其電路連接如圖2所示。

圖2 土壤水分傳感器電路連接示意圖

空氣溫濕度傳感器（DHT11）是一款具有校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出功能的復(fù)合傳感器。該傳感器通過其內(nèi)部感濕、測溫元件在特定環(huán)境下計(jì)算校準(zhǔn)系數(shù)并保存于內(nèi)存中，當(dāng)傳感器檢測信號時(shí)再對校準(zhǔn)系數(shù)進(jìn)行調(diào)用。此外，傳感器接口采用單線制串行通信，在集成系統(tǒng)中使用方便且快捷。DHT11與MCU的具體連接如圖3所示[6]。

圖3 DHT11傳感模塊與MCU連接

在此采用繼電器來驅(qū)動(dòng)電磁閥。當(dāng)作物所處環(huán)境參量達(dá)到灌溉要求時(shí)，啟動(dòng)繼電器，在線圈兩端加上電壓，利用電磁效應(yīng)，使銜鐵與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合，從而實(shí)現(xiàn)電磁閥閥門動(dòng)作，達(dá)到不同的灌溉狀態(tài)。如圖4為電磁閥驅(qū)動(dòng)電路圖。

圖4 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路

按設(shè)計(jì)實(shí)際搭建的系統(tǒng)整體硬件實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 整體硬件實(shí)物圖

4 控制算法

4.1 模糊控制器算法

空氣溫度、空氣濕度和土壤濕度作為作物生長的三個(gè)主要影響因子，具有較強(qiáng)的耦合關(guān)系，而光照強(qiáng)度與CO2濃度耦合度較低，易于獨(dú)立控制[7]，因此灌溉控制器采用模糊控制算法，并以空氣溫濕度與土壤濕度作為輸入量。

先將輸入量模糊化，模程為分級。若X∈[a,b]，將模糊化用瑪達(dá)尼（Mamdani）法進(jìn)行極大極小推理：

若輸入量X的變化區(qū)間映射到[-6,6]，并使之離散化，構(gòu)成論域[-6,6]內(nèi)的13個(gè)整數(shù)元素的A，即A={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，則有：

式中y為區(qū)間內(nèi)離散變量，若y非整數(shù)，則將其歸為最接近的整數(shù)值，再將區(qū)間[-6,6]分為若干檔,每一檔對應(yīng)一個(gè)語言值和相應(yīng)的一個(gè)模糊集合。每一模糊集合對應(yīng)一個(gè)隸屬度函數(shù)，一般采用高斯函數(shù)。

設(shè)作物周圍環(huán)境中實(shí)際溫度為Ti，目標(biāo)設(shè)定溫度值為Tr，實(shí)際濕度為Hi，目標(biāo)設(shè)定濕度值為Hr，土壤實(shí)際濕度為Wi，目標(biāo)濕度為Wr，進(jìn)而設(shè)空氣溫度誤差T=Ti-Tr，空氣濕度誤差H=Hi-Hr，土壤濕度誤差W=Wi-Wr。其中，空氣溫度誤差T和空氣濕度誤差H都用5個(gè)模糊狀態(tài)來表述，即：NB（負(fù)大）、NS（負(fù)小）、ZO（零）、PS（正?。?、PB（正大）；土壤濕度誤差W用6個(gè)模糊狀態(tài)描述，即：NB（負(fù)大）、NS（負(fù)?。?、NZ（負(fù)零）、PZ（正零）、PS（正?。B（正大）。

輸出變量為閥門開啟度，用4個(gè)模糊狀態(tài)來表述：NZ（關(guān)）、PZ（半關(guān)）、PS（中等）、PB（全開）。其每一個(gè)模糊集合隸屬度函數(shù)均為三角函數(shù)?？刂破鳛槿斎胍惠敵觯匆匀缦乱?guī)則為例的形式創(chuàng)建規(guī)則庫：

If(W is PB)and(H is NB)and(T is NB)then(U is NZ)

這句規(guī)則的意思是：如果土壤濕度偏差為正大與空氣濕度偏差為負(fù)大與空氣溫度偏差為負(fù)大，則電磁閥關(guān)。諸如此類，一共150條模糊控制規(guī)則。實(shí)際創(chuàng)建規(guī)則的界面如圖6所示。

