温室滴灌设备控制系统的研发

王程民， 何时剑， 万 薇

(淮安信息职业技术学院，安徽 淮安 223003)

0 引言

中国是农业大国，解决农业灌溉用水的问题可有效地缓解水资源的紧张。滴灌是农业灌溉最理想的技术。在滴灌系统中合理实施智能控制技术，不仅解决水分的渗漏和损失，而且节省劳力，降低成本[1-5]。

模糊控制是利用模糊数学的基本思想和理论的控制方法。模糊控制的核心部分是模糊控制器[6-12]。它的控制规则在单片机中实现，传感器进行采样，并将获取到的被控制量传递给单片机，然后将此信号量与给定值进行比较，得到的误差信号标记为E(在此作为误差反馈)。一般情况下，误差信号E作为模糊控制器的输入量。误差信号精确量E以适当的比例进行模糊化变成模糊量，用相应的模糊语言表示误差E的模糊量。至此，得到误差E的模糊语言集合的一个子集e。再由e和模糊控制规则R(模糊关系)根据推理合成规则进行决策，得到模糊控制量 u为:u=e·R(“·”指代某种算法)[13-15]。其基本原理见图1。

图1 模糊控制的基本原理图

1 硬件系统设计

1.1 系统的工作原理

本控制系统硬件的总体结构如图2所示，由上位机(中央监控机)、通信模块、传感器和多个下位机工作站组成。

图2 系统硬件的总体结构图

上位机主要实现对采集回来的数据进行显示，数据的存贮以及某些特殊的命令等功能。通信模块负责将传感器检测到的数据传送回下位机。传感器主要的作用是实现实时监测土壤的湿度[6]。

下位机利用RS-485总线接收上位机的各种控制命令和参数设置、实现对滴灌速度和时间的检测和动态显示。当下位机检测到当前的土壤湿度值小于制定的土壤湿度下限值时，则执行相应的模糊控制算法，通过采用单片机产生脉宽调制的脉冲序列，该信号经驱动器放大后驱动电磁阀开关，控制滴灌流量。由于作用在电磁阀上的信号是一系列脉冲，所以电磁阀也只有与之对应的快速切换的“开”和“关”两种状态，从而以开启时间的长短来控制滴灌流量，达到土壤湿度变化的控制，使之保持在要求的控制范围之内[7]。

1.2 数据监控管理中心

监控机采用PC机，它为操作人员提供一个良好的人机界面，而且采用许多保护措施，保证系统安全可靠的运行，特别适合于田间控制恶劣条件下使用。

数据监控管理中心通过计算机的串行口向无线数传模块发送命令，对温室大棚蔬菜田监控终端进行初始化，设置需要采集的温室大棚蔬菜田数据和每日定时送回温室大棚蔬菜田水分数据的时间，然后等待接收数据，或直接发送采集命令，采集温室大棚蔬菜田水分等数据[7]。

室内田监控终端采集完数据后，经单片机MCU单元的处理，利用单片机的串行口通过室内田监控终端的无线数传模块将数据发送到数据监控管理中心，并将数据整理存入实时数据库中。数据监控管理中心根据植物需水规律和生长情况制定符合水利学要求的轮灌计划，并将该计划转换成控制指令发送到大棚监控终端，由单片机驱动对应的电磁阀的开启和关闭。

1.3 通信模块

系统使用的无线通讯模块是RF905无线通讯模块，它主要负责温室大棚蔬菜田监控终端与监控管理中心的数据通信。它的通信信道是全双工的，适合该系统的点对多点的通信方式[9]。

1.4 温室大棚蔬菜田监控终端

监控终端由检测棉田土壤与气象环境的各种传感器、单片机采集控制板、无线通讯模块、电磁阀等组成，完成环境数据的采集、处理、无线数据通信和电磁阀的控制等功能，通过无线数传模块与监控管理中心进行双向的信息传输。

(1)单片机采集控制板。单片机采集控制板完成数据采集、控制电磁阀等功能，它包括AT89S51单片机、A/D转换模块、液晶显示模块、时钟芯片等主要部分。待传感器采集的模拟信号通过A/D转换后，可即时通过液晶显示模块显示出来，同时放入数据缓冲区，等待监控管理中心的命令，若满足特定要求(一般是到达预定时刻或者数据到达临界值需要报警)则将指令通过无线数传模块传送到数据监控管理中心。

(2)土壤、气象传感器。检测土壤的水分、温度等传感器，检测大气的温度、湿度、风速、光照、雨量等传感器。所有传感器经各自的信号调理变送器将土壤、大气等环境参数均转换为电压信号，再经过单片机采集控制板的A/D转换器最后变成数字信号。系统采用STH-01型土壤水分传感器，它是高精度、高灵敏度、抗干扰能力强、传送距离远的测量土壤水分的传感器。

(3)电磁阀。电磁阀在不通电的情况下阀常闭，通电后阀开启。单片机采集控制板通过控制继电器的打开与关闭，从而控制电磁阀的启闭[6，12]。

2 软件设计

滴灌控制系统是一个较复杂的主从分布式控制系统，其软件需要采用模块化设计，每个模块完成各自的功能，由上位机以命令的形式统一调用，其系统结构如图3所示。本系统上位机程序采用VB语言编写，给用户很好的人机交流界面。它实现了系统参数设置与修改、数据接收与存贮、实时数据显示、下位机工作状态查询、数据的综合管理等功能。下位机采用的C语言编写，它可以实现对硬件的控制，操作方便。下位机软件可分为3个独立的模块，分别是主程序、模糊控制器模块、串口通信模块。

图3 系统结构图

主程序根据上位机命令或键盘响应进行下位机各项操作的调度及监控。模糊控制器模块有包括点滴速度参数采集与模糊化程序、模糊判决程序、模糊控制判决表及相关控制程序等多个子模块。参数采集与模糊化模块完成点滴速度的采集与模糊化处理等控制:然后由模糊判决程序根据模糊判决表做出控制选择;再由控制程序输出控制信号。串口通信监控模块完成上下位机数据的接收与发送，并按照通信协议对上位机命令进行“翻译”，并完成相关操作[3，6，8]。

3 结语

温室滴灌设备控制系统的研究与开发，通过无线数传模块实现数据通信，通过采样获得的数据进行模糊控制，使温室大棚蔬菜田的滴灌变的十分可靠，并有效的节约水资源。系统实现简单、成本低、可靠性高，且将智能控制技术运用与农业生产，促进了农业的发展，缓解了水资源短缺的问题，使得该系统在长距离数据监控系统中具有较大的推广价值。

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