果園精量水肥無線灌溉控制設備設計與應用

張育斌　魏正英　張磊　蔚磊磊　簡寧

摘 要： 針對山丘果園復雜環境，又需大面積分區控制灌溉并集中管理的需求，研制了低成本、低功耗小型無線灌溉控制設備。設備嵌入PID控制、模糊控制和灰色預測控制相結合的控制算法，有效解決時滯現象，進行有效地預測作物的需水量，達到對系統的精確灌溉控制；同時硬件選用低功耗微控制器與雙穩態電磁閥，避免信道擁塞，無線傳輸采用GPRS長距離和NRF2401的短距離相結合的通信方式，系統可準時開啟電磁閥。運行測試結果表明，該系統與傳統控制相比，超調量減少了22.5%，系統的調節時間減少了28.2%；驗證了其在水肥濃度和肥量精量控制中，系統響應速度快和實時性好、穩定、無線通信可靠，提高了水肥灌溉效果。

關鍵詞： 精量控制； 水肥灌溉； 無線通信； 灌溉系統

中圖分類號： TN876.3?34； TN876.3 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）10?0001?04

Abstract： According to complex environment in most mountain orchards and urgent demands of centralized management for zone control irrigation in large area， a low?power consumption and low?cost irrigation control equipment was developed. The control algorithm combining PID control， fuzzy control and grey prediction control equipment is embedded in the equipment， which can effectively solve the time delay phenomenon， predict water requirement of fruit tree， and achieve the precise control of the irrigation. The low power microcontroller and bi?stable solenoid valve are chosen to avoid channel congestion. The wireless communication mode combining GPRS for long distances with NRF2401 for short distance is adopted， which can open the solenoid valve on time. The running test results show that， in comparison with conventional control systems， the overshoot of the system is reduced by 22.5% and the response time of the system is decreased by 28.2%. The system has high response speed， good real?time performance and reliable wireless communication， and has improved the water fertilizer irrigation effect.

Keywords： precise control； water fertilizer irrigation； wireless communication； irrigation system

0 引 言

近幾年來，節水灌溉技術得到了廣泛應用，農業精確灌溉勢在必行，替代傳統灌溉控制器的高精度的灌溉施肥控制設備的設計開發實現了灌溉系統中灌溉與施肥的精準控制[1]。精量灌溉既要控制作物正常生長發育所需的水肥，又要用最少的水肥量獲得最大的純收益。灌溉對象是非線性、大慣性和純時延的一個系統，無法建立精確與統一的灌溉模型，傳統的控制方法受到挑戰[2]。而模糊控制不需要建立被控對象的數學模型，魯棒性強，能有效改善時變與非線性問題[3?4]，但存在大時滯現象。

無線滴灌控制技術發展速度較快，面向精確灌溉無線傳感器網絡、水稻節水灌溉無線遠程監控系統、農田自動灌溉無線監控系統也應運而生[5?6]。具體系統大概分為兩類：一類是基于TI CC芯片系列、非開源Z?Stack固件庫與ZigBee協議實現組網控制；另一類則是基于GSM或GPRS通信模塊實現遠距離控制。

本文結合PID控制器的控制效果、采用模糊控制改善其非線性的控制效果，運用灰色預測控制解決大時滯現象，并考慮果園環境情況，選擇低功耗的STC15和NRF24L01開發無線模塊，進行無線控制。同時結合上述技術開發精量水肥無線灌溉控制機，進行仿真分析和實驗驗證水肥灌溉效果。

1 系統總體設計方案

水肥精量灌溉控制系統的設計需要考慮各方面功能需求，只有滿足按量灌溉、水肥比例混合和控制均勻、及時灌溉和遠程控制等需求的控制系統才能受到農民的歡迎，才能得到推廣使用。本系統總體設計方案如圖1所示。

系統所用到的硬件包括：STM32核心控制板；A/D采樣模塊；觸摸顯示屏；D/A輸出模塊；水、肥流量傳感器；土壤溫濕度傳感器；無線模塊；GSM模塊；電磁閥；肥泵；直流調速器等。

2 灰色預測模糊PID控制技術

2.1 灰色預測控制

考慮農作物需水量易受到氣候因素、土壤墑情等諸多因素的影響，而這些因素部分是可知的，部分卻是未知的，符合灰色研究范疇。

針對這種情況，多因素灰色預測MGM（1，n）可以對其進行有效的預測，預測作物的需水量。灰色預測MGM（1，n）模型是偏微分方程組[7]，其中n表示n個數據序列，而m為每個序列中所含有的m個歷史數據，則有：

2.2 模糊PID控制系統

該控制系統由傳感器采集到精確的模擬量，模糊控制器無法直接加以識別，而是將該模擬量進行模/數轉化，并將結果按一定規則轉化為模糊語言。

在二維模糊控制中，分別以偏差和偏差的變化率進行定義，即將偏差映射到輸入論域的模糊集合上為偏差E，同理對偏差的變化率進行映射，得其語言變量EC。這樣就通過將偏差以及偏差的變化率在實際情況中的變化范圍進行尺度變換，變換到模糊集體域X上。

3 無線控制模塊設計

3.1 電磁閥及驅動電路

電磁閥是灌溉系統的執行器件，也是系統中功耗最大的部件。為了盡可能降低系統整體功耗[9]，本文選用具有低功耗工作特性的雙穩態電磁閥（型號 ZCS?08P）。相應的電磁閥驅動電路示意圖如圖3所示，它由L9110SH橋電路和MOS 管開關電路兩部分組成。

