節(jié)水灌溉 Water Saving Irrigation ISSN 1007-4929,CN 42-1420/TV 節(jié)水灌溉網絡首發(fā)論文 題目： 設施蔬菜智能灌溉控制系統(tǒng)的設計 作者： 杜太行，鄒軍軍，孫曙光，錢春陽，劉德 網絡首發(fā)日期： 2020-02-10 引用格式： 杜太行，鄒軍軍，孫曙光，錢春陽，劉德設施蔬菜智能灌溉控制系統(tǒng)的設計節(jié)水灌溉. http:/kns.cnki.net/kcms/detail/42.1420.TV.20200210.1502.014.html 網絡首發(fā)：在編輯部工作流程中，稿件從錄用到出版要經歷錄用定稿、排版定稿、整期匯編定稿等階段。錄用定稿指內容已經確定，且通過同行評議、主編終審同意刊用的稿件。排版定稿指錄用定稿按照期刊特定版式（包括網絡呈現版式）排版后的稿件，可暫不確定出版年、卷、期和頁碼。整期匯編定稿指出版年、卷、期、頁碼均已確定的印刷或數字出版的整期匯編稿件。錄用定稿網絡首發(fā)稿件內容必須符合出版管理條例和期刊出版管理規(guī)定的有關規(guī)定；學術研究成果具有創(chuàng)新性、科學性和先進性，符合編輯部對刊文的錄用要求，不存在學術不端行為及其他侵權行為；稿件內容應基本符合國家有關書刊編輯、出版的技術標準，正確使用和統(tǒng)一規(guī)范語言文字、符號、數字、外文字母、法定計量單位及地圖標注等。為確保錄用定稿網絡首發(fā)的嚴肅性，錄用定稿一經發(fā)布，不得修改論文題目、作者、機構名稱和學術內容，只可基于編輯規(guī)范進行少量文字的修改。 出版確認：紙質期刊編輯部通過與中國學術期刊（光盤版）電子雜志社有限公司簽約，在中國學術期刊（網絡版）出版?zhèn)鞑テ脚_上創(chuàng)辦與紙質期刊內容一致的網絡版，以單篇或整期出版形式，在印刷出版之前刊發(fā)論文的錄用定稿、排版定稿、整期匯編定稿。因為中國學術期刊（網絡版）是國家新聞出版廣電總局批準的網絡連續(xù)型出版物（ISSN 2096-4188，CN 11-6037/Z），所以簽約期刊的網絡版上網絡首發(fā)論文視為正式出版。 基金項目 ： 天津市農業(yè)科技成果轉化與推廣項目（ 201901060）；天津市科技計劃項目（ 17YFZCNC00280）；青年科研人員創(chuàng)新研究與實驗（ 2018009） 設施蔬菜智能灌溉控制系統(tǒng)的設計 杜太行 1，鄒軍軍 1，孫曙光 1，錢春陽 2，劉 德 1 （ 1.河北工業(yè)大學人工智能與數據科學學院，天津 300130； 2.天津市農業(yè)科學院信息研究所，天津 300192） 摘要： 為解決傳統(tǒng)設施蔬菜種植由于灌溉技術落后導致的水資源利用系數低，灌溉效果不理想等問題，采用 LabVIEW 平臺設計了一套基于模糊控制的設施蔬菜智能灌溉控制系統(tǒng)。以土壤水勢為基礎搭建無線傳感網絡獲取土壤信息，融合 3G 網絡構建集現場集控計算機和遠程監(jiān)控中心相結合的無線監(jiān)控網絡體系。采用實時土壤水勢與理想水勢差值以 及差值變化率作為模糊控制系統(tǒng)輸入，根據模糊控制算法得出最佳灌溉時長。經測試該系統(tǒng)可以在無人值守下完成對作物的精準灌溉，農戶遠程也能實時監(jiān)測田間數據和進行灌溉控制。 關鍵詞： 智能灌溉；信息采集；無線通信； LabVIEW；模糊控制 中圖分類號： S24;TP273+.4 文獻標識碼： A 文章編號： 1002-1841(2017)00-0000-00 Design of Irrigation Irrigation Control System for Facility Vegetable DU Tai-hang1,ZOU Jun-jun1,SUN Shu-guang1,QIAN Chun-yang2,LIU De1 (1.School of Artificial Intelligence, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China; 2.Information Institute, Tianjin Academy of Agricultural Sciences, Tianjin 