基于天氣預(yù)報(bào)的智能灌溉模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃 淼，周安妮，何鎮(zhèn)琦，宋金城，劉靜波

（南京工程學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

0 引 言

我國(guó)雖是農(nóng)業(yè)大國(guó)，但水資源并不豐富。有資料表明，我國(guó)農(nóng)業(yè)用水約占社會(huì)用水總量的60%，但其利用率只有45%，與其他先進(jìn)國(guó)家70%～80%的利用率相比，差距明顯。在現(xiàn)有18.26億畝耕地上，大多數(shù)仍未采用節(jié)水灌溉系統(tǒng)[1]，以致于水資源缺口逐年增加。預(yù)計(jì)到2030年，人口增加到16億，水資源缺口達(dá)400億～600億立方米[2]。

改進(jìn)相對(duì)落后的灌溉技術(shù)，提高水資源利用率，采用智能化、精準(zhǔn)化灌溉技術(shù)是值得推行的方法。模糊控制在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到了較大發(fā)展[3-4]，在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)建設(shè)較完善，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)較成熟的情況下，方便、快捷地獲取天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)成為可能。

1 智能灌溉模糊控制

1.1 模糊控制器設(shè)計(jì)

控制器中的ESP8266作為WiFi模塊，可訪問天氣網(wǎng)站API接口，獲取降水量數(shù)據(jù)與土壤濕度數(shù)據(jù)，將這兩個(gè)數(shù)據(jù)作為輸入，通過模糊控制策略設(shè)計(jì)，控制灌溉電磁閥根據(jù)用戶需求有選擇的輸出灌溉用水[5]。

模糊控制器中，一般以降水量RQ和土壤濕度E作為輸入數(shù)據(jù)，灌溉時(shí)長(zhǎng)或灌溉水量為輸出數(shù)據(jù)[6-7]。本設(shè)計(jì)以灌溉時(shí)長(zhǎng)為輸出，結(jié)合土壤濕度傳感器的數(shù)據(jù)標(biāo)定數(shù)值，制定土壤濕度模糊集劃分標(biāo)準(zhǔn)，見表1所列。降雨量RQ模糊集劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2所列。灌溉時(shí)長(zhǎng)以0～15 min為標(biāo)準(zhǔn)，制定模糊集劃分見表3所列。在此基礎(chǔ)上，制定模糊控制表。模糊控制表的制定需結(jié)合實(shí)際情況，還需訪問天氣數(shù)據(jù)API返回?cái)?shù)據(jù)中的降雨量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，表4為經(jīng)過調(diào)整的模糊控制表。

表1 土壤濕度E模糊集

表2 降雨量RQ模糊集

表3 灌溉時(shí)長(zhǎng)T模糊集

表4 模糊控制表

1.2 仿真分析設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)模糊控制進(jìn)行仿真分析，構(gòu)建以土壤濕度和降雨量作為雙輸入，灌溉時(shí)長(zhǎng)為單輸出的系統(tǒng)模型，如圖1所示。根據(jù)土壤濕度和降雨量的劃分等級(jí)，模糊規(guī)則推理系統(tǒng)共有35條規(guī)則，模糊控制規(guī)則在MATLAB的制定如圖2所示。輸入、輸出變量采用三角形隸屬函數(shù)，借助Mamdani推理算法進(jìn)行仿真分析，通過centroid（面積中心法）[8]解模糊得到輸出變量（確定的值）。圖3所示為模糊推理的輸出曲面。

圖1 模糊控制MATLAB仿真系統(tǒng)

圖2 模糊控制規(guī)則制定

圖3 輸出曲面

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)框架如圖4所示?？刂破饕許TM32F1032RCT6單片機(jī)為核心，通過串口2與ESP8266模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。ESP8266訪問的天氣數(shù)據(jù)API接口是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Restful API接口，提供標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)訪問，適用于智能硬件、APP等系統(tǒng)。ESP8266訪問天氣API接口后，經(jīng)授權(quán)可獲取包括降水量在內(nèi)的多項(xiàng)數(shù)據(jù)。STM32單片機(jī)讀取天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，土壤濕度傳感器檢測(cè)土壤濕度，經(jīng)MATLAB仿真、解模糊后，得到控制時(shí)長(zhǎng)，輸出端通過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電磁閥，實(shí)現(xiàn)按需灌溉。控制器配備了2.8寸TFT顯示屏，用于顯示天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、土壤濕度測(cè)量數(shù)據(jù)和當(dāng)前輸出狀態(tài)等。控制器在STM32的SPI1接口掛載字庫(kù)芯片，用以顯示中文；在I2C接口掛載E2PROM芯片，用來存儲(chǔ)接收的降水量等數(shù)據(jù)，同時(shí)掛載時(shí)鐘芯片DS3231，提供系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，設(shè)定灌溉時(shí)間段以及控制灌溉時(shí)長(zhǎng)。

圖4 系統(tǒng)框架

3 硬件模塊與接口設(shè)計(jì)

3.1 ESP8266模塊與接口設(shè)計(jì)

ESP8266是獨(dú)立的32位MCU應(yīng)用系統(tǒng)，同時(shí)集成了WiFi等功能模塊，具有完整且自成體系的WiFi環(huán)境[9]。ESP8266具備獨(dú)立運(yùn)行模式，但也可以作為通信模塊搭載于其他主控芯片，幫助主控芯片接入互聯(lián)網(wǎng)[10]。本設(shè)計(jì)把ESP8266模塊作為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng)，在Arduino編譯環(huán)境下，對(duì)ESP8266編程并運(yùn)行，用以訪問天氣網(wǎng)站，獲取天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，并解析封裝，以固定編碼形式發(fā)送給STM32單片機(jī)。此外，還需要在Arduino編譯環(huán)境下對(duì)“開發(fā)板管理”進(jìn)行安裝配置。

