節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計研究范文
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在灌溉農(nóng)業(yè)中，采用先進技術(shù)不僅可以提高水資源的利用率，緩解水資源增加的矛盾，還可以增加作物產(chǎn)量，降低農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。本論文設(shè)計了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)。系統(tǒng)噴滴灌共存，可適應(yīng)多種作物的灌溉要求，實現(xiàn)作物的倒茬輪作，起到保護土壤的作用；高效水肥藥一體化是將灌溉與施肥、灌溉與噴藥融為一體的農(nóng)業(yè)新技術(shù)，可以做到在農(nóng)作物灌溉的同時，定時定量的噴灑農(nóng)藥與化肥，有效節(jié)省時間與人力消耗，降低農(nóng)藥和化肥對土地的傷害。由于農(nóng)業(yè)覆蓋面大，地形復雜，操作環(huán)境惡劣，一般的農(nóng)業(yè)設(shè)備無法適應(yīng)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其高密度、大范圍和強動態(tài)特性成為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息收集和傳輸?shù)挠行Х椒ā１M管無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSNs的單傳感器節(jié)點通信能力有限，但是對于數(shù)據(jù)傳輸量小、實時性要求相對較低的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)，WSNs是實現(xiàn)信息遠程傳輸較為經(jīng)濟的技術(shù)手段。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其工作原理
本系統(tǒng)依據(jù)土壤濕度等參數(shù)運行狀況，通過上位機遠程控制供水泵、注肥泵、注藥泵和電磁閥開關(guān)。系統(tǒng)將灌溉與施肥、灌溉與噴藥融為一體，定時定量的噴灑農(nóng)藥與化肥。工藝流程圖如圖1所示。系統(tǒng)由網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點組成，網(wǎng)關(guān)由電源模塊、處理器模塊、節(jié)點通信模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊以及外圍設(shè)備組成；傳感器節(jié)點由電源模塊、處理器模塊、無線通信模塊和傳感器模塊組成。網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。系統(tǒng)WSNs采用簡單、實用的星狀拓撲結(jié)構(gòu)。當用戶需要獲取某個傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)時，他只需要向以太網(wǎng)發(fā)送相應(yīng)的節(jié)點地址和測試指令。網(wǎng)關(guān)通過以太網(wǎng)接口從上位機獲得命令后，將通過無線射頻模塊向相應(yīng)的傳感器節(jié)點發(fā)送測試指令。在傳感器節(jié)點接收到命令之后，傳感器節(jié)點將土壤信息（土壤溫度、濕度、含水量以及空氣中CO2濃度、光照強度）和農(nóng)田的營養(yǎng)信息沿著與原始路徑相反的方向發(fā)送回上位機。上位機獲得土壤信息后，通過農(nóng)田專家系統(tǒng)制定供水、給肥、給藥的控制策略，通過上位機向網(wǎng)關(guān)發(fā)送命令，網(wǎng)關(guān)根據(jù)約定的幀定義進行命令類型判斷并進行相應(yīng)的控制動作。傳感器節(jié)點示意圖如圖3所示。
系統(tǒng)硬件設(shè)計