在驅動電磁閥進行開關動作時，先通過STM32使MOS 管開關電路打開，給 L9110S 芯片供電，再通過STM32的 I/O口控制 L9110S 芯片驅動電磁閥的開關。

3.2 無線通信模塊

短距離無線通信使用433 MHz 的 ISM頻段，該頻段的通信模塊比2.4 GHz 頻段通信模塊具有更遠通信距離[10]。結合無線灌溉控制系統低數據容量通信距離遠的特點，選擇NRF2401通信模塊。模塊和STM32之間通過SPI總線進行無線通信如圖4所示。

遠程通信模塊安裝在水肥精量控制器中，用戶既可遠程調整灌溉參數，也能集中管理。目前常用的4種遠距離通信模塊是：數傳電臺、GPRS DTU、WiFi無線網橋、電力線載波適配器[11]。考慮果園基地情況和農戶的便宜程度，選擇適應性最強且最昂貴的通信方式的GPRS DTU。

4 實驗結果分析

4.1 仿真調試實驗

借助Simulink模塊庫建立了相應的灰色預測模糊PID控制結構，采用階躍輸入信號對水肥灌溉流量控制系統進行常規PID、模糊PID、灰色預測模糊PID控制仿真實驗，得到結果曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，在基于灰色理論與模糊控制的灌溉系統中，流量的控制系統響應曲線平滑、超調量小、系統穩定性好。同時系統響應的上升時間和調節時間都比模糊PID控制和傳統PID控制短，灌溉控制系統能很快地達到穩定狀態，表明灰色預測模糊PID控制有更良好的控制性能和魯棒性。

4.2 水肥濃度精量灌溉實驗

實驗過程中的實際控制效果如圖6和圖7所示。其中紅色曲線表示水路的瞬時流量，綠色曲線表示肥路的瞬時流量。

圖6顯示的是把水路瞬時流量取一個固定值，肥量與之成1∶100的比例，肥路流量的瞬時變化情況，其中剛開始部分是系統啟動后的干擾信號，在肥泵啟動后干擾信號消失。從圖7中可以看出，肥量流量逐漸增大，最后達到一個穩定值，沒有超調量，但是有一定的穩態誤差。從總體上來看，控制效果還算不錯。

根據以上實驗，對響應進行性能分析，得到控制系統性能指標如表1所示。

從以上數據可以看出本系統的控制性能較好，尤其是超調量很小，超調下降了28.2%。這主要取決于肥泵的物理特性，不管給肥泵多高的電壓，肥泵的轉速都是逐漸增加的，在肥泵轉速達到合適值的時候，系統的調節也基本完畢，從而使得超調量很小。

4.3 果園內信號衰落測試

無線信號在阻礙物覆蓋的環境中傳播具有直射、反射、繞射和散射等各種傳播機制均有可能存在。果園測試無線信號的衰減可能會受到植被高度、天線高度、通信距離和植被的繁茂程度等因素的影響。本試驗旨在說明本系統在果園的復雜環境下能夠達到較大的通信距離。測試包括無遮擋和有遮擋，測試的數據如表2所示。因此測試時選用不同增益的天線，測量接收無線信號強度（Reive Signal Strength Index，RSSI）以評估系統性能。

試驗表明，信號衰減與天線增益成線性變換，先快后慢的變化趨勢，通信距離受遮擋物體影響。針對同一增益的天線，無線信號傳輸與現場環境有很大影響，有遮擋下，通信距離有明顯的影響，達到一定距離就無法通信。同一環境下，不同的增益對通信距離也有明顯變化。

表2 系統的性能參數

4.4 精量水肥灌溉機應用

精量水肥灌溉控制機主要由RAM控制器（無線）、流量計、壓力表、電磁閥、泵、過濾器和傳感器及控制軟件、農作物水肥需求數據庫軟件等組成。接入采集的土壤作物含水量和地溫等信息，其水、肥混合為閉環控制，水肥變頻連續控制，實現智能全自動水肥灌溉控制，具有自動和手動控制模式，如圖8所示。

其工作原理為，在現場水分、土壤等傳感器采集農作物缺水肥狀態時，控制器接收信號，并發送指令，開啟進水泵，打開電磁閥，讓水進入管路，水路流量計進行檢測水量，到一定值后反饋給控制器，控制器做出決策判斷，啟動相應的四路營養液所在的肥路泵，開啟電磁閥，進入管路，根據專家系統配比作物所需營養溶液濃度，水肥混合出水管進入現場網絡灌溉，實現精量灌溉。采用本研究灰色模糊控制技術應用該灌溉機，對其進行精量控制，同時融入結合專家經驗對PID的參數進行自動整定，在約5 s后就基本穩定實現水肥灌溉，實時施肥效果明顯，無線通信模塊在本機器運行工作穩定。

5 結 論

本文對系統的控制技術和無線通信方式進行了深入探討，研究了基于灰色理論的模糊PID灌溉控制技術，以及基于GPRS的長距離通信和基于NRF2401的短距離無線通信技術。將研究技術應用于精量水肥控制機上，結果表明系統擁有更強的適應性，良好的控制性能和魯棒性及穩定通信。采用PID控制有效解決了節水灌溉不確定模型問題，采用模糊PID控制成功解決系統的大慣性、非線性的問題，增加多因素灰色預測MGM（1，n），克服了大時滯現象，實現水肥精量灌溉；采用GSM DTU技術解決了果農不在園區期間，可以遠距離對果園進行水肥精量灌溉，采用NRF2401的短距離無線通信技術，可以解決果園區泵站和控制室不在同一地點問題，實現園區內高效方便的水肥精量控制。

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