第 卷 第 期年 月華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) ，基于模糊控制的溫室內(nèi)土壤濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)錢(qián)稷周娟張廣華劉楊邸葆河北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，保定；河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，保定；河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院軟件工程系，保定摘要為提高溫室管理水平 ，針對(duì)有線系統(tǒng)監(jiān)測(cè)布線不靈活或長(zhǎng)時(shí)無(wú)人監(jiān)測(cè)和無(wú)線系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定等問(wèn)題 ，設(shè)計(jì)一種基于 技術(shù)具有遠(yuǎn)程交互功能的土壤濕度監(jiān)控系統(tǒng) 。該系統(tǒng)由 控制器 、 模塊灌溉控制電路等組成 。通過(guò) 模塊以短信的方式實(shí)現(xiàn)與用戶之間的交互功能 ，并利用模糊控制算法進(jìn)行精確灌溉 。運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果表明 ：設(shè)計(jì)的系統(tǒng)工作穩(wěn)定 ，數(shù)據(jù)傳輸距離不受限 ，節(jié)水灌溉效果顯著 ，模塊收發(fā)信息的正確率達(dá) ；接收數(shù)據(jù)正確率達(dá) ，實(shí)時(shí)監(jiān)控灌溉性能穩(wěn)定 ；能夠?qū)崿F(xiàn)精確灌溉 ，與人工漫灌相比節(jié)省 的用水量 ，節(jié)水效果顯著 。關(guān)鍵詞土壤濕度 ；短信模塊 ；模糊控制 ；自動(dòng)灌溉中圖分類號(hào) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 文章編號(hào)（）收稿日期 ：基金項(xiàng)目 ：河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目 （）；河北省保定市科技計(jì)劃項(xiàng)目 （）；河北省保定市科技計(jì)劃項(xiàng)目 （）錢(qián)稷 ，講師 研究方向 ：環(huán)境調(diào)控技術(shù)與生物電阻抗 ：土壤濕度對(duì)溫室作物生長(zhǎng)發(fā)育有重要影響 ，而溫室環(huán)境的監(jiān)控僅靠人工去完成已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要 ，因此 ，為溫室環(huán)境監(jiān)控配備一個(gè)良好的監(jiān)控系統(tǒng) ，不僅可取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益 ，而且還有不可估量的社會(huì)效益 。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的控制系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)信息的采集 、處理 、傳遞 、存儲(chǔ) 、檢索等各個(gè)環(huán)節(jié) ，但其通信方式普遍采用的是基于總線或總線的有線通信方式和或系列的無(wú)線頻段通訊方式 。有線通信方式存在線纜錯(cuò)綜復(fù)雜 、安裝維護(hù)難度大 、成本高等缺點(diǎn) ；無(wú)線頻段通訊方式存在數(shù)據(jù)傳輸距離短 、傳輸信號(hào)不穩(wěn)定 、時(shí)效性差等不足 ，并因智能化程度不高 、便攜性差等 ，已經(jīng)跟不上溫室精細(xì)管理的步伐 。在國(guó)外 ，如美國(guó) 、澳大利亞 、巴西等國(guó)家 ，對(duì)土壤水分的研究投入相當(dāng)大 ，而且也具備一定 的 實(shí) 力 ，研制出一些先進(jìn)的儀器 ，像 美 國(guó) 公司的土壤水分測(cè)試儀 、土壤水分檢測(cè)儀等 ，因其價(jià)格比較昂貴 ，對(duì)于科研院所和精確測(cè)量實(shí)驗(yàn)室等尚可接受 ，但在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中難以推廣 ，因此 ，研制 、開(kāi)發(fā)具有適合我國(guó)國(guó)情的功耗低 、性能穩(wěn)定 、通訊距離不受限制的監(jiān)控系統(tǒng)具有重要意義 。土壤濕度需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) ，才能達(dá)到及時(shí) 、精準(zhǔn)控制 、有效節(jié)水的效果。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)用無(wú)線通訊技術(shù)和模糊控制技術(shù) ，實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)土壤參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和節(jié)水灌溉控制 。模塊能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸 ，并具有信號(hào)穩(wěn)定 、覆蓋范圍廣 、價(jià)格便宜 、永遠(yuǎn)在線等特點(diǎn) ，特別適用于需頻繁傳送小流量數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。