基于双模控制算法的智能灌溉系统设计与实现

黄天龙 黄妙芬 连锐鸿 杨浩铭 赵志敏

摘  要：对农作物不能按需灌溉、浪费大量水资源的问题进行了研究，设计了一种基于自动闭环双模控制算法的智能灌溉系统。该系统引入物联网技术，将灌溉设备与用户网关、湿度传感器和阀门控制器连接起来，采用自动闭环双模控制算法，智能分析湿度传感器采集的土壤湿度信息，动态调整灌溉量。根据土壤湿度进行精准灌溉，减少水资源浪费。

关键词：物联网技术;自动闭环双模控制算法;土壤湿度信息;精准灌溉

中图分类号：TP311.1                   文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）15-0009-05

Abstract： The problem of crops cannot be irrigated on demand and wasting a lot of water resources is studied， and an intelligent irrigation system based on Automatic Closed-loop Dual-mode Control Algorithm is designed. The system introduces the Internet of Things technology， connects the irrigation equipment with the user gateway， humidity sensor and valve controller， adopts an Automatic Closed-loop Dual-mode Control Algorithm， intelligently analyzes the soil humidity information collected by the humidity sensor， and dynamically adjusts the amount of irrigation. Carry out precise irrigation according to soil moisture to reduce water waste.

Keywords： internet of things technology; Automatic Closed-loop Dual-mode Control Algorithm; soil moisture information; precision irrigation

0  引  言

水是一種重要的自然资源，广泛应用于社会主要生产力的经济活动和人们的日常生活。它是自然资源不可分割的重要组成部分。随着当今世界国民经济快速健康发展，人口不断实现快速增长，城市不断增加和扩大，各地用水量不断增加。因此，作为大规模的农业灌溉，用水效率和生产力必须大大提高。

快速提高农业用水效率的潜力和需求并存。有必要制定精心设计的水资源管理战略并实施旨在提高用水效率和生产力的计划。此外，日益严重的水污染导致水资源短缺。如何节约水资源成为研究的热点。

近年来，国内外众多学者对温室自动灌溉进行了大量研究，并取得了一定的成果。典型成果包括：程文锋等的PLC和触摸屏在自动喷灌控制器中的应用[1]、任文涛等的新型温室空间节点式集雨渗灌低压自动控制灌溉系统软件设计与技术实现[2]、袁巧霞等的温室节点集雨及渗灌低压自动化渗透式灌溉系统可行性研究[3]等。多项研究成果已应用于部分商品果园和高端温室的灌溉管理系统。

在众多灌溉算法中，戴薛提出的自动闭环双模控制算法[4，5]适用于以土壤含水率为控制对象的灌溉控制系统，属于自动闭环控制。该算法能有效控制土壤含水率，及时适量灌溉，满足精准灌溉的要求。同时，该算法使灌溉系统不仅节约了水资源，还节省了维护成本。

1  系统设计

系统设计包括水管铺设、硬件系统组网、智能灌溉算法、Android程序功能模块四个方面。

1.1   水管铺设方案设计

在计算机上制作坐标图，如图1所示，此坐标图以A、B、C、D为界。每个灌溉设备的灌溉半径约为8 m，可以覆盖所有区域。在坐标图由两部分组成：一种是线段，包括主线段与子线段，其中主线段为主输水管道，如图1中H点到B点的线段I，子线段即为子水管，如图中的J、L;另一种是坐标点，即为灌溉设备的坐标点，如图中坐标点E、F、G、H。引入线性的回归思想，为了得到最大化的利用效率，需要主线段在经过坐标图时，尽可能地拟合所有的坐标点。首先做一条线段，使该线段经过坐标图中任意两个距离最远的坐标点，如图中线段I，经过相互距离最远的坐标点F、H，然后分别在坐标点E、G作线段I的垂线，垂足恰好均为坐标点K，两条垂线如图中线段J、L。由于两点之间线段最短，易知线段I、J、L的长度之和最小，即主线段与子线段长度之和最小。由于每个灌溉设备的灌溉半径约为8 m，根据这种灌溉设备铺设方案，灌溉范围可以覆盖所有区域。这时，水管利用效率达到最大化。

对主线段位置进行线性回归分析时，选择平均性能最好的快速排序算法[6]，如图2所示。在图2中，将每个坐标点的横坐标值作为一条数据保存在一个数组中。在数组中随机指定一个数作为参考数，将数组进行拆分。通过单次排序，使左边的数据小于参考数，右边的数据大于参考数。这样可以快速对数据进行排序，整个排序过程递归进行。多次排序后，整个数组就有序了。如果数组有奇数个数据，取出索引为“（数据长度-1）/2”的数据，即中位数;如果数组有偶数个数据，取出索引为“数据长度/2-1”的数据和索引为“数据长度/2”的数据，它们的平均值就是中位数。通过快速排序算法可以得到最佳的主线段位置，可以求出主线段位置为图1中的线段M。