圖6 規(guī)則庫的創(chuàng)建

最后采用最大隸屬度法選取隸屬度最大的元素作為輸出量，完成解模糊。

4.2 遠(yuǎn)端WEB設(shè)計(jì)

服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫通過HTTP協(xié)議傳輸傳感器組群采集得到的數(shù)據(jù)，采用PHP腳本語言編寫與MYSQL進(jìn)行數(shù)據(jù)庫連接。由客戶端發(fā)送請求指令，建立TCP連接，服務(wù)器監(jiān)測到請求作出響應(yīng)。

在PHP中，通過mysql_connect()函數(shù)創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫連接。語法為：

其中，servername為要連接的服務(wù)器，username為登錄所使用的用戶名，password為登錄所用的密碼。系統(tǒng)使用tj.php這個(gè)文件來與Navicat for MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接并存儲(chǔ)溫濕度數(shù)據(jù)。PHP將GET請求封裝在$_GET數(shù)組中。

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)的相關(guān)PHP腳本語言如圖7所示。監(jiān)控整體效果如圖8。

圖7 用PHP語言實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)

圖8 監(jiān)控整體效果

5 灌溉實(shí)驗(yàn)與分析

輸入變量為空氣濕度偏差H、空氣溫度偏差T、土壤濕度偏差W，其論域均為[-6,6]，輸出變量為閥門開啟度U，對應(yīng)論域?yàn)閇0,3]。在此以MATLAB模糊工具包作為研究手段，對其規(guī)則進(jìn)行推理。實(shí)驗(yàn)過程如圖9所示。

圖9 Simulink仿真過程界面

利用模糊規(guī)則所得出的仿真結(jié)果如圖10所示。其中，當(dāng)W=-6，H=-2，T=0，U=2.27，表示土壤濕度偏差為NB，空氣濕度偏差為ZO，此時(shí)閥門應(yīng)盡量全開[8]。又如當(dāng)W=0，H=1.6，T=6，U=1，表示土壤濕度偏差為PZ，空氣濕度偏差為PS，空氣溫度偏差為PB，此時(shí)閥門應(yīng)處于半開狀態(tài)。在實(shí)際控制時(shí)控制量“2.27級”和“1級”要轉(zhuǎn)換為精確的物理量，通過該值控制閥門的輸出電壓，從而控制閥門的開啟度[9]。

圖10 模糊控制規(guī)則瀏覽器

控制器執(zhí)行結(jié)果為電磁閥的4個(gè)狀態(tài)，關(guān)、半開、中等、全開，本系統(tǒng)以水泵的抽水時(shí)間表示輸出量。經(jīng)多次測試，得出空氣溫度x1、空氣濕度x2、土壤濕度x3這三個(gè)參數(shù)與水泵抽水時(shí)間y的關(guān)系，部分詳細(xì)測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 三個(gè)參量與水泵抽水時(shí)間關(guān)系（前10組）

由表2中第一組數(shù)據(jù)可知當(dāng)前環(huán)境下水泵抽水，對應(yīng)電磁閥為全開狀態(tài)；由第二組數(shù)據(jù)可知當(dāng)前環(huán)境下水泵不抽水，電磁閥關(guān)閉；由第四組數(shù)據(jù)可知當(dāng)前環(huán)境下水泵抽水，對應(yīng)電磁閥為半開狀態(tài)。其他情況可按同理推知[10]。

6 結(jié)束語

將物聯(lián)網(wǎng)與客戶應(yīng)用端相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一款智能灌溉控制系統(tǒng)。系統(tǒng)安裝、操作簡便，成本低廉，經(jīng)多次試驗(yàn)，獲得了穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行效果，能夠完成作物所處環(huán)境參量的采集，并有效地進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測以及自動(dòng)調(diào)控灌溉時(shí)間及灌溉量，大大節(jié)省了勞力以及水資源。系統(tǒng)達(dá)到了精確灌溉的目的，其設(shè)計(jì)思路也可為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)溫室大棚的發(fā)展提供有價(jià)值的參考。