基于Mamdani型模糊控制的自動灌溉器設計

陳境峰

（廈門大學，福建 廈門361005）

1 引言

隨著傳統農業逐步向現代化農業的轉變，實現高產、優質、高效以及節能節水的農業生產方式是農業現代化的基本要求。利用現有的工業控制技術，設計一種通過環境系數的采集實現灌溉的合理、自動控制的裝置，對農業現代化具有重要的意義。現有的自動灌溉設備因為算法問題，存在控制精度問題［1，2］。本控制器利用單片機控制技術，通過傳感器采集溫度和土壤濕度，并在軟件設計中加入工業控制中常用的Mamdani模糊算法，將人們的灌溉經驗轉換為程序控制，有效地提高了系統的控制精度。

2 總體結構

在自動灌溉器的整個系統設計中，采用單片機AT89C52作為控制單元，通過對溫度和土壤濕度的采集、處理，實現自動灌溉。

系統的主要結構如圖1所示，將系統分為3個模塊：人機界面、驅動模塊、環境系數采集模塊。系統上電啟動，初始化完成后進入正常工作模式。用戶可通過人機界面，輸入密碼進入參數設置，更改系統參數。溫度傳感器和濕度檢測電路采集環境參數傳給單片機，通過Mamdani模糊算法確定模糊量的值，并根據用戶設置好的各項參數進行判斷，實現對端口的開關控制。

圖1 總體結構

3 Mamdani型模糊控制

1974年Mamdani成功地將模糊控制應用于鍋爐和蒸汽機控制以來，模糊控制器被廣泛應用于各種工業控制領域。其基本思想把操作人員的控制經驗歸納成一組條件語句，生成模糊控制器，對無法獲得精確的數學模型系統給出有效的控制［3］。它的輸入輸出變量都采用模糊集合形式的語言變量表示，具體為：

其中，Ri表示第i條規則，l為總的規則數，，p＝1，2，…，m，Bi，分別是系統輸入、輸出變量所在的模糊集合，xp（k），p＝1，2，…，m為模糊控制系統的輸入變量，y（k）為模糊控制系統的輸出變量［4，5］。

目前，Mamdani模糊控制廣泛應用于工業控制領域，但在農業自動控制領域仍很少使用。控制器包含兩個輸入量和一個輸出量，輸入量和輸出量之間的關系具有高度非線性，無法建立精確的數學模型，故引入Mamdani模糊控制。

4 系統模糊控制器設計

4.1 確定輸入、輸出量

澆灌器利用溫度和土壤濕度傳感器，測出環境中的溫度x∈［0，40］（℃），土壤濕度y∈［620，1 023］（數字量），模糊控制器根據x和y的數據，選擇灌溉時間t∈［0，60］（min）。

4.2 輸入、輸出量模糊化

所有模糊子集都選取三角形隸屬函數［6］。

4.2.1 溫度值模糊化

選用低溫（ST）、中溫（MT）和高溫（LT）3個模糊子集，涵蓋輸入量x的論域［0，40］，隸屬函數如下：

4.2.2 土壤濕度值模糊化

選用含水少（NW），含水中（MW）和含水多（LW）3個模糊子集，涵蓋輸入量y的論域［620，1 023］，隸屬度函數如下：

4.2.3 選定5個模糊子集

選用很短（VS）、短（S）、中等（M）、長（L）和很長（VL）5個模糊子集，涵蓋輸出量t的論域［0，60］，隸屬函數如下：

4.3 建立模糊關系表

根據操作經驗，對溫度和土壤濕度進行組合搭配，可建立9條模糊控制規則，見表1。

表1 模糊關系表

表格中的（1），（2），…，（9），是9條規則的序號，每條模糊規則對應一個F蘊涵關系Ri（i＝1，2，…，9），系統總的模糊蘊涵關系為：

4.4 近似推理

可根據公式（1），求近似推理總輸出。

其中，U＊表示總輸出量，A＊表示輸入量的論域，Rj表示模糊蘊涵關系，Uj表示各條規則下求出的輸出量［6］。

A＊、Rj、Uf3者之間的對應關系參照表1，根據3節中的語言變量表示方法，分別求出U1……U9，最后可根據公式（1）求出U＊，總輸出U＊是個模糊子集，最大隸屬度為0.4，論域為［10，40］（min）。

4.5 輸出量清晰化

采用最大隸屬度法［4～6］，最大隸屬度法最大的特點是計算簡單，在一些控制要求不高的場合，采用最大隸屬度法非常方便。由上可知總輸出的最大隸屬度為0.4，論域為［10，40］（min）。通過前文節中的隸屬函數，求出的最小值為16min，最大值為34min，平均值為25min。

