基于嵌入式的智能灌溉系統設計

吳啟虎 陳瑞

摘 要：針對當前農業灌溉系統的應用不夠自動化、智能化等問題，文中提出了一種基于嵌入式的智能灌溉系統。該系統采用嵌入式核心控制器，可提高系統的實時性和智能化水平；運用模糊控制的系統控制算法，對不易建立精確數學模型的控制對象能夠進行很好的處理；利用智能移動設備的遠程控制器，更好地實現了系統的監控性能。

關鍵詞：智能灌溉；嵌入式控制器；模糊控制算法；智能移動設備

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）01-00-02

0 引 言

隨著科技的發展與經濟水平的不斷提高，人們的生活水平得到了不斷改善，人口數量也呈現出不斷增長的趨勢。人口數量的不斷增長，勢必會給社會發展帶來持續增大的壓力，產生一系列尖銳的社會問題。其中，解決糧食緊張的問題迫在眉睫。傳統的農業灌溉系統不僅需要消耗大量的人力、物力，而且效率也不高。因此，對原有的灌溉系統進行有效改進，已成為農業灌溉系統發展的趨勢。本文采用嵌入式核心控制器件，運用模糊控制算法對各種傳感器采集到的數據進行處理，并將處理后的結果作用于控制部件，以提高系統的自動化、智能化水平。同時，本系統利用智能移動設備接收現場采集的信息，并且可以通過智能移動設備實現對系統的遠程控制。該系統的設計，對提高系統的灌溉效率及節約用水具有十分重要的意義。

1 系統總體方案設計

本文設計一種基于嵌入式的智能灌溉系統，該系統可利用溫度傳感器、濕度傳感器、風速傳感器、光照傳感器等對現場的環境信息進行采集，并把采集到的信息傳送到嵌入式處理器中。嵌入式處理器利用模糊控制算法對各種信息進行處理，以處理后的結果控制執行機構執行相應的動作，從而實現對整個系統的控制。同時，以智能手機為遠程控制設備可隨時隨地觀測采集到的數據，并可對系統實現遠程控制。系統的結構框圖如圖1所示。

2 基于嵌入式的核心處理器和模糊算法

2.1 嵌入式處理器

采用S3C2410處理器，該處理器是韓國三星公司基于ARM920T核開發的嵌入式微處理器，屬于中高檔32位嵌入式微處理器。其采用哈佛體系結構，內部的程序存儲器和數據存儲器被分開，具有16 KB的指令Cache和16 KB的數據Cache，采用五級流水線進行工作，使用ARM公司生產的AMBA總線，高速組件采用AHB總線，而低速組件采用APB總線。

對所采集的信號進行處理的過程如圖2所示。

2.2 車流量模糊算法

由于灌溉現場的環境復雜，不易建立精確的數學模型，為了更好地對現場的各種信息進行處理，本系統采用模糊控制作為系統的控制算法。

在現場中，每隔一段距離放置一個傳感器組，其中的溫度傳感器用于采集空氣中的溫度，濕度傳感器用于采集土壤中的濕度，風速傳感器用于采集現場風速，光照傳感器用于采集現場光照強度。最后合成各種傳感器采集到的數據。

控制器的輸入為溫度傳感器數據A，濕度傳感器數據B，風速傳感器數據C，光照傳感器數據D，輸出為執行機構控制的電磁閥的開度E。對于數據A、B、C、D都分為三個模糊集：SA（溫度低）、MA（溫度中）、LA（溫度高）；SB（濕度低）、MB（濕度中）、LB（濕度高）；SC（光照弱）、MC（光照中）、LC（光照強）；SD（風速小）、MD（風速中）、LD（風速大）。將輸出開度E分為五個模糊集：VS（很小）、KS（小）、KZ（中）、KL（大）、VL（很大）。A的論域為{1，2，3}； B的論域為{1，2，3}；C的論域為{1，2，3}；D的論域為{1，2，3}；E的論域為{0，1，2，3，4}。

3 執行機構控制模塊

系統采用嵌入式處理器S3C2410作為系統的核心控制模塊，以控制系統正常運行。而對于系統的執行機構，本文采用直流伺服電機，該電機具有啟動轉矩大、調速范圍廣、容易控制等特點，廣泛用于農業和工業控制領域。直流伺服電機的控制對象是電磁閥，電磁閥是在工農業生產中進行控制的設備，是一種用來控制流體的基礎元件，能夠調節流體的流量及流速。因此，本系統能夠對水流速度及開度的大小進行很好地控制。

通過模糊算法處理后的數字量，利用D/A轉換器將其轉換為模擬量。由于此模擬量的幅值較小，還不足以驅動直流伺服電機，因此，需要外加一個合適的放大電路，將模擬量進行放大后驅動電機轉動，從而利用電機控制電磁閥的開度，實現系統的執行功能。執行機構的控制過程如圖3所示。

4 遠程控制模塊

本系統可以實現遠程監控，能夠隨時隨地對系統的運行狀況進行監視和控制。遠程控制設備為智能手機，具有操作方便、攜帶便捷等特點。系統采集到的數據及處理后的結果數據可以通過3G網絡實時發送到智能手機上，同時，操作者也可以通過手機上的一些控制鍵控制系統執行相應的動作。遠程監控過程如圖4所示。

5 結 語

本系統以嵌入式處理器為核心控制模塊，不僅處理速度快，實時性高，而且具有網絡功能，能夠實現系統的遠程控制。以各種傳感器為數據采集器件，能夠對現場的各種數據進行采集，實時監測現場環境的變化。以直流伺服電機為執行機構，具有易于控制的優點。以智能手機為遠程控制終端，隨時隨地實現對系統的控制。本系統可以在原有灌溉系統的基礎上進行改造，具有成本低、易于維護等特點，在現代農業灌溉系統中具有較大的實用價值。

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