300192, China) Abstract: In order to solve the problems of low utilization coefficient of water resources and unsatisfactory irrigation effect caused by backward irrigation technology in traditional facility vegetable planting, an intelligent irrigation control system for facility vegetable based on fuzzy control was designed on LabVIEW platform. Based on the soil water potential, a wireless sensor network was built to acquire soil information, and a wireless monitoring network system constructed by on-site centralized control computer and remote monitoring center was built combining 3G network. The difference between real-time soil water potential and ideal water potential and the change rate of the difference are used as input of the fuzzy control system, and the optimal irrigation time is obtained according to the fuzzy control algorithm. After testing, the system can complete precise irrigation of crops under unattended condition, and farmers can monitor field data and control irrigation in real time remotely. Key words: Intelligent irrigation; information acquisition; wireless communication; LabVIEW; fuzzy control 0 引言 隨著互聯(lián)網的不斷發(fā)展， 互聯(lián)網和新興技術的融合不斷促進著國內農業(yè)的發(fā)展，并進一步演化為智慧農業(yè)。近年來，智慧農業(yè)在國內受到越來越多的關注。智慧農業(yè)將最新的信息技術如物聯(lián)網、大數據、人工智能和人機交互應用于各種農業(yè)活動，并成為全球農業(yè)生產方式改革的重要趨勢 1。 設施農業(yè)的發(fā)展是農業(yè)現代化的重要標志之一，也是智慧農業(yè)發(fā)展的重要任 務。大棚智能控制作為設施蔬 菜種植過程中的重要環(huán)節(jié)，是保障農產品數量和質量、提高水分利用率的重要舉措 2。 國家統(tǒng)計局數據顯示，我國農業(yè)灌溉用水量占總用水量的 60%以上，實現農田的節(jié)水灌溉已成當務之急 3。傳統(tǒng)的依賴于農戶通過經驗判斷是否需要灌溉和漫灌、噴灌等灌溉方式是導致水資源浪費嚴重的主要原因 4。以往所設計的智能灌溉控制系統(tǒng)中，主要以檢測到的土壤當前濕度和最佳濕度作為對比，當實時濕度小于最佳濕度下限時則對植株網絡首發(fā)時間：2020-02-10 16:13:14網絡首發(fā)地址：http:/kns.cnki.net/kcms/detail/42.1420.TV.20200210.1502.014.html進行適當灌溉從而達到節(jié)水目的，但由于不同地區(qū)的土壤成分差異，濕度不能反映出土壤水分對植物的有效性，土壤水勢則具有更廣泛的適用性 5。