智能綠植灌溉電動球閥系統設計概述

楊鵬飛

摘 要 我國是幅員遼闊的大國，東西部氣候相差特別大，西部特別是西北地區常年干旱雨水不足，城市建設的綠植成活率很低，大大影響西北部城市居住條件。目前，很多地區仍依靠“人工模式”來手工啟停泵、閥。為此，設計一套智能化的電動球閥控制系統，不僅能按照綠植的生長需求，還能解決遠程監控球閥、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。

關鍵詞 智能綠植灌溉，電動球閥，系統設計

1 電動球閥的多模式控制要求

①為了方便用戶進行控制，實現人機交互，該控制系統需支持球閥的手動與自動兩種控制方式，加裝手輪機構即可實現手動。在自動方式下，需要支持就地與遠程控制兩種模式。管理員就地通過觀察和設置球閥或者手機上網實現球閥的遠程監測。②為了達到智能化的效果，在每塊綠化設置的就地控制裝置需要能夠實時反映當前綠植所處的生長環境，還能根據綠植的生長需求，對球閥開度進行智能化的控制，從而滿足綠植對土壤濕度的需求[1]。

2 球閥控制系統設計思路

為了滿足上述球閥的控制要求，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5G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球閥的狀態監測、綠植土壤參數、球閥遠程控制、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球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球閥進行就地啟停智能控制;手機5G模塊主要支持管理員手機上網啟停球閥以及對綠植的狀態監測。

3 球閥現場單片機模糊控制

（1）球閥模糊控制的原理。由于電動球閥的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也很難達到預期的綠植對土壤濕度的要求。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球閥控制系統中，不但能起到節水的效果，而且還能通過對綠植進行合理的灌溉，更有利于綠植的生長發育，達到存活率高的目的。所謂球閥的模糊控制，即對土壤濕度進行采集，經A/D轉化后，利用模糊控制器進行模糊化度量、識別，然后利用專家知識，結合綠植的生長需求，生成模糊規則推理，從而形成模糊決策，然后經過反模糊化輸出精確的球閥開度，達到智能節水灌溉的目的。

3.2 球閥模糊控制系統實現

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球閥模糊控制系統的輸入變量。根據綠植生長期的較佳土壤濕度需求，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。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90s）;設定5個模糊子集分別為{較小，小，適中，大，較大}，隸屬度函數取三角形。②模糊控制軟件實現流程。球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。每塊綠植基地選用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?？刂?，并定時進行參數顯示刷新。

4 球閥組觸摸屏遠程監控

①球閥用單片機控制裝置通信協議。球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城市綠化統一進行監控，因此在這個監控中心將涉及多個單片機球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，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城市綠化的球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。開發的單片機球閥控制裝置支持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#球閥當前的狀態;當單片機控制裝置接收到此信息后，將返回一串信息，表明球閥是“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#球閥，單片機控制裝置接收到此信息后將立即動作。②球閥組遠程群控系統設計。當PLC與就地的球閥控制柜之間能夠進行數據通信后，利用觸摸屏TPC7062K作為現場監控站的球閥監控HMI，通過CP243-1以太網模塊實現PLC與HMI之間的數據通信，采用ModbusTCP/IP協議實現HMI與手機5G模塊或上位計算機之間的信息交互，從而達到遠程監控球閥的目的。

5 系統在寧夏吳忠的應用

將設計好的球閥多模式監控系統應用于吳忠市城市綠化灌溉時發現，該系統目前運行穩定可靠，球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。

6 結束語

針對城市綠植灌溉用球閥手動控制的缺陷進行分析研究，發現對球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，同時還有利于綠植的生長和成活率高。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球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城市綠化示范區的球閥工作狀態監控等智能化的控制模式。

參考文獻

[1] 官平，謝守勇，戴星，等.基于PLC的灌溉控制系統設計[J].節水灌溉，2006（6）：68-69，71.