系統(tǒng)通過(guò)模糊控制規(guī)則對(duì)給水閥執(zhí)行有效控制 ，實(shí)現(xiàn)溫室作物的智能精細(xì)灌溉功能 ，可達(dá)到節(jié)水灌溉的目的 。 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)溫室濕度監(jiān)控系統(tǒng)主要是以單片機(jī)為核心部件 ，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)采集 、數(shù)據(jù)傳輸 、人機(jī)交互 、電源處理等模塊的設(shè)計(jì) ，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)采集 、實(shí)時(shí)顯示 、無(wú)線傳輸 、自動(dòng)控制灌溉等功能 。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖所示 。 主要功能模塊設(shè)計(jì) 系統(tǒng)低功耗的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)選用單片機(jī)作為系統(tǒng)核心處理芯片 。中包含位寄存器用于縮短指令執(zhí)行時(shí)間 ，可以在個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成寄存器與寄存器間的操作 。的額定工作電流為，額定電壓為，從待機(jī)到喚醒模式相應(yīng)時(shí)間不超過(guò)，并可以使啟動(dòng)更加迅速 。DOI:10.13300/j.cnki.hnlkxb.2015.05.045華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 第 卷圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 同時(shí) ，豐富的中斷能力減少了查詢的需要 ，很適合應(yīng)用于需長(zhǎng)時(shí)間供電的工作場(chǎng)合。對(duì)于大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用環(huán)境而言 ，能很好地滿足濕度采集的要求 。 土壤濕度采集功能的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用基于時(shí)域反射 （）技術(shù)的型土壤濕度傳感器作為數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的前端設(shè)備 。法是利用電磁波在不同介質(zhì)中的傳播速度 的 差 異 來(lái) 測(cè) 定 土 壤 含 水 率。將 長(zhǎng) 度 為的個(gè)探針插入土壤介質(zhì)中 ，電磁脈沖信號(hào)通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的內(nèi)部電路從探針的始端傳播到終端 ，輸出的模擬電壓信號(hào)與個(gè)點(diǎn)的駐波信號(hào)振幅的電位差成正比 。土壤含水率與介電常數(shù)呈線性關(guān)系：槡（） （） 槡 槡， 槡（） （）式中為探頭輸出電壓值 ；為土壤的介電常數(shù) ；為濕土的介電常數(shù) ；為干土的介電常數(shù) ；為濕土的質(zhì)量 ；干土的質(zhì)量 ；為濕土的體積 ；為土壤的體積含水率 。溫室作物根系主要分布在地下處 ，故測(cè)量探頭應(yīng)分布在地下的各層面中 。濕度傳感器的電纜長(zhǎng)度為，并 可 加 長(zhǎng) 至 ，采用的電流信號(hào) 。其密封材料為樹(shù)脂澆灌 ，完全密封防水 ，埋于地下不會(huì)影響土壤濕度信號(hào)的提取 ，能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)需求 。 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能的設(shè)計(jì)無(wú)線傳輸功能是由公司新一代無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)的 ，具有快速 、可靠 、不限傳輸距離等功能 。它設(shè)計(jì)小巧 、功耗很低 ，模塊的工作電壓為。射頻天線部分主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制與解調(diào) ，實(shí)現(xiàn)外部射頻信號(hào)與內(nèi)部基帶處理器之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換 。芯片實(shí)現(xiàn)接口電路的與電平轉(zhuǎn)換 。引腳實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送功能 ，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收功能 ，用來(lái)檢測(cè)卡座中是否插入卡 ，實(shí)現(xiàn)卡與的數(shù)據(jù)傳輸功能。硬件電路如圖所示 。圖 無(wú)線模塊硬件電路 第 期 錢(qián)稷 等 ：基于模糊控制的溫室內(nèi)土壤濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用模式收發(fā)短信 。此模式被所有手機(jī)支持 ，可以使用任何字符集 。系統(tǒng)將地址 、中心電話號(hào)碼 、用戶電話號(hào)碼和濕度信息通過(guò)方式進(jìn)行編碼并壓縮成數(shù)據(jù)包 ，以碼的格式發(fā)送出去 ，實(shí)現(xiàn)中文短消息的發(fā)送。）