1.2   硬件系统组网方案设计

本系统硬件主要由用户网关、灌溉设备、湿度传感器、阀门控制器、LoRa模块[7]和ZigBee模块[8-12]组成，如图3所示。因此，有必要研究它们之间的组网方案和连接方式。包括：（1）采用CSMA/CA载波侦听多点无线接入/ 冲突检测的无线分布式组合联网解决方案。（2）使用更抗数据传输干扰、更低功耗的LoRa模块将灌溉设备连接到用户网关。（3）使用延时短、自组网能力强的ZigBee模块将灌溉设备连接到阀门控制器。（4）使用运行稳定、高速的RS-485总线[13]将灌溉设备连接到湿度传感器。

1.3  智能灌溉算法设计

采用开关控制与模糊控制相结合的自动闭环双模控制算法。该算法适用于以土壤含水率为控制对象的灌溉系统，由保护控制、开关控制和模糊控制三部分组成。反复使用算法进行测试，设计和控制各种参数，包括土壤含水率最低阈值、系统误差判断参数、传感器对应阀门开关状态等，最后通过智能灌溉算法达到精准灌溉的目的。

1.4  Android程序功能模块设计

本系统的程序设计为在Android设备上安装和运行，包括客户端和服务器端，分别由用户和管理员来控制不同的属性。客户端包括四个模块：用户模块、灌溉模块、恢复设置模块和程序更新模块;服务器端包括：管理员模块、用户模块、灌溉模块、备份设置模块和程序更新模块五个模块。

2  系统实现

2.1   测试地块的选择

选择一个约20 m×20 m的测试地块，并在附近选择一个与测试地块相当的参考地块。在这两个地块中，传统的灌溉作业必须已经存在。首先在本次测试的地块中进行物理环境模型建模，建立一个基本便于利用计算机网络进行物理路径环境规划的虚拟环境搜索模型，即将实际中的物理相互空间抽象为一个基本可以通过搜索算法进行处理的虚拟抽象相互空间，实现相互空间映射;其次，路径规划搜索模型是以物理环境模型为数据基础的搜索模型，采用一种神经网络搜索算法、A*算法、遗传算法等算法，以寻找适合铺设水管的路径为核心，利用最优算法对预定的性能函数进行优化以获得最优值。最后，再次平滑路径，使其成为可行的铺设路径。

2.2   水管铺设

由于整个灌溉系统是通过水管串联起来的，所以需要使用平均性能最佳的快速排序算法来布置水管出口，以有效减少水管的总长度，最大限度地提高实际效率。

2.3  组网方案确定

采用CSMA/CA载波侦听多点接入/冲突检测的分布式组网方案。该方案可用于低速率和不频繁传输的数据网络。使用支持远距离数据传输、抗干扰、低功耗的LoRa 模块连接灌溉设备和用户网关。使用这种方法可以降低网关路由算法的复杂度，根据最优父节点和下一跳算法减少路由表的大小和数据包的长度。如果使用ZigBee模块组网，当实际传输距离大于大规模传输距离时，将无法连接。因此，在这种连接方式下，不使用仅支持短距离传输的ZigBee模块组网。但是，在连接灌溉设备和阀门控制器时，使用ZigBee模块，因为它具有较短的延迟和强大的自组织网络能力。此外，使用运行稳定、通信速率高的RS-485总线连接灌溉设备和湿度传感器。在这些组网方案的基礎上，进一步优化，权衡运行速度和缓存空间的时间、空间复杂度，经过反复测试，取得了很好的组网效果。

2.3.1  湿度传感器组网方案

选择适合无线局域网的CSMA/CA载波侦听多点无线接入/冲突检测协议将湿度传感器接入网络。该检测协议的主要工作流程为：（1）首先对信道上的信号进行检测，判断是否正在使用。如果信道空闲，那么随机等待一段时间后再次发送数据。（2）如果收到发送数据的接收端正确接收得到数据确认帧，经过一段时间的等待后，向发送端发送一个数据确认帧ACK。（3）如果发送端收到ACK帧，确认数据信号正确传输，一段时间后发送数据。该通信协议的基本要求，是避免通信设备在检测时发生通信数据传输冲突[14]，因此采用了两种检测方法：（1）当检测到信道空闲时，不会立即开始数据传输，而是等待一段时间后再发送数据;（2）先发送小信道检测帧RTS。如果接收到最近的接入点的帧数据中有CTS，则认为在发送时间内的信道是空闲的，然后发送数据。这两种方法的目的是避免湿度传感器之间过度干扰，影响系统运行。