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點組成，它們是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元和平臺。傳感器節(jié)點負責采集農(nóng)田土壤信息，網(wǎng)關(guān)負責控制所有傳感器節(jié)點的操作、存儲以及處理相關(guān)數(shù)據(jù)，并控制各種外圍設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的動作。傳感器節(jié)點的硬件設(shè)計本系統(tǒng)采用一款基于ARMCortex－M內(nèi)核STM32系列的32位的微控制器（STM32F103C8T6），它提供了兩個12位ADC、三個通用16位定時器和一個PWM定時器。射頻模塊采用TI公司生產(chǎn)的CC2430芯片設(shè)計。CC2430符合2.4GHz的IEEE802.15.4標準。它還集成了8位微處理器、VCO、LNA、PA和內(nèi)部電源穩(wěn)壓器。為了形成完整的射頻模塊，外圍電路需要32MHZ晶體振蕩器XTAL1為內(nèi)部微處理器提供時鐘源。RF部分需要提供精確的電感、電容和PCB微波傳輸線，以匹配RF輸入和輸出的阻抗。CC2430的串行端口引腳連接到STM32的UART串行端口引腳。無線射頻模塊硬件原理圖如圖4所示。獲取影響作物生長的作物生長信息和環(huán)境信息是精確作物管理的基礎(chǔ)，在作物生長、發(fā)育、質(zhì)量和產(chǎn)量方面發(fā)揮著非常重要的作用。因此，為了滿足農(nóng)田多參數(shù)監(jiān)測的需要，選擇了影響作物生長的七個環(huán)境因素，如空氣溫度和濕度、CO2濃度、土壤溫度、濕度、pH值和養(yǎng)分值。由于農(nóng)田監(jiān)測的惡劣環(huán)境條件和不可控因素的存在，如高溫、高濕度和高太陽輻射，所以采用具有抗干擾、防水和耐腐蝕的傳感器，另外還需要小尺寸、方便集成以及低功耗來延長其使用壽命。各傳感器特性如表1所示。網(wǎng)關(guān)及外設(shè)電路硬件設(shè)計在農(nóng)田灌溉區(qū)、面積大、地形復雜，因此很難使用有線電源為系統(tǒng)供電，所以該系統(tǒng)選擇的電磁閥是脈沖型電磁閥，該電磁閥的主要特點是可以通過瞬時脈沖信號實現(xiàn)電磁閥的切換控制，非常適合農(nóng)田灌溉。本系統(tǒng)采用ULN2003芯片進行控制電磁閥的開關(guān)，通過網(wǎng)關(guān)可以直接控制繼電器和脈沖式電磁閥，ULN2003芯片采用5V電壓進行供電。控制電路部分硬件圖如圖5所示。系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)中的無線射頻模塊及其硬件原理圖與傳感器節(jié)點中的無線射頻模塊相同。以太網(wǎng)接口芯片使用美國Microchip公司的獨立以太網(wǎng)控制器ENC28J60。它使用速度高達10Mb/s的SPI三線接口作為通道，取代了以前的并行接口，方便了與處理器的連接，大大降低了PCB布線的復雜性。電源硬件設(shè)計由于本系統(tǒng)高效率低能耗，因此在傳感器節(jié)點以及網(wǎng)關(guān)的處理器處采用太陽能18V供電，在網(wǎng)關(guān)控制的外設(shè)采用市電進行供電，此搭配可以有效節(jié)約開支，降低產(chǎn)品成本，便于系統(tǒng)的推廣。該部分主要使用正向低壓降穩(wěn)壓器AMS1117－3.3和AMS1117－5.0進行3.3V和5V穩(wěn)定電壓輸出。電源硬件原理圖如圖6所示。
系統(tǒng)軟件設(shè)計
本系統(tǒng)采用比例電磁閥的調(diào)節(jié)來維持主管道內(nèi)的壓力，以保證噴灌滴灌系統(tǒng)穩(wěn)定。液體肥以及藥液的濃度分別由比例混合注肥泵和比例混合注藥泵進行精確調(diào)節(jié)，從而達到精準灌溉施肥施藥的效果。本系統(tǒng)根據(jù)前人經(jīng)驗采用模糊控制算法進行調(diào)節(jié)比例電磁閥的開度繼而控制管道內(nèi)的壓力；系統(tǒng)分為傳感器節(jié)點和網(wǎng)關(guān)，要使兩部分能夠協(xié)調(diào)工作，兩個系統(tǒng)軟件必須能夠相互配合，相互協(xié)調(diào)；PC端主要的目的是人機交互，用戶可以通過PC端監(jiān)測并且控制整個系統(tǒng)的運行，良好的人機交互是系統(tǒng)正常運行的前提。由于本系統(tǒng)高效率低能耗，因此在傳感器節(jié)點以及網(wǎng)關(guān)的處理器處采用太陽能18V供電，在網(wǎng)關(guān)控制的外設(shè)采用市電進行供電，此搭配可以有效節(jié)約開支，降低產(chǎn)品成本，便于系統(tǒng)的推廣。該部分主要使用正向低壓降穩(wěn)壓器AMS1117－3.3和AMS1117－5.0進行3.3V和5V穩(wěn)定電壓輸出。