基于天气预报的智能灌溉模糊控制系统设计

黄 淼，周安妮，何镇琦，宋金城，刘静波

（南京工程学院 信息与通信工程学院，江苏 南京 211167）

0 引 言

我国虽是农业大国，但水资源并不丰富。有资料表明，我国农业用水约占社会用水总量的60%，但其利用率只有45%，与其他先进国家70%～80%的利用率相比，差距明显。在现有18.26亿亩耕地上，大多数仍未采用节水灌溉系统[1]，以致于水资源缺口逐年增加。预计到2030年，人口增加到16亿，水资源缺口达400亿～600亿立方米[2]。

改进相对落后的灌溉技术，提高水资源利用率，采用智能化、精准化灌溉技术是值得推行的方法。模糊控制在农业领域得到了较大发展[3-4]，在当前网络建设较完善，网络技术较成熟的情况下，方便、快捷地获取天气预报数据成为可能。

1 智能灌溉模糊控制

1.1 模糊控制器设计

控制器中的ESP8266作为WiFi模块，可访问天气网站API接口，获取降水量数据与土壤湿度数据，将这两个数据作为输入，通过模糊控制策略设计，控制灌溉电磁阀根据用户需求有选择的输出灌溉用水[5]。

模糊控制器中，一般以降水量RQ和土壤湿度E作为输入数据，灌溉时长或灌溉水量为输出数据[6-7]。本设计以灌溉时长为输出，结合土壤湿度传感器的数据标定数值，制定土壤湿度模糊集划分标准，见表1所列。降雨量RQ模糊集划分标准见表2所列。灌溉时长以0～15 min为标准，制定模糊集划分见表3所列。在此基础上，制定模糊控制表。模糊控制表的制定需结合实际情况，还需访问天气数据API返回数据中的降雨量等级标准，表4为经过调整的模糊控制表。

表1 土壤湿度E模糊集

表2 降雨量RQ模糊集

表3 灌溉时长T模糊集

表4 模糊控制表

1.2 仿真分析设计

本系统运用MATLAB软件对模糊控制进行仿真分析，构建以土壤湿度和降雨量作为双输入，灌溉时长为单输出的系统模型，如图1所示。根据土壤湿度和降雨量的划分等级，模糊规则推理系统共有35条规则，模糊控制规则在MATLAB的制定如图2所示。输入、输出变量采用三角形隶属函数，借助Mamdani推理算法进行仿真分析，通过centroid（面积中心法）[8]解模糊得到输出变量（确定的值）。图3所示为模糊推理的输出曲面。

图1 模糊控制MATLAB仿真系统

图2 模糊控制规则制定

图3 输出曲面

2 系统结构

系统框架如图4所示。控制器以STM32F1032RCT6单片机为核心，通过串口2与ESP8266模块进行数据交互。ESP8266访问的天气数据API接口是一个标准的Restful API接口，提供标准化的数据访问，适用于智能硬件、APP等系统。ESP8266访问天气API接口后，经授权可获取包括降水量在内的多项数据。STM32单片机读取天气预报数据，土壤湿度传感器检测土壤湿度，经MATLAB仿真、解模糊后，得到控制时长，输出端通过驱动电路驱动电磁阀，实现按需灌溉。控制器配备了2.8寸TFT显示屏，用于显示天气预报数据、土壤湿度测量数据和当前输出状态等。控制器在STM32的SPI1接口挂载字库芯片，用以显示中文；在I2C接口挂载E2PROM芯片，用来存储接收的降水量等数据，同时挂载时钟芯片DS3231，提供系统运行时间，设定灌溉时间段以及控制灌溉时长。

图4 系统框架

3 硬件模块与接口设计

3.1 ESP8266模块与接口设计

ESP8266是独立的32位MCU应用系统，同时集成了WiFi等功能模块，具有完整且自成体系的WiFi环境[9]。ESP8266具备独立运行模式，但也可以作为通信模块搭载于其他主控芯片，帮助主控芯片接入互联网[10]。本设计把ESP8266模块作为一个相对独立运行的系统，在Arduino编译环境下，对ESP8266编程并运行，用以访问天气网站，获取天气预报数据，并解析封装，以固定编码形式发送给STM32单片机。此外，还需要在Arduino编译环境下对“开发板管理”进行安装配置。

