基于嵌入式的智能灌溉系统设计

吴启虎 陈瑞

摘 要：针对当前农业灌溉系统的应用不够自动化、智能化等问题，文中提出了一种基于嵌入式的智能灌溉系统。该系统采用嵌入式核心控制器，可提高系统的实时性和智能化水平；运用模糊控制的系统控制算法，对不易建立精确数学模型的控制对象能够进行很好的处理；利用智能移动设备的远程控制器，更好地实现了系统的监控性能。

关键词：智能灌溉；嵌入式控制器；模糊控制算法；智能移动设备

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）01-00-02

0 引 言

随着科技的发展与经济水平的不断提高，人们的生活水平得到了不断改善，人口数量也呈现出不断增长的趋势。人口数量的不断增长，势必会给社会发展带来持续增大的压力，产生一系列尖锐的社会问题。其中，解决粮食紧张的问题迫在眉睫。传统的农业灌溉系统不仅需要消耗大量的人力、物力，而且效率也不高。因此，对原有的灌溉系统进行有效改进，已成为农业灌溉系统发展的趋势。本文采用嵌入式核心控制器件，运用模糊控制算法对各种传感器采集到的数据进行处理，并将处理后的结果作用于控制部件，以提高系统的自动化、智能化水平。同时，本系统利用智能移动设备接收现场采集的信息，并且可以通过智能移动设备实现对系统的远程控制。该系统的设计，对提高系统的灌溉效率及节约用水具有十分重要的意义。

1 系统总体方案设计

本文设计一种基于嵌入式的智能灌溉系统，该系统可利用温度传感器、湿度传感器、风速传感器、光照传感器等对现场的环境信息进行采集，并把采集到的信息传送到嵌入式处理器中。嵌入式处理器利用模糊控制算法对各种信息进行处理，以处理后的结果控制执行机构执行相应的动作，从而实现对整个系统的控制。同时，以智能手机为远程控制设备可随时随地观测采集到的数据，并可对系统实现远程控制。系统的结构框图如图1所示。

2 基于嵌入式的核心处理器和模糊算法

2.1 嵌入式处理器

采用S3C2410處理器，该处理器是韩国三星公司基于ARM920T核开发的嵌入式微处理器，属于中高档32位嵌入式微处理器。其采用哈佛体系结构，内部的程序存储器和数据存储器被分开，具有16 KB的指令Cache和16 KB的数据Cache，采用五级流水线进行工作，使用ARM公司生产的AMBA总线，高速组件采用AHB总线，而低速组件采用APB总线。

对所采集的信号进行处理的过程如图2所示。

2.2 车流量模糊算法

由于灌溉现场的环境复杂，不易建立精确的数学模型，为了更好地对现场的各种信息进行处理，本系统采用模糊控制作为系统的控制算法。

在现场中，每隔一段距离放置一个传感器组，其中的温度传感器用于采集空气中的温度，湿度传感器用于采集土壤中的湿度，风速传感器用于采集现场风速，光照传感器用于采集现场光照强度。最后合成各种传感器采集到的数据。

控制器的输入为温度传感器数据A，湿度传感器数据B，风速传感器数据C，光照传感器数据D，输出为执行机构控制的电磁阀的开度E。对于数据A、B、C、D都分为三个模糊集：SA（温度低）、MA（温度中）、LA（温度高）；SB（湿度低）、MB（湿度中）、LB（湿度高）；SC（光照弱）、MC（光照中）、LC（光照强）；SD（风速小）、MD（风速中）、LD（风速大）。将输出开度E分为五个模糊集：VS（很小）、KS（小）、KZ（中）、KL（大）、VL（很大）。A的论域为{1，2，3}； B的论域为{1，2，3}；C的论域为{1，2，3}；D的论域为{1，2，3}；E的论域为{0，1，2，3，4}。

3 执行机构控制模块

系统采用嵌入式处理器S3C2410作为系统的核心控制模块，以控制系统正常运行。而对于系统的执行机构，本文采用直流伺服电机，该电机具有启动转矩大、调速范围广、容易控制等特点，广泛用于农业和工业控制领域。直流伺服电机的控制对象是电磁阀，电磁阀是在工农业生产中进行控制的设备，是一种用来控制流体的基础元件，能够调节流体的流量及流速。因此，本系统能够对水流速度及开度的大小进行很好地控制。

通过模糊算法处理后的数字量，利用D/A转换器将其转换为模拟量。由于此模拟量的幅值较小，还不足以驱动直流伺服电机，因此，需要外加一个合适的放大电路，将模拟量进行放大后驱动电机转动，从而利用电机控制电磁阀的开度，实现系统的执行功能。执行机构的控制过程如图3所示。

4 远程控制模块

本系统可以实现远程监控，能够随时随地对系统的运行状况进行监视和控制。远程控制设备为智能手机，具有操作方便、携带便捷等特点。系统采集到的数据及处理后的结果数据可以通过3G网络实时发送到智能手机上，同时，操作者也可以通过手机上的一些控制键控制系统执行相应的动作。远程监控过程如图4所示。

5 结 语

本系统以嵌入式处理器为核心控制模块，不仅处理速度快，实时性高，而且具有网络功能，能够实现系统的远程控制。以各种传感器为数据采集器件，能够对现场的各种数据进行采集，实时监测现场环境的变化。以直流伺服电机为执行机构，具有易于控制的优点。以智能手机为远程控制终端，随时随地实现对系统的控制。本系统可以在原有灌溉系统的基础上进行改造，具有成本低、易于维护等特点，在现代农业灌溉系统中具有较大的实用价值。

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