發(fā)送的數(shù)據(jù)格式分析 。假設(shè)中心號(hào)碼是，目標(biāo)號(hào)碼是，消息內(nèi)容是 “當(dāng)前濕度值為”。從模塊發(fā)出的數(shù) 據(jù) 包 是。編碼格式見(jiàn)表。）發(fā)送信息程序段 的 編 寫(xiě) 。系 統(tǒng) 通 過(guò) 函數(shù)實(shí)現(xiàn)通過(guò)串口發(fā)送一串字符串 ，通過(guò)函數(shù)實(shí)現(xiàn)字符串的比較功能 。發(fā)送流程如圖所示 。表 編碼格式 段 分段含義 地址的長(zhǎng)度和格式 在中心號(hào)碼 的后面加 “ “ ，再將相鄰的兩位數(shù)字顛倒得到的 地址 “ “ ， 文件頭字節(jié)和信息類型 目標(biāo)號(hào)碼長(zhǎng)度類型 目標(biāo)號(hào)碼 的后面加 “ “ ，再將相鄰的兩位數(shù)字顛倒得到的目標(biāo)地址 “ “ ， 協(xié)議標(biāo)示，采用編碼方式 ， 發(fā)送信息的 碼的長(zhǎng)度除以 ，以十六進(jìn)制表示 ， 用戶信息 “當(dāng)前濕度值 ：”的 碼 “ ：” 圖 模塊發(fā)送信息流程圖 智能控制的設(shè)計(jì) 模糊控制器的設(shè)計(jì)模糊控制是將由精確量轉(zhuǎn)化來(lái)的模糊信息 ，按照總結(jié)手動(dòng)控制策略取得的語(yǔ)言控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理 ，給出模糊輸出判決 ，并再將其轉(zhuǎn)化為精確量 ，作為反饋送到被控對(duì)象 （或過(guò)程 ）的控制作用。本設(shè)計(jì)中作物的需水量模糊推理系統(tǒng)是一個(gè)雙輸入單輸出的模糊推理系統(tǒng) ，以土壤濕度實(shí)際輸出值與設(shè)定期望值的誤差和誤差變化率作為輸入 ，以給水時(shí)間作為輸出。模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖所示 。圖 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 第 卷 模糊控制表的計(jì)算取偏差、偏差變化率的論域?yàn)?，給水時(shí)間的范圍可取 ，。首先 ，連續(xù)變化量使之離散化 ，構(gòu)成個(gè)整數(shù)的離散集合 ，和的論域設(shè)為 ，。然后 ，對(duì)其語(yǔ)言變量進(jìn)行取值 ，模糊語(yǔ)言變量分為 正大（），正中 （），正小 （），零 （），負(fù)小 （），負(fù)中 （），負(fù)大 （）。輸出控制量取個(gè)語(yǔ)言值 ，分別為 關(guān)閉 （），短時(shí)間灌溉 （），中等時(shí)間灌溉 （），長(zhǎng)時(shí)間灌溉 （）。量化因子和由下式確定 ：，式中、表示和的實(shí)際范圍 ，表示整個(gè)論域的范圍。表 模糊控制規(guī)則 模糊控制規(guī)則及模糊推理模糊控制規(guī)則是根據(jù)有經(jīng)驗(yàn)的操作者或?qū)＜业目刂浦R(shí)和經(jīng)驗(yàn)制定出若干模糊控制規(guī)則 ，對(duì)于雙輸入單輸出的控制系統(tǒng) ，其規(guī)則具有如下形式 ： ： ： ，式中，和（，）是，和在其論域上的語(yǔ)言變量值 。所有規(guī)則組合在一起構(gòu)成了規(guī)則庫(kù) 。把上述模糊規(guī)則列成模糊狀態(tài)表形式 ，逐漸形成最佳灌溉方案 。其中的一條規(guī)則 ：如果是 是，則是，其模糊蘊(yùn)含關(guān)系定義為（ ）（，）（）（）（）（）其中 ，“ ”是定義在模糊集合上 。，（ ）是定義在上的模糊蘊(yùn)含關(guān)系 。根據(jù)模糊推理所得結(jié)果乘以比例因子 ，得到系統(tǒng)所需控制量的精確輸出值 。本系統(tǒng)的去模糊化采用平均最大隸屬度法 （），控制給水閥門(mén)打開(kāi)時(shí)間的長(zhǎng)短 。 模糊控制器的算法設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的控制規(guī)則采用分段模糊控制 。監(jiān)控過(guò)程總流程如圖所示 。圖 監(jiān)控系統(tǒng)總流程 第 期 錢(qián)稷 等 ：基于模糊控制的溫室內(nèi)土壤濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 檢測(cè)試驗(yàn)試驗(yàn)地點(diǎn)在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院溫室 ，主要檢測(cè)傳輸距離和天氣情況對(duì)信號(hào)的接收是否有影響 ，以及發(fā)送短信的正確率和模糊控制灌溉的精確度 。）發(fā)送正確率 。將試驗(yàn)樣機(jī)隨機(jī)放入溫室中作為發(fā)射點(diǎn) ，同時(shí)設(shè)置個(gè)接收點(diǎn) 。接收點(diǎn)：園區(qū)大門(mén) ，與樣機(jī)距離為；接收點(diǎn)：教學(xué)樓 ，與樣機(jī)距離為；接收點(diǎn)：辦公室內(nèi) ，與樣機(jī)距離。為檢驗(yàn)發(fā)送和接收的正確率 ，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為每天發(fā)送條信息 ，上午：發(fā)送次 ，下午：發(fā)送次 ，每個(gè)月作為個(gè)試驗(yàn)周期 。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析比較 ，可以看出模塊在系統(tǒng)試運(yùn)行階段的發(fā)送短信正確率可達(dá)到，接收情況根據(jù)天氣的影響也可以達(dá)到的正確率 （表）。