图5中，ESP8266与STM32单片机通过串口2进行数据读取。STM32单片机接收到降水量数据后，将其作为模拟控制器的输入之一。图5中，PA12端口控制ESP8266的复位端（低电平复位）。

图5 ESP8266应用原理与接口设计

3.2 土壤湿度传感器与接口设计

系统选择型号为HKSHC03S的土壤湿度传感器，其供电电压为5 V，输出电压为0～3.3 V，线性度良好。土壤湿度传感器的输出信号接STM32的PA1（ADC1通道）口，经STM32单片机读取后，转换为土壤湿度等级。图6所示为土壤湿度传感器接口，图7所示为传感器输出电压与湿度间的关系。

图6 土壤湿度传感器接口设计

图7 传感器输出电压与湿度之间的关系

4 软件设计

4.1 ESP8266程序设计

ESP8266访问天气API接口，并发送请求，返回的天气数据为JSON格式，这是一种轻量级数据交换格式。在Arduino编译环境下加载Arduino JSON库（V5.13.5），可调用函数对返回的JSON数据进行解析。ESP8266程序流程如图8所示。ESP8266以定时方式访问天气数据，每发送一次请求，就读取一次数据，然后解析、封装数据并将其发送到STM32主控芯片。本设计中，解析后的数据以符号“$”开始，以符号“*”结尾，中间以“，”分隔字符串，如“$DAILY，11，9，30，24，11.3，NW，5，87，9，4，30，23，0.0，W，4，85*”，其中，“$DAILY”为引导，用“，”将16组数据分隔开。“11，9，30，24，11.3，NW，5，87，”表示预报数据，各数字分别代表白天天气代码、晚间天气代码、最高温、最低温、降水量（数据是11.3，单位为mm）、风向、风力等级、湿度。后面的8组数据是后天的预报数据，含义同上。降水量以数值表示，对应不同的降水级别。ESP8266程序中返回数据的具体含义可查看官方API接口文档。获取的多项数据可作为后续的其他应用。

图8 ESP8266程序流程

此外，ESP8266还可定时获取网络时间，一方面，可对控制器进行自动校时，另一方面，STM32检测ESP8266获取网络时间的间隔超过一定时段范围后，STM32将发送重启ESP8266指令，并自动连接WiFi。

4.2 土壤湿度测量程序

土壤湿度传感器的输出电压信号经STM32的ADC1输入端PA1采样、读取后，得到数字量addat。表5所列为土壤湿度传感器传感数据标定与对应ADC转换结果数字量之间的关系。STM32的ADC转换为12位，其满量程为4096（3.3 V）。

表5 土壤湿度传感器数据标定与对应的ADC转换值

土壤湿度程序设计采用拆线法，获取转换结果addat，范围设为h1～h2（h1>h2），对应的数字量为d1～d2（d1

4.3 主程序设计

STM32主程序主要包括串口数据接收、土壤湿度读取、模糊控制判断、时间显示与控制、TFT液晶显示以及E2PROM存储与读取等。综合STM32内部资源，程序设计时把A/D转换结果以及串口接收以DMA方式传输，以提高程序效率。主程序流程如图9所示。

图9 主程序流程

5 结 语

本设计通过STM32和ESP8266设计了智能硬件系统，合理规划了各模块的软硬件应用，充分利用STM32的片上资源，系统检测WiFi模块的网络连接状态，以有效保证获取数据的可靠性。WiFi模块基于Arduino编译环境，实现ESP8266独立访问天气数据API接口的功能，可获取网络时钟和降水量等天气预报数据，结合土壤湿度，作为系统输入，在MATLAB仿真分析的基础上，通过模糊推理得到灌溉时长，实现智能灌溉，达到节水目的。