本文以最佳土壤水勢為依據，控制電磁閥的啟停時間，可以推廣至不同地區(qū)土壤的蔬菜種植，并基于此設計了設施蔬菜智能灌溉控制系統(tǒng)。 1 系統(tǒng)總體結構 該系統(tǒng)主要針對設施蔬菜的智能灌溉控制，通過傳感器技術、無線傳輸技術、人工智能技術和數據庫技術等相結合，實現農田數據采集功能、無線傳輸功能、智能決策功能、實時監(jiān)控功能和灌溉執(zhí)行功能，可以同時對多個溫室大棚進行智能化灌溉。系統(tǒng)共分為 4 個模塊，總體結構如圖 1 所示。 溫室大棚傳感器節(jié)點遠程監(jiān)控中心云端PC A c ces s Smart + 網口S 7 - 2 0 0 s mart PL CG RM 5 0 0My SQ LL A B SQ L現場集控計算機RS 4 8 5電磁閥灌溉執(zhí)行模塊數據采集模塊智能決策模塊遠程監(jiān)控模塊圖 1 系統(tǒng)總體結構 2 數據采集模塊 無線傳感網絡作為整個智能控制系統(tǒng)的感知層，具備感知核心信息的能力。為了避免現場布線帶來的各種問題，本系統(tǒng)采用自主設計的無線土壤水勢測量儀，該測量儀采用低功耗太陽能輔助鋰電池供電，集成短距離無線傳輸模塊，并具有數據自動存儲功能。土壤水勢是指從土壤中吸取單位水分所需要引起的能量，土壤水分飽和，水勢為零，含水量低于飽和狀態(tài)，水勢為負值，通過傳感器頂端陶瓷頭表面細小而均勻的孔隙來透過水溶液而阻隔土壤顆粒，使儀器內部產生負壓值，以此來表示土 壤 含 水 狀 況 。 測 量 儀 采 用 TI 公司STM32F103RCT6 芯片作為 MCU，具有體積小、性能強、成本低、功耗少等優(yōu)點， STM32 內部集成了16 通道 12 位 ADC，可滿足一般情況下對于 A/D 功能的要求 。單片機內部對儀器內部負壓信號進行A/D 轉換，獲取實時數據進行粗差剔除后存儲在 TF卡中，有效減少了外界環(huán)境的影響，避免人工讀數帶來的誤差。 為了解決田間多點位監(jiān)測的需要，測量儀使用短距離無線數傳模塊 APC240 將采集到的數據封裝成幀，然后通過射頻天線上傳至系統(tǒng)內。 APC240采用半雙工信道，可快速實現星型結構網絡連接，工作頻段為 433 MHz 和 470 MHz，傳輸距離可達700 m，具有較強的抗干擾能力。此外，嵌入的低功耗射頻芯片 sx1212 和 ST 單片機，發(fā)射頻率僅為10 mW，有效保證了續(xù)航時間，上位機采用 MySQL作為系統(tǒng)的數據庫，接收和存儲土壤水勢測量儀的數據。土壤水勢測量儀結構如圖 2 所示。 S T M 32F 1 0 3 R C T 6I / O 輸入輸出模塊土壤水勢傳感器A / D 轉換模塊電源管理模塊數據存儲模塊A P C 2 4 0 無線數傳模塊圖 2 土壤水勢測量儀硬件結構圖 3 智能決策模塊 3.1 智能決策流程 智能灌溉決策的功能主要由現場集控計算機實現，現場集控中心一體機硬件配置如下： CPU：Intel(R) Core(TM)i5-3317U 1.70GHz；安裝內存（ RAM）： 8.00GB；系統(tǒng)類型： Win7 64 位操作系統(tǒng)；硬盤容量： 250G 。一體機采用 Labview2013作為軟件平臺，應用第三方數據庫訪問工具包LabSQL 對數據庫進行管理，其中 ADO Connection Open 模塊用于對數據庫的連接驗證和訪問， SQL Execute 模塊對數據庫進行查詢和修改，現場集控計算機的智能決策流程如圖 3 所示。 系統(tǒng)初始化定時采集土壤水勢數據錄入數據庫L A B VI E W 調用輸入量模糊化模糊推理判定是否需要灌溉開啟指定電磁閥YN解模糊計算誤差和誤差變化率圖 3 智能決策流程圖 3.2 模糊控制器設計 由于土壤大慣 性、非線性的特征，很難確定具體的數學模型，所以采用模糊控制的方法，在專家的灌溉建議和大量灌溉經驗基礎上以自然語言的形式表現在控制規(guī)則上 6。 選擇雙輸入單輸出的Mamdani 型模糊控制器作為推理機，實時土壤水勢與理想水勢差值 （ E） 和差值變化率（ EC）為輸入量，最佳灌溉時長（ U）作為輸出量。模糊控制系統(tǒng)結構如圖 4 所示，先把算得的兩個輸入量映射至模糊域，再輸入到模糊控制器中，根據規(guī)則庫進行模糊推理，最后解模糊得到電磁閥開啟時間。