智能灌溉用電動蝶閥的多模式監控系統設計

李海波 楊國華 付 琛 劉昌珍 趙曉峰

(無錫商業職業技術學院物聯網技術學院，江蘇 無錫 214153)

0 引言

我國是產糧大國，但其生產方法的科技含量卻很低，尤以灌溉模式最為突出［1］。目前，很多地區仍然依靠“經驗模式”來決定灌溉的時間及需水量、依靠“人工模式”來手工啟停泵、開關灌水閥。針對大面積農村集中示范地，若仍采用這種模式進行灌溉，一方面將導致田地的土壤濕度不能很好地與農作物的生長期要求相適應，另一方面還會造成由于忘記開關水閥而造成不必要的經濟損失以及能量消耗。為此，設計一套智能化的電動蝶閥控制系統，不僅能按照農作物的生長需求智能化地控制閥門開度，還能解決遠程監控蝶閥、方便操作等問題，同時還將更加有利于節水節電，具有較大的社會意義和實用推廣價值。

1 電動蝶閥的多模式控制要求

(1)為了方便用戶進行控制，有效地實現人機交互，該套控制系統需要支持蝶閥的手動與自動兩種控制方式。

在手動方式下，蝶閥可以采用專用工具啟閉，尤其在蝶閥出現故障時。在自動方式下，需要支持就地與遠程控制兩種模式。所謂就地控制，即農民在田頭可以自由按下開啟、關閉按鈕對蝶閥進行自動控制;同時也能實時地觀測到蝶閥當前所處的狀態(開到位、關到位、開度等)。所謂遠程控制，則能根據管理人員的權限對蝶閥進行控制(若是管理人員，則其具有最高權限，可以對蝶閥的使用權限進行設置，同時還能遠程上網啟閉蝶閥，觀測蝶閥的狀態;若是農民，則可以通過手機上網實現蝶閥的遠程監測)。

(2)為了達到智能化的效果，在每塊田地設置的就地控制裝置需要能夠實時反映當前農作物所處的生長環境(比如濕度、光照度、水位等)，還能根據農作物的生長需求，對蝶閥開度進行智能化的控制，從而滿足農作物對土壤濕度的需求。

2 蝶閥控制系統設計思路

為了滿足上述蝶閥的控制要求，從人機交互方便、經濟實用、安全可靠等角度考慮，這里采用如圖1 所示的控制系統架構。

圖1 蝶閥多模式控制系統結構框圖Fig.1 Structure of the multi-mode control system for butterfly valve

從圖1 可以看出，本系統主要采用基于無線寬帶通信和以太網的分布式結構。在中心控制站和現場監控站之間形成3G 網絡全覆蓋，在現場監控站與就地控制柜之間采用RS-485 通信方式實現數據交換。其中，中心控制站主要實現遠程蝶閥的狀態監測、田間土壤參數、蝶閥遠程控制、數據保存及相關信息管理工作;現場監控站主要是針對多組蝶閥進行自動控制以及狀態指示等;現場控制柜主要針對現場單個電動蝶閥進行就地啟停智能控制;手機3G 模塊主要支持農民手機上網啟停蝶閥以及對田間的狀態監測。

3 蝶閥現場單片機模糊控制

3.1 蝶閥模糊控制的原理

由于電動蝶閥的調節特性為非線性，且閥門動作和土壤濕度檢測具有一定的滯后性。因此其控制模型很難用精確的數學表達式來描述，采用標準的PID 也很難達到預期的農作物對土壤濕度的要求。由于模糊控制不依賴于系統模型，魯棒性好，所以將這種控制方法引入智能節水灌溉用蝶閥控制系統中，不但能起到節水的效果，而且還能通過對作物進行合理的灌溉，更有利于作物的生長發育，達到增產的目的［2］。

所謂蝶閥的模糊控制，即對田間土壤濕度進行采集［3-4］，經A/D 轉化后，利用模糊控制器(這里采用單片機作為核心控制器)進行模糊化度量、識別，然后利用專家知識，結合農作物的生長需求，生成模糊規則推理，從而形成模糊決策，最后經過反模糊化輸出精確的蝶閥開度，達到智能節水灌溉的目的。其模糊邏輯推理系統結構如圖2 所示。

