基于labview的温室灌溉自动控制系统的研究

戚艳艳，肖新棉

（华中农业大学，湖北 武汉 430070）

我国农业水资源利用率低，短缺与浪费现象并存，是当前灌溉农业发展面临的主要问题[1]。节水灌溉是在保证作物正常生长发育的前提下对作物进行适时适量的灌溉，以最少的用水量获得最大的收益[2－3]。实施节水灌溉自动化除了要根据农田状况选择合适的灌溉方式、精确采集和分析农田信息外，还要选择控制方法以及编写程序。对此，国内外开展了大量的研究，除了采用喷灌、滴灌、微灌、波涌灌、湿润灌溉等常规方法[4-6]外，还从作物本身的水胁迫机理等入手研究节水灌溉[7-9]，并在节水控制仪器设备上，应用了PLC控制器[10]、GPS和GIS的变量灌溉控制器[11]等，但是这些系统都是基于单片机语言编程的。如，陈凤、赵春江等设计的基于PLCC技术的农业节水灌溉自动控制器[12]，张泽卉，孙颖，杨耿煌设计的基于GSM短信和无线高频通信的灌溉自动控制系统[13]以及甘露萍，谭雪松，张黎骅设计的基于太阳能和自制土壤湿度传感器的自动灌溉控制系统[14]等等。为了更好地提高水资源的利用率以及灌溉控制的自动化水平，笔者利用虚拟仪器设计了一种温室节水灌溉控制系统，对灌溉用水进行监测预报，实行动态管理，并采用传感器来监测土壤的湿度，实现水管理的自动化。这对提高我国农业自动化水平具有积极促进作用。

1 虚拟仪器简介

虚拟仪器（Virtual lnstrument，简称 V1），是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义，具有虚拟面板、测试功能，由测试软件实现的一种计算机仪器系统[15]。虚拟仪器具有以下的重要特点：强大的数据处理功能；用户可自定义测量功能；易于扩展组成自动测试系统；大大减少了选择转换开关、处理电路、显示装置和连接电缆等硬件；系统重新组建省时间；更新换代时可只作软件的升级，其硬件部分不容易被淘汰[16]。

Labview是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，是虚拟仪器领域中最具代表性的图形化编程开发平台，是目前国际上首推并应用最广的数据采集和控制开发环境之一，主要用于数据采集、数据分析、数据显示和仪器控制等领域，并适用于多种不同的操作系统平台[17]。

2 土壤湿度传感器

在节水灌溉系统中，土壤湿度传感器的使用是灌溉系统能否达到节水目的的关键，土壤湿度传感器的选择成为节水灌溉系统的首要问题。本系统采用AQUA-TEL-TDR土壤水分/温度传感器，它采用先进的TDR（Time Domain Reflectometry with IntelligentMicro-Elements，时域反射技术）原理，适用于测量任何类型土壤的体积含水量，其技术参数如表1所示。

表1 技术参数

土壤湿度传感器的埋入深度，是墒情预测预报的关键问题[18]。系统用于温室蔬菜的灌溉，由于蔬菜根系不深，所以确定湿度传感器的埋入深度为地表下10 cm处。

3 灌溉自动控制系统

农业节水灌溉系统可以对农作物按需水量进行灌溉，通过埋入土壤的湿度传感器来检测土壤的湿度，传感器发出的信号通过电缆传输给电子计算机，对所有这些变化参数进行综合分析以决定是否需要进行灌溉[19]。系统正是根据这个理念进行设计的。

灌溉自动控制系统（见图1）采用的是滴灌的方式，根据作物的实际需求具有以下功能：①能够设定主管流速、灌水时间和灌水间隔时间；②能够显示主管流速、灌水时间、灌水开始时间和灌水时间间隔。湿度传感器测定某一时间需要灌水，则启动电机开始灌溉；当土壤湿度将要达到设定值时，可以根据此时流量表显示的流速计算需水量，从而决定电机的停止时间。

图1 灌溉控制系统简图

3.1 系统硬件组成

系统的硬件主要包括4大部分，由电磁控制阀构成的控制水路通断部分、数字仪表的信息传输部分、湿度传感器输入部分以及控制箱对电机的控制部分，系统硬件的工作过程如图2。

图2 系统硬件运行过程

3.2 系统软件组成

程序采用模块化设计，主要分为：系统设置模块、数据采集模块、数据分析控制模块、数据库模块、数据输出模块、辅助功能模块等6大模块，其中每个模块又由若干小模块组成（如图3）。