利用模糊控制器分析處理土壤水勢數據，配合規(guī)則庫中豐富的種植經驗，有效提高了灌溉決策的 準確性，以土壤水勢為測量參數的方式也廣泛適用于各地區(qū)不同類型土壤的智能灌溉。 模糊推理隸屬度函數電磁閥模糊化土壤水勢差值土壤水勢目標值差值變化率規(guī)則庫解模糊模糊量清晰化方法清晰量+土壤水勢實時值-土壤水勢傳感器圖 4 模糊控制系統(tǒng)結構 不同作物在不同生長生理期對水分的需求量也有差別 7，本文以經濟作物黃瓜結果期的模糊決策為例進行探討。黃瓜根系分布于基質下 25 cm 范圍內，屬于淺根類植物，水分需求量大，不耐旱，綜合考慮結果期產量和水分利用率因素，土壤水勢在 -10 kPa 至 -5 kPa 時既能節(jié)約灌溉用水，又能達到單株最大產量 8。設置土壤水勢目標值為 -5 kPa，土壤水勢下限為 -10 kPa，晴天條件下實驗測得土壤水勢由 -5 kPa 下降至 -10 kPa 時間約為 70 小時，最大差值變化率為 6%。溫室環(huán)境內不會受到外界降水的影響，且作物灌溉過于頻繁會加劇病蟲害發(fā)生，所以模糊控制器每 70 h 工作 1 次，以保證黃瓜生長在最佳土壤濕度，土壤水勢從 -10 kPa 到 -5 kPa 電磁閥需要開啟的時間為 15 分鐘。 土壤水勢差值 E 的物理論域為 0,5,模糊語言變量分 7 個等級，記為 NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB,模糊論域為 0,1,2,3,4,5,6。土壤水勢差值變化率 EC和電磁閥開啟時 間 U 的物理論域分別為 0,6%和0,15 ，模糊語言變量分成 6 個等級，記為NM,NS,ZE,PS,PM,PB，模糊論域為 0,1,2,3,4,5。三角形隸屬度函數在坐標軸上呈線性分布，具有設計簡單、輸出平滑的特點 9，因此 E、 EC 和 U 均采用三角形隸屬度函數， E 的隸屬度函數如圖 5 所示。EC 和 U 的隸屬度函數與 E 類似。 圖 5 輸入量 E 隸屬度函數 根據專家經驗及前期實驗數據總結得出模糊控制規(guī)則如表 1 所示。 表 1 模糊控制規(guī)則 E 論域 隸屬度 EC E NB NM NS ZE PS PM PB NM NM NM NS ZE ZE PS PM NS NM NM NS ZE PS PS PM ZE NM NS ZE PS PS PM PB PS NM NS ZE PS PM PM PB PM NS NS PS PS PM PB PB PB NS ZE PS PM PB PB PB 為檢驗控制效果，將上述輸入和輸出的隸屬度函數及分布和模糊控制規(guī)則寫入 LabVIEW 的 fuzzy system designer 內，雙輸入單輸出控制器的語言式規(guī)則采用如 “if E is NB AND EC is NM THEN U is PM”表示。 Mamdani 型控制器以最小運算法為模糊蘊含關系方法進行模糊推理，隸屬度函數最大原則選擇控制量，清晰化方法為面積重心法。輸出特性曲面如圖 6 所示，可以發(fā)現該控制器響應速度快，輸出精細，變化平緩。 圖 6 輸出特性曲面 4 遠程監(jiān)控模塊 實時監(jiān)控分為現場集控計算機的實時監(jiān)控和遠程監(jiān)控中心的數據顯示，現場集控計算機采用Labview 訪問數據庫的方式讀取數據庫中各溫室土壤水勢的歷史記錄。遠程監(jiān)控中心是農戶與灌溉系統(tǒng)交互的接口，為了方便農戶在家中也能實時接收田間 數據，遠程端在 MySQL 授權下以 root 用戶登錄到服務器，輸入對應的用戶名密碼即可實現遠程連接進行數據監(jiān)控。農戶可以遠程控制灌溉的實施離不開系統(tǒng)的遠程傳輸功能，本文選用 GRM500 作為智能遠程控制終端，支持 Modbus 通訊協(xié)議，與PLC 通過 RS485 相連，工業(yè)級嵌入式 ARM 處理器具有極強的穩(wěn)定性，支持 WCDMA 協(xié)議，利用運營商 3G 網絡與遠程監(jiān)控端實時通訊，傳輸距離不受限制。 