圖2 蝶閥模糊控制系統框圖Fig.2 Block diagram of fuzzy control system for butterfly valve

3.2 蝶閥模糊控制系統實現

3.2.1 參數模糊化

這里選用了系統檢測的土壤實際濕度T 與土壤濕度給定值Td的誤差以及誤差變化率作為節水灌溉用蝶閥模糊控制系統的輸入變量。根據農作物生長期的最佳土壤濕度需求，經過量化因子量化后，選擇確定其ΔT、ΔET 模糊論域分別為［-1，1］、［-0.2，0.2］，并將其都定義為5 個等級，分別為{負大，負小，零，正小，正大}，分別對應于{NB，NS，ZO，PS，PB}，其隸屬度函數均選擇高斯型。其中ΔET 的隸屬度函數如圖3 所示。

圖3 模糊控制系統輸入量模糊隸屬度函數Fig.3 The fuzzy membership functions of ΔET

把閥門開度作為模糊控制器的輸出變量，論域定義為［0，90］(由于閥門全開需90 s);設定5 個模糊子集分別為{最小，小，適中，大，最大}，隸屬度函數取三角形。

3.2.2 模糊控制規則

蝶閥控制的原則為:當土壤濕度偏差大時，輸出量要向盡量減小偏差的方向選取;當土壤濕度偏差較小時，輸出量要向盡量保持土壤濕度穩定的方向選取，避免超調的情況出現。因此，最終在農學專家的指導下，結合當季農作物的實際情況，經過灌溉實驗，合理地制定本系統的模糊控制規則如表1 所示。

表1 蝶閥模糊控制規則Tab.1 Fuzzy control rules of butterfly valve

3.2.3 模糊控制軟件實現流程

蝶閥的就地控制主要采用單片機為核心，通過利用外置的撥碼開關進行參數設置(模式設定、設備地址、通信協議等)。每塊農田選用5 只SWR-3 型土壤水分傳感器作為土壤濕度采集器，借助于單片機內置的A/D 轉換通道進行土壤濕度的采集與模數轉換，從而通過判斷當前控制柜的工作模式來進行參數設定，實現自動模糊控制或手工啟停控制，并定時進行參數顯示刷新。其軟件實現的流程如圖4 所示。

圖4 蝶閥就地模糊控制軟件實現流程Fig.4 The implementing flowchart of local fuzzy control software for butterfly valve

3.2.4 模糊控制效果

通過將該裝置應用于蘇州太倉某一農田示范基地現場，結果發現各塊田地的蝶閥手工均能靈活啟停控制，當置于自動控制模式時，其田間的土壤設定濕度與當前濕度變化趨勢如圖5 所示。

圖5 田間的土壤設定濕度與當前濕度變化趨勢Fig.5 The setting soil humidity and current humidity varying trend

4 蝶閥組觸摸屏遠程監控

4.1 蝶閥用單片機控制裝置通信協議

蝶閥用單片機控制裝置提供了RS-232 以及RS-485 兩種通信接口模式。由于在現場監控站是針對某一片農田統一進行監控，因此在這個監控中心將涉及到多個單片機蝶閥控制裝置數據上傳與下發的問題。S7-200 系列的PLC 支持自由口通信模式，而所謂的自由口通信就是允許用戶自己定義通信協議設置，如數據長度、奇偶校驗等，其通信功能完全由用戶程序控制［5］。因此，在此采用自由口通信的方式，實現PLC與多個單片機之間的數據通信，然后利用PLC 與觸摸屏之間的以太網通信實現多個田地的蝶閥遠程控制以及狀態監測。這樣，不僅降低了系統開發成本，而且應用方便。

開發的單片機蝶閥控制裝置支持ASCII 碼字符格式進行信號傳輸，其通信的協議為:＜起始符(1 字節ASCII 碼)、地址(2 字節ASCII 碼)、數據長度(2 字節ASCII 碼)、命令或狀態(4 字節ASCII 碼)、CRC 校驗((4 字節ASCII 碼)＞ 結束符(1 字節ASCII 碼))，支持進行狀態查詢以及開關命令發送。

比如，PLC 若發送＜0103020000B844 ＞，則代表PLC 需要查詢1#蝶閥當前的狀態;當單片機控制裝置接收到此信息后，將返回一串信息，表明蝶閥是“正在開”、“正在關”、“開故障”、“關故障”、“開好”、“關好”等狀態。PLC 若發送＜0103020100B9D4 ＞，則代表PLC 遠程關閉1#蝶閥，單片機控制裝置接收到此信息后將立即動作。