2.3.2  灌溉设备组网方案

采用基于模糊系统控制的开关控制组成的自动闭环双模控制算法。系统通过无线通信模块定时向灌溉设备发送数据采集请求;灌溉设备分析系统请求，通过RS-485总线向相应的湿度传感器发送数据采集请求;湿度传感器通过RS-485总线采集土壤水分数据返回给灌溉设备，然后由灌溉设备返回系统;系统根据控制算法对土壤含水量数据进行分析处理，并根据处理结果向灌溉设备发送阀门切换请求。灌溉设备通过ZigBee模块向阀门控制器发送阀门切换请求;阀门控制器控制阀门的开启和关闭状态，并通过ZigBee模块将相关信息返回给灌溉设备，再返回给系统。这样的重复构成了一个自动闭环双模控制灌溉系统。

每个湿度传感器测量土壤水分的有效范围为直径约20 cm，每个灌溉设备灌溉输出水的有效范围为直径约8 m。经研究，在20 m×20 m的测试地块内，平均分布6套设备（每套设备包括灌溉设备、湿度传感器和阀门控制器各一个）作为数据实现工具;使用2套模块（每套模块包含LoRa模块和ZigBee模块各一个）作为数据传输工具;用户网关作为传输枢纽工具。

在完成测试地块的所有工作并分析结果后，随机选择一套设备和一套模块，用于移植部署到参考地块，本次部署以上述组网方案为逻辑。同时，使用另一个用户网关，同时将参考地块改为测试地块2，即视作不同的用户。测试地块对应的用户和测试地块2对应的用户在服务器端上设置为两个独立的用户，使用两个用户账号登录客户端，测试相关数据是否相互独立。

2.4   数据库设计与规划[15]

在单个数据库中使用不同的表[16]来存储不同用户的数据，从多方面优化MySQL数据库的性能。包括：（1）尽量选择最适用的每个字段属性：例如尽可能精确设置表格中每个字段的最大宽度，以保证在能够满足实际数据使用需要的基础上，减少不必要的存储空间。（2）尽量减少使用子查询，使用连接替代子查询，因为使用连接比子查询更高效。需要在内存中创建一个临时连接表来完成这个两步逻辑的查询。（3）尽量使用索引，因为索引通常建立在用于JOIN、WHERE、ORDERBY的字段上。

2.5  Android程序功能模块开发[17]

2.5.1  客户端

客户端主要功能模块有：

（1）用户模块：实现用户登录功能、用户信息修改功能，界面如图4所示。

（2）灌溉模块：实现灌溉参数显示、修改功能，界面如图5所示。

（3）恢复设置模块：实现恢复灌溉默认参数功能，界面如图6所示。

（4）程序更新模块：实现OTA 更新、安装包更新功能，界面如图7所示。

2.5.2  服务器端

管理员模块：实现管理员登录功能、管理员信息修改功能。

用户模块：实现用户注册功能、用户信息修改功能。

灌溉模块：实现灌溉参数显示功能、灌溉参数修改功能。

备份设置模块：实现用户信息默认设置备份功能，用户灌溉参数默认设置备份功能。

程序更新模块：实现更新推送功能。

3  结  论

本文设计了一种基于自动闭环双模控制算法的智能灌溉系统。本系统硬件由用户网关、灌溉设备、湿度传感器、阀门控制器、LoRa模块和ZigBee模块组成，软件由Android开发的客户端、服务器和MySQL数据库组成。引入自动闭环双模控制算法，利用物联网技术监测土壤水分信息，实现实时监测并上传多种信息，快速响应灌溉作业，提高水资源利用率，实现精准灌溉。用户可以从客户端查看和操作某个区域的土壤含水率，同时可以对数据进行处理和分析。特别是在作物的不同生育期，用户可以优化和修改灌溉阈值和灌溉时间。该系统不仅可以满足温室短距离灌溉，也可以满足大面积、长距离室外灌溉的要求。它具有应用广泛、成本低、操作简单的特点。

系统未来的发展可以从多个角度出发：（1）太阳能电池板可作为低压电源，保护环境。（2）上述数据库中存储的参数由机器分析，并通过流行的人工智能技术进行优化，以增加数据的价值。（3）探索更高效的算法实现，优化效率。

参考文献：

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[3] 袁巧霞，蔡月秋.温室集雨及低压自渗灌溉可行性研究 [J].农业机械学报，2006（4）：155-157+110.

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作者简介：黄天龙（2001—），男，汉族，广东河源人，本科在读，研究方向：农业资源与环境信息采集;通讯作者：黄妙芬（1963—），女，汉族，广东汕头人，教授，博士，研究方向：海洋信息采集与处理。

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