5 硬件設計

5.1 人機界面設計

控制器采用AT89C52單片機，通過74LS374與74LS138對I／O口進行擴展，供人機界面和端口模塊使用。人機界面由6位數碼管、6個LED指示燈和4個按鍵構成。LED指示燈顯示當前工作狀態。4個按鍵功能分別為：確定、返回、上移、右移。用戶可通過按鍵和數碼管對系統的參數進行查詢和設置。

5.2 端口驅動設計

驅動模塊采用24V外部供電電源，外接電磁閥，單片機通過光耦TLP521實現對端口的開關控制，有很好的抗干擾效果。圖2為其中一個端口的電路，端子J22外接24V水閥。

5.3 采集模塊設計

環境系數采集模塊由時鐘模塊、溫度傳感器DS18B20、土壤濕度采集轉換電路構成。時鐘模塊采用PCF8563，外接32.768kHz的晶振，該晶振保證平均誤差可達5min／年，為系統提供準確的時間日期［7］；溫度系數采集采用美國DALLAS公司生產的DS18B20可組網數字溫度傳感器，可提供準確、穩定的環境溫度［1］。

圖3為其中的一路土壤濕度采集電路，本控制器采用電阻法［8］測土壤濕度，有效減少了成本。AD轉換芯片采用TLC1543，該芯片有11路模擬輸入通道，10 位 的 分 辨 率［2］，輸 入 端 通 過 鎖 存 器74LS374接到I／O口。傳感器的制作，用兩根長10cm，直徑3mm的不銹鋼棒，上端固定，間距10cm，兩端分別接入圖3中的J10口，測量時插入土壤中長8cm。模擬量和數字量可通過公式x／1 023＝y／5來處理，其中，x為轉換的數字量，y為采集的模擬量，通過實際測量，得到的數字量范圍為［620，1 023］。

圖2 端口驅動電路

圖3 土壤濕度采集電路

6 軟件設計

6.1 模糊控制器軟件編寫

根據上述算法及求出的輸出量，編寫相應軟件，圖4為流程圖的一部分，程序對照表1，通過對采集的溫度值和土壤濕度值的判斷，選擇灌溉時間。

6.2 系統整體軟件編寫

圖5為系統軟件流程圖。設備開機后進入初始化，通過定時器1對按鍵和數碼管進行掃描，實現實時顯示和按鍵判斷，之后通過時間以及實時采集的溫度、土壤濕度來判斷各個端口是否進行灌溉。在判斷是否灌溉的環節中，引入上文所設計的基于Mamdani型模糊控制的判斷程序，對采集到的溫度和土壤濕度電壓信號進行分析，提高系統的精確度。

圖4 模糊控制器的軟件流程

系統中的參數查看和設置放在按鍵處理環節，用戶必須輸入正確密碼才能進入，可根據當地氣溫、土壤、農作物等情況設置各項參數。參數包括日期時間、各個驅動端口對應的濕度和溫度閥值、查看濕度值內碼等。其中，濕度閥值可根據烘干法［8］確定最佳濕度值，然后對此濕度進行測量，讀取濕度值內碼，用戶就可將此內碼設為閥值。

圖5 整體軟件流程

［1］湯競南，沈國琴.51單片機C語言開發與實例［M］.北京：人民郵電出版社，2008.

［2］盧麗君.基于TLC1543的單片機多路采樣檢測系統的設計［J］.儀器儀表與分析監測，2007（4）：5～6，40.

［3］Haipeng Pan，Jiade Yan.Study of Mamdani Fuzzy Controller and Its Realization on PLC［J］.IEEE the 6th World Congress on Intelligent Control and Automation，Dalian，2006（16）：3 997～4 001.

［4］呂紅麗.Mamdani模糊控制系統的結構分析理論研究及其在暖通空調中的應用［D］.濟南：山東大學，2007.

［5］韓衛華，寧佐貴.Mamdani型常用模糊控制算法間的常用算子關系［J］.四川師范大學學報，2008，31（2）：150～154.

［6］石辛民，郝整清.模糊控制及其MATLAB仿真［M］.北京：清華大學出版社，北京交通大學出版社，2008.

［7］王君勤，馬孝義.PCF8563在智能儀表中的應用［J］.電子測量技術，2005（1）：81～82.

［8］王守宇，田廣軍.土壤水分測量的研究［J］.儀表技術與傳感器，1997（8）：28～30.