4.2 蝶閥組遠程群控系統設計

4.2.1 自由口通信實現

在S7-200 系列的PLC 中，進行自由口通信主要有兩條指令:XMT 以及RCV，分別用于發送和接收數據［6］。在實現PLC 與蝶閥就地控制用單片機裝置進行自由口通信時，主要采用下列流程實現:①首先進行接收參數的設置(起始字符、結束字符)，啟用發送、接收以及定時中斷;②在定時中斷產生時，由上位PLC 發送蝶閥狀態查詢或蝶閥啟閉命令(即設置發送XMT 指令對應的緩沖區內容)，并暫時分離定時中斷;③當發送完成后，立即執行發送中斷，即接收下位單片機控制裝置發出的響應信息;④當信息接收完成后，啟用接收中斷，即對接收的信息進行分解，從而向觸摸屏發送相關的蝶閥狀態;同時啟用定時中斷。

在具體軟件實現的過程中，主要需要解決好兩大問題:①發送或接收信息時出現通信故障，應及時向觸摸屏反饋信息，同時要立即禁用自由口通信，防止出現死機狀態;②由于上位PLC 需要控制多個單片機蝶閥控制裝置，所以在發送信息時需要進行通信協議的定義、信息字符串中校驗碼的計算。

4.2.2 蝶閥組遠程觸控系統設計

當PLC 與就地的蝶閥控制柜之間能夠進行數據通信后，利用人機交互友好、動態效果較強、較為經濟的昆侖通泰觸摸屏TPC7062K 作為現場監控站的蝶閥監控HMI，通過CP243-1 以太網模塊實現PLC 與HMI之間的數據通信，采用Modbus TCP/IP 協議實現HMI與手機3G 模塊或上位計算機之間的信息交互，從而達到遠程監控蝶閥的目的［7-8］。通過對畫面的設計、數據變量的定義、設備的連接、策略的設置，設計出遠程HMI 和手機上網監控工程。這套遠程HMI 和手機上網監控軟件不僅能夠對蝶閥的使用狀況進行設置，并能實時反映多組蝶閥的工作狀態，同時還能檢查蝶閥以及通信線路的故障并加以提示。

5 系統在太倉水利的應用

將設計好的蝶閥多模式監控系統應用于太倉農田灌溉時發現，該系統目前運行穩定可靠，蝶閥控制方式多樣靈活，支持手機、監控站觸摸屏監控以及就地的智能自動控制以及手工開關。同時，田間的土壤濕度與水稻生長期的最佳濕度要求相比，誤差能夠控制在±3.24%左右。與以往人工開關蝶閥方式進行灌溉的電能進行比較發現，泵閥不用長時間開啟，其電能節約近0.008 kW· h/m2。

6 結束語

針對田間灌溉用蝶閥手動控制的缺陷進行分析研究，發現對蝶閥控制進行智能化的設計開發將有利于節約人力、物力以及財力，同時還有利于農作物的生長。為此，提出采用PLC、觸摸屏以及手機模塊等設備，利用多種工業通信模式實現了單個蝶閥的就地手自動控制、片區現場工作站的集中監控以及網上農田示范區的蝶閥工作狀態監控等智能化的控制模式。同時，針對土壤濕度控制穩定性、精確度等問題，研究設計了一種基于模糊控制算法的土壤濕度智能控制。經過實際農田示范區的使用發現，該系統能夠完全滿足控制要求。

［1］ 紀建偉，鄧巍巍，趙毅勇.基于PLC 的稻田灌溉自動控制系統［J］.沈陽農業大學學報，2013，44(3):257-261.

［2］ 匡迎春，沈岳，段建南，等. 模糊控制在水稻節水自動灌溉中的應用［J］.農業工程學報，2011，27(4):18 -21.

［3］ 任玲，翟旭軍，付東岳，等. 基于STC單片機的種苗催芽室溫濕度監控系統設計［J］. 農機化研究，2015(3):157 -160.

［4］王麗，張華，張景林，等.基于Zigbee 和Labview 的土壤溫濕度監測系統設計［J］.農機化研究，2015(8):194 -196.

［5］李磊，齊向東，逄東，等.基于PLC 與PC 自由口通信的蝶閥氣密性檢測控制［J］.機械管理開發，2009，24(1):188 -190.

［6］ 李海波，徐瑾瑜.PLC 應用技術項目化教程(S7 -200)［M］. 北京:機械工業出版社，2012.

［7］ 寇恒.西門子PLC 與HMI 的以太網通訊的應用［J］. 天津職業院校聯合學報，2014，16(5):51 -52.

［8］ 黃建軍，陳西曲.基于Modbus TCP/IP 通信的研究與實現［J］.信息技術，2014(5):162 -164.