電源硬件原理圖如圖6所示。系統(tǒng)軟件設(shè)計本系統(tǒng)采用比例電磁閥的調(diào)節(jié)來維持主管道內(nèi)的壓力，以保證噴灌滴灌系統(tǒng)穩(wěn)定。液體肥以及藥液的濃度分別由比例混合注肥泵和比例混合注藥泵進行精確調(diào)節(jié)，從而達到精準灌溉施肥施藥的效果。本系統(tǒng)根據(jù)前人經(jīng)驗采用模糊控制算法進行調(diào)節(jié)比例電磁閥的開度繼而控制管道內(nèi)的壓力；系統(tǒng)分為傳感器節(jié)點和網(wǎng)關(guān)，要使兩部分能夠協(xié)調(diào)工作，兩個系統(tǒng)軟件必須能夠相互配合，相互協(xié)調(diào)；PC端主要的目的是人機交互，用戶可以通過PC端監(jiān)測并且控制整個系統(tǒng)的運行，良好的人機交互是系統(tǒng)正常運行的前提。模糊控制器設(shè)計為了保證噴滴灌用水以及施肥施藥濃度，采用模糊控制技術(shù)實現(xiàn)農(nóng)田的精準控制。通過制定模糊控制規(guī)則控制給水閥門開度，以保證管道壓力穩(wěn)定；通過調(diào)節(jié)給水比例電磁閥開度實現(xiàn)給水噴滴灌土壤濕度控制。本系統(tǒng)采用多輸入單輸出的多維常規(guī)模糊控制器，該控制器的輸入變量為主管道的多點管道壓力，輸出量設(shè)定為比例電磁閥的開度u。在模糊控制器中設(shè)其輸入模糊語言變量為e，輸出語言變量為U。將主管道壓力偏差e分為5個模糊集：{NB，NS，ZO，PS，PB}，對應(yīng)的物理狀態(tài)分別為{主管道壓力采樣值遠低于設(shè)定范圍下限，主管道壓力采樣值微低于設(shè)定范圍下限，主管道壓力采樣值在設(shè)定值范圍內(nèi)，主管道壓力采樣值微高于設(shè)定范圍上限，主管道壓力采樣值遠高于設(shè)定上限}。寫出主管道壓力變化模糊控制規(guī)則如表2所示。根據(jù)現(xiàn)場實際操作經(jīng)驗制定模糊控制規(guī)則如下：（1）當主管道壓力采樣值遠低于設(shè)定范圍下限，將比例電磁閥閥門全開；（2）當主管道壓力采樣值微低于設(shè)定范圍下限，將比例電磁閥閥門開；（3）當主管道壓力采樣值在設(shè)定值范圍內(nèi)，將比例電磁閥開至半開；（4）當主管道壓力采樣值微高于設(shè)定范圍上限，將比例電磁閥開至開；（5）當主管道壓力采樣值遠高于設(shè)定上限，將比例電磁閥關(guān)閉。將輸出即比例電磁閥的開度U分為5個模糊集為{OF，OB，OM，OS，CL}，對應(yīng)的物理狀態(tài)分別為{比例電磁閥全開，比例電磁閥大開，比例電磁閥半開，比例電磁閥微開，比例電磁閥關(guān)閉}，比例電磁閥的開度U的論域為{0，0.5，1，1.5，2}。得到輸出比例電磁閥開度U的模糊規(guī)則如表3所示。對模糊推理得到的模糊集合，采用最大隸屬度法對其進行反模糊化。系統(tǒng)程序設(shè)計MCU系統(tǒng)程序采用KeilC語言編寫，主要實現(xiàn)基于Zig－Bee技術(shù)的短距離無線收發(fā)功能和外圍設(shè)備的運行，完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能的管理。系統(tǒng)上位機以組態(tài)軟件技術(shù)開發(fā)了人機交互界面，具有手動和自動切換、動態(tài)實時參數(shù)值顯示等功能。系統(tǒng)實時顯示土壤溫度、濕度和含水量，閥門運行狀態(tài)和事故報警等信息，可切換顯示現(xiàn)場運行情況以及電氣設(shè)備運行狀態(tài)。傳感器節(jié)點程序的流程圖如圖7所示，網(wǎng)關(guān)程序的流程圖如圖8所示。
結(jié)語
本系統(tǒng)通過傳感器節(jié)點獲取節(jié)點位置的農(nóng)田土壤信息，專家系統(tǒng)可依據(jù)土壤信息等評估農(nóng)田土壤狀態(tài)并給出相應(yīng)的控制策略，用戶可以根據(jù)農(nóng)田土壤狀況實現(xiàn)噴、滴灌切換。基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)噴滴灌共存，能夠適應(yīng)多種作物的灌溉需求；有利于實現(xiàn)作物的倒茬輪作，土壤保護的作用；灌溉與施肥、灌溉與噴藥融為一體，實現(xiàn)精準灌溉施肥、施藥，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉自動化。
作者：荊黎明 徐穎 侯強 田思慶 單位：佳木斯大學信息電子技術(shù)學院