5 灌溉執(zhí)行模塊 為保障灌溉執(zhí)行機構的穩(wěn)定運行，本文選取微處理器為 ST30 的西門子 S7-200 SMART 作為現場可編程邏輯控制器 來驅動電磁閥。該 PLC 的 CPU模塊集成一個 RS485 接口和一個以太網端口，支持TCP/IP 協(xié)議，可同時接收現場主機和無線傳輸端發(fā)來的指令。 S7-200 SMART 具有 18 個輸入點和 12個輸出點，每個輸出點可以控制一個電磁閥，現場集控計算機在 PC Access SMART 創(chuàng)建西門子的OPC Server，并在 Labview 中綁定變量實現對 PLC的變量輸出操作。同理為了進行遠程控制，建立無線傳輸端和 PLC 之間的地址映射，實現手動控制和智能控制可切換的控制模式。 電磁閥選取型號為順綠 SLPGA 的直流常閉電磁閥，該 電磁閥具有靈敏度高，穩(wěn)定性好，功耗低等優(yōu)點。額定電壓 12 V，工作壓力 0.1 1.04 MPa，最大流速 30 hm/3 ， 額定功率為 4.5 W，采用雙重過濾防止堵塞電磁線圈，耐久度良好。灌溉方式選用滴灌法，結合施肥可使水分利用率達到 95%，肥效提高 1 倍以上 10。 6 智能灌溉控制系統(tǒng)測試 控制系統(tǒng)運行后，現場集控計算機界面顯示各溫室大棚作物的理想水勢，并以柱狀圖形式顯示出實時水勢，無人干預下系統(tǒng)自主做出決策。當某個大棚的電磁閥開啟灌溉時，相應的狀態(tài)燈也會亮起， 用戶也可以手動選擇灌溉或停止灌溉?？刂葡到y(tǒng)的界面如圖 7 所示。 圖 7 智能灌溉控制系統(tǒng)界面7 結束語 本文在掌握我國設施農業(yè)智能灌溉發(fā)展現狀的基礎上，以適用性更加廣泛的土壤水勢作為控制目標， LabVIEW 為平臺設計了一套基于模糊控制方法的設施蔬菜智能灌溉控制系統(tǒng)，以相應的軟件設計實現了田間土壤水勢數據的采集、數據的無線傳輸、智能灌溉決策、遠程監(jiān)控等功能。在以后的研究中，還需在系統(tǒng)中增加空氣溫濕度、光照、二氧化碳含量等傳感器及相應的無線通訊模塊，完善針對不同作物各個生長周期的模糊控制規(guī)則，提高控制系統(tǒng)的精確度，從而實現精準灌溉。 參考文獻： 1 劉 麗偉，高中理 .“互聯(lián)網 +”促進農業(yè)經濟發(fā)展方式轉變的路徑研究 基于農業(yè)產業(yè)鏈視角 J.世界農業(yè) .2015(12)： 18-23 2 中國灌溉排水發(fā)展中心全國“十三五”高效節(jié)水灌溉規(guī)劃思路報告 R.北京 : 中國灌溉排水發(fā)展中心，2015 3 邢希君 ,宋建成 ,吝伶艷 ，等 .設施農業(yè)溫室大棚智能控制技術的現狀與展望 J. 江蘇 農業(yè)科學 ,2017,45(21):10-15. 4 鄧 忠，翟國亮，呂謀超，等 .我國農業(yè)應對干旱災害的技術研究現狀及展望 J.節(jié)水灌溉， 2016， (8) : 162165 5 吳沿友 ,胡林生 ,谷睿智 ,等 .兩種土壤含水量與水勢關系J.排灌機械工程學報 ,2017,35(4):351-356. 6 董宏紀 ,崔新維 ,張寧 .模糊控制技術在滴灌電磁閥中的應用 J.農機化研究 ,2008(2):150-153. 7 廖凱 . 黃瓜不同生長期適宜灌溉土壤水分指標試驗研究 D.中國科學院研究生院（教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心） ,2011. 8 湯昀 ,林琭 ,閆萬麗 ,籍增順 .不同水勢對溫室水果黃瓜產量 和 水 分 利 用 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Buckley J,Aherne K,OFlynn B,et al. Electronic Components and Technology Conference . 2006. 作者簡介： 杜太行 (1963)，教授，博士，博士生導師 ，研究方向為電器檢測與試驗、計算機應用、工業(yè)自動化等。E-mail： thduhebut.edu.cn 通訊作者： 錢春陽 (1988)， 助理研究員，博士生，研究方向為農業(yè)信息技術與智能控制。 E-mail： tjnkyqcy163.com