這表明將應(yīng)用于溫室土壤采集系統(tǒng)的通訊方面是可行的 。表 檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果） 接收點(diǎn)日期天氣情況 月 大風(fēng) 雷雨 晴天 月 大風(fēng) 雷雨 晴天 月 大風(fēng) 雷雨 晴天 ）：發(fā)送正確率 ；：接收正確率 ）灌溉的精確度 。為便于精確測(cè)量灌溉時(shí)間及流水量 ，將樣機(jī)置于實(shí)驗(yàn)室內(nèi) 。將樣機(jī)的濕度傳感器插入土壤中 ，同時(shí)把進(jìn)水端口 （直徑）接上水源 ，中間接電磁閥及流量傳感器 ，出水端口用水管連接滴頭 （直徑），滴頭置于植物主根系部位 。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到土壤濕度達(dá)到警戒值 （）時(shí) ，會(huì)將當(dāng)前濕度值送入模糊控制器 ，模糊控制器經(jīng)過(guò)處理和分析比較 ，輸出灌溉時(shí)間 （表）。試驗(yàn)結(jié)果表明 ：該系統(tǒng)中采用模糊控制算法可以有效實(shí)現(xiàn)精確灌溉功能 ；系統(tǒng)根據(jù)溫室內(nèi)作物不同生理階段的需水要求適時(shí)適量供水 ，與人工漫灌方式相比可省的用水量 ，灌溉的質(zhì)量和均勻度都較高 ，可提高水資源利用率 。表 試驗(yàn)數(shù)據(jù) 灌溉前濕度 輸出灌溉時(shí)間 流量 灌溉后濕度 （） 討論本試驗(yàn)溫室土壤濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)都是按照實(shí)際需求進(jìn)行的 ，利用通信技術(shù)和模糊控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室土壤濕度的監(jiān)測(cè)和控制 ?；谖鏖T(mén)子公司生產(chǎn)的芯片 ，設(shè)計(jì)了電源電路 、卡接口電路 、與單片機(jī)的接口電路等 ，并編制相關(guān)軟件 ，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)模塊的通信與控制 ，使系統(tǒng)傳輸距離不受限制 ，收發(fā)信息正確率基本達(dá)到，實(shí)時(shí)監(jiān)控性能穩(wěn)定 ，因此 ，模塊應(yīng)用于農(nóng)業(yè)通訊方面 ，可達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的工作狀態(tài) ，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的特點(diǎn) 。本系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則是長(zhǎng)時(shí)灌溉經(jīng)驗(yàn)的總結(jié) ，通過(guò)合理的輸入和輸出控制 ，達(dá)到優(yōu)化控制的效果 。以土壤濕度實(shí)際輸出值與設(shè)定的期望值 （濕度閥值 ）的誤差和誤差變化率作為輸入 ，推算果樹(shù)灌溉時(shí)間 ，并做出相應(yīng)的灌溉措施 。這種控制方法不僅能節(jié)約大量的灌溉水 ，同時(shí)有利于作物的生長(zhǎng)和水肥耦合利用 ，從而提高作物產(chǎn)量 。參考文獻(xiàn)魏景斌 便攜式土壤濕度檢測(cè)儀的研究與設(shè)計(jì) 保定 ：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 ，梁健 ，戈振揚(yáng) ，齊亞峰 基于 無(wú)線傳輸?shù)臏厥覝囟缺O(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 湖南農(nóng)業(yè)科學(xué) ，（）：沈建華 系列 位超低功耗單片機(jī)原理與實(shí)踐 北京 ：北京航空航天大學(xué)出版社 ，張小馳 ，陳天華 基于 單片機(jī)的紅外便攜式心率監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 制造業(yè)自動(dòng)化 ，（）： ， ，（）： ， ， ： ，（）：王貴彥 法 、中子法 、重量法測(cè)定土壤含水量的比較研究河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，（）：黃術(shù) 基于 網(wǎng)絡(luò)的水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 第 卷成都 ：西南交通大學(xué)圖書(shū)館 ，姜婷 基于 短消息方式的溫度監(jiān)測(cè)儀的研制 合肥 ：合肥工業(yè)大學(xué)圖書(shū)館 ，張?jiān)颇：龜?shù)學(xué)在自動(dòng)化技術(shù)中的應(yīng)用北京：清華大學(xué)出版社 ，孫增 圻 ，鄧 志 東 ，張 再 興智能控制理論與技術(shù)版 北京 ：清華大學(xué)出版社 ，江明 ，陳其工 ，晏行芳基于模糊控制的精確灌溉系統(tǒng)農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) ，（）：謝守勇基于 的模糊控制灌溉系統(tǒng)的研制農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) ，（）： ， ，； ， ，； ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ； ；（責(zé)任編輯 ：陳紅葉 ）