图3 软件的组成模块

系统以温室土壤水分采集软件为基础，控制硬件完成数据采集、运算、比较和与其他设备的通讯，了解作物缺水状况，进而做出评价性的结论，并确定是否进行灌溉；保存数据，作出相关表格和谱图，标定作物当前所处状况，并在此基础上优化作物的需水模型。整个过程如图4所示。

图4 系统软件运行过程

3.3 控制算法

控制算法决定了控制系统的精度，因此控制算法的选择是进行控制系统设计的关键因素。由于温室灌溉湿度控制是一个大惯性非线性延时系统，很难对这类系统建立数学模型用经典的控制方法进行控制，而模糊控制作为智能控制领域的重要分支，特别适合于处理这种模型不确定的系统，且设计简单、鲁棒性强，因此本系统采用模糊控制算法来实现温度的调控。

Labview提供了3种模糊关系的计算方法：极大值中心法、质量中心法和极大值平均法。其中中心法适用于决策控制，均值法适用于模型识别，所以在系统中采用质量中心法。

4 小 结

目前在温室灌溉系统中，自动控制已经有了很大程度的应用，对于提高灌溉效率发挥了重要作用。但是这些大都是应用单片机来编写相应的程序，本系统的创新之处在于采用虚拟仪器技术研究开发具有通用性的灌溉控制系统，为作物灌溉的决策控制提供了新的方法。

[1] 高 峰，俞 立，张文安，等.基于无线传感器网络的作物水分状况监测系统研究与设计 [J].农业工程学报，2009，25（2）：107－112.

[2]孙景生,康绍忠.我国水资源利用现状与节水灌溉发展对策[J].农业工程学报，2000，16（2）：1-5.

[3] 张 兵，袁寿其，成 立.国内外节水灌溉自动化技术发展现状与展望[J].排灌机械，2003，（2）：37-41.

[4] Sudheera K P,Panda R K.Digital image processing for determining drop sizes from irrigation spray nozzles[J].AgriculturalWater Management,2000,45：159-167.

[5] 韩文霆，吴普特，杨 青，等.喷灌水量分布均匀性评价指标比较及研究进展[J].农业工程学报，2005，21（9）：172-177.

[6]Dehghanisanij H,AgassiM，Anyoji H,et al.Improvement of saline water use under drip irrigation system [J].Agricultural Water Management,2006,85:233-242.

[7] 张寄阳，刘祖贵，段爱旺，等.棉花对水分胁迫及复水的生理生态响应[J].棉花学报，2006，18（6）：398-399.

[8] 刘 丹，陈祥伟.水分胁迫对银中杨耗水特征与水分利用的影响[J].生态学杂志，2006，25（3）：290-294.

[9] Pellegrino A，Goze E，Lebon E，et al.A model-based diagnosis tool to evaluate thewater stress experienced by grapevine in field sites[J].European Journal of A gronomy,2006,25：49-59.

[10]官 平,谢守勇,戴 星.基于PLC的灌溉控制系统设计[J].节水灌溉，2006，（6）：68-71.

[11]杨 青，庞树杰，杨成海，等.集成GPS和GIS技术的变量灌溉控制系统[J].农业工程学报，2006，22（10）：134-138.

[12]陈 凤，赵春江，郑文刚，等.基于PLCC技术的农业节水灌溉自动控制器的设计与应用[J].节水灌溉，2010，（2）：13-16.

[13]张泽卉，孙 颖，杨耿煌.基于GSM短信和无线高频通信的灌溉自动控制系统[J].节水灌溉，2008，（1）：33-37.

[14]甘露萍，谭雪松，张黎骅.基于太阳能和自制土壤湿度传感器的自动灌溉控制系统[J].节水灌溉，2009，（11）：31-33.

[15]周航慈，朱兆优，李跃忠.智能仪器原理与设计[M].北京：北京航空航天大学出版社.2005.3.

[16]朱文坚，谢小鹏，黄镇昌.机械基础实验教程[M].北京：科学出版社.2005.

[17]陈锡辉，张银鸿.LabVIEW8.20程序设计从入门到精通[M].北京：清华大学出版社.2007.7.

[18]史 岩，李 帆，孙 凯，等.墒情监测中土壤水分传感器埋设位置研究[J].莱阳农学院学报，2006，23（3）：179-184.

[19]汪 洋.多媒体终端的WNCE BSP软件设计[D].杭州：浙江大学，2007.