圖5中，ESP8266與STM32單片機(jī)通過串口2進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。STM32單片機(jī)接收到降水量數(shù)據(jù)后，將其作為模擬控制器的輸入之一。圖5中，PA12端口控制ESP8266的復(fù)位端（低電平復(fù)位）。

圖5 ESP8266應(yīng)用原理與接口設(shè)計(jì)

3.2 土壤濕度傳感器與接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選擇型號(hào)為HKSHC03S的土壤濕度傳感器，其供電電壓為5 V，輸出電壓為0～3.3 V，線性度良好。土壤濕度傳感器的輸出信號(hào)接STM32的PA1（ADC1通道）口，經(jīng)STM32單片機(jī)讀取后，轉(zhuǎn)換為土壤濕度等級(jí)。圖6所示為土壤濕度傳感器接口，圖7所示為傳感器輸出電壓與濕度間的關(guān)系。

圖6 土壤濕度傳感器接口設(shè)計(jì)

圖7 傳感器輸出電壓與濕度之間的關(guān)系

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 ESP8266程序設(shè)計(jì)

ESP8266訪問天氣API接口，并發(fā)送請(qǐng)求，返回的天氣數(shù)據(jù)為JSON格式，這是一種輕量級(jí)數(shù)據(jù)交換格式。在Arduino編譯環(huán)境下加載Arduino JSON庫(kù)（V5.13.5），可調(diào)用函數(shù)對(duì)返回的JSON數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。ESP8266程序流程如圖8所示。ESP8266以定時(shí)方式訪問天氣數(shù)據(jù)，每發(fā)送一次請(qǐng)求，就讀取一次數(shù)據(jù)，然后解析、封裝數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到STM32主控芯片。本設(shè)計(jì)中，解析后的數(shù)據(jù)以符號(hào)“$”開始，以符號(hào)“*”結(jié)尾，中間以“，”分隔字符串，如“$DAILY，11，9，30，24，11.3，NW，5，87，9，4，30，23，0.0，W，4，85*”，其中，“$DAILY”為引導(dǎo)，用“，”將16組數(shù)據(jù)分隔開?！?1，9，30，24，11.3，NW，5，87，”表示預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，各數(shù)字分別代表白天天氣代碼、晚間天氣代碼、最高溫、最低溫、降水量（數(shù)據(jù)是11.3，單位為mm）、風(fēng)向、風(fēng)力等級(jí)、濕度。后面的8組數(shù)據(jù)是后天的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，含義同上。降水量以數(shù)值表示，對(duì)應(yīng)不同的降水級(jí)別。ESP8266程序中返回?cái)?shù)據(jù)的具體含義可查看官方API接口文檔。獲取的多項(xiàng)數(shù)據(jù)可作為后續(xù)的其他應(yīng)用。

圖8 ESP8266程序流程

此外，ESP8266還可定時(shí)獲取網(wǎng)絡(luò)時(shí)間，一方面，可對(duì)控制器進(jìn)行自動(dòng)校時(shí)，另一方面，STM32檢測(cè)ESP8266獲取網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的間隔超過一定時(shí)段范圍后，STM32將發(fā)送重啟ESP8266指令，并自動(dòng)連接WiFi。

4.2 土壤濕度測(cè)量程序

土壤濕度傳感器的輸出電壓信號(hào)經(jīng)STM32的ADC1輸入端PA1采樣、讀取后，得到數(shù)字量addat。表5所列為土壤濕度傳感器傳感數(shù)據(jù)標(biāo)定與對(duì)應(yīng)ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)字量之間的關(guān)系。STM32的ADC轉(zhuǎn)換為12位，其滿量程為4096（3.3 V）。

表5 土壤濕度傳感器數(shù)據(jù)標(biāo)定與對(duì)應(yīng)的ADC轉(zhuǎn)換值

土壤濕度程序設(shè)計(jì)采用拆線法，獲取轉(zhuǎn)換結(jié)果addat，范圍設(shè)為h1～h2（h1>h2），對(duì)應(yīng)的數(shù)字量為d1～d2（d1

4.3 主程序設(shè)計(jì)

STM32主程序主要包括串口數(shù)據(jù)接收、土壤濕度讀取、模糊控制判斷、時(shí)間顯示與控制、TFT液晶顯示以及E2PROM存儲(chǔ)與讀取等。綜合STM32內(nèi)部資源，程序設(shè)計(jì)時(shí)把A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果以及串口接收以DMA方式傳輸，以提高程序效率。主程序流程如圖9所示。

圖9 主程序流程

5 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)通過STM32和ESP8266設(shè)計(jì)了智能硬件系統(tǒng)，合理規(guī)劃了各模塊的軟硬件應(yīng)用，充分利用STM32的片上資源，系統(tǒng)檢測(cè)WiFi模塊的網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)，以有效保證獲取數(shù)據(jù)的可靠性。WiFi模塊基于Arduino編譯環(huán)境，實(shí)現(xiàn)ESP8266獨(dú)立訪問天氣數(shù)據(jù)API接口的功能，可獲取網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘和降水量等天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，結(jié)合土壤濕度，作為系統(tǒng)輸入，在MATLAB仿真分析的基礎(chǔ)上，通過模糊推理得到灌溉時(shí)長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)智能灌溉，達(dá)到節(jié)水目的。