节水灌溉控制系统设计研究范文

在灌溉农业中，采用先进技术不仅可以提高水资源的利用率，缓解水资源增加的矛盾，还可以增加作物产量，降低农产品的生产成本。本论文设计了一种基于无线传感器网络的节水灌溉控制系统。系统喷滴灌共存，可适应多种作物的灌溉要求，实现作物的倒茬轮作，起到保护土壤的作用；高效水肥药一体化是将灌溉与施肥、灌溉与喷药融为一体的农业新技术，可以做到在农作物灌溉的同时，定时定量的喷洒农药与化肥，有效节省时间与人力消耗，降低农药和化肥对土地的伤害。由于农业覆盖面大，地形复杂，操作环境恶劣，一般的农业设备无法适应，无线传感器网络以其高密度、大范围和强动态特性成为实现农业信息收集和传输的有效方法。尽管无线传感器网络WSNs的单传感器节点通信能力有限，但是对于数据传输量小、实时性要求相对较低的农业灌溉系统，WSNs是实现信息远程传输较为经济的技术手段。

系统结构及其工作原理

本系统依据土壤湿度等参数运行状况，通过上位机远程控制供水泵、注肥泵、注药泵和电磁阀开关。系统将灌溉与施肥、灌溉与喷药融为一体，定时定量的喷洒农药与化肥。工艺流程图如图1所示。系统由网关和传感器节点组成，网关由电源模块、处理器模块、节点通信模块、网络通信模块以及设备组成；传感器节点由电源模块、处理器模块、无线通信模块和传感器模块组成。网关结构示意图如图2所示。系统WSNs采用简单、实用的星状拓扑结构。当用户需要获取某个传感器节点的数据时，他只需要向以太网发送相应的节点地址和测试指令。网关通过以太网接口从上位机获得命令后，将通过无线射频模块向相应的传感器节点发送测试指令。在传感器节点接收到命令之后，传感器节点将土壤信息（土壤温度、湿度、含水量以及空气中CO2浓度、光照强度）和农田的营养信息沿着与原始路径相反的方向发送回上位机。上位机获得土壤信息后，通过农田专家系统制定供水、给肥、给药的控制策略，通过上位机向网关发送命令，网关根据约定的帧定义进行命令类型判断并进行相应的控制动作。传感器节点示意图如图3所示。

系统硬件设计

无线传感器网络由网关和传感器节点组成，它们是无线传感器网络的基本单元和平台。传感器节点负责采集农田土壤信息，网关负责控制所有传感器节点的操作、存储以及处理相关数据，并控制各种设备执行相应的动作。传感器节点的硬件设计本系统采用一款基于ARMCortex－M内核STM32系列的32位的微控制器（STM32F103C8T6），它提供了两个12位ADC、三个通用16位定时器和一个PWM定时器。射频模块采用TI公司生产的CC2430芯片设计。CC2430符合2.4GHz的IEEE802.15.4标准。它还集成了8位微处理器、VCO、LNA、PA和内部电源稳压器。为了形成完整的射频模块，电路需要32MHZ晶体振荡器XTAL1为内部微处理器提供时钟源。RF部分需要提供精确的电感、电容和PCB微波传输线，以匹配RF输入和输出的阻抗。CC2430的串行端口引脚连接到STM32的UART串行端口引脚。无线射频模块硬件原理图如图4所示。获取影响作物生长的作物生长信息和环境信息是精确作物管理的基础，在作物生长、发育、质量和产量方面发挥着非常重要的作用。因此，为了满足农田多参数监测的需要，选择了影响作物生长的七个环境因素，如空气温度和湿度、CO2浓度、土壤温度、湿度、pH值和养分值。由于农田监测的恶劣环境条件和不可控因素的存在，如高温、高湿度和高太阳辐射，所以采用具有抗干扰、防水和耐腐蚀的传感器，另外还需要小尺寸、方便集成以及低功耗来延长其使用寿命。各传感器特性如表1所示。网关及外设电路硬件设计在农田灌溉区、面积大、地形复杂，因此很难使用有线电源为系统供电，所以该系统选择的电磁阀是脉冲型电磁阀，该电磁阀的主要特点是可以通过瞬时脉冲信号实现电磁阀的切换控制，非常适合农田灌溉。本系统采用ULN2003芯片进行控制电磁阀的开关，通过网关可以直接控制继电器和脉冲式电磁阀，ULN2003芯片采用5V电压进行供电。控制电路部分硬件图如图5所示。系统网关中的无线射频模块及其硬件原理图与传感器节点中的无线射频模块相同。以太网接口芯片使用美国Microchip公司的独立以太网控制器ENC28J60。它使用速度高达10Mb/s的SPI三线接口作为通道，取代了以前的并行接口，方便了与处理器的连接，大大降低了PCB布线的复杂性。电源硬件设计由于本系统高效率低能耗，因此在传感器节点以及网关的处理器处采用太阳能18V供电，在网关控制的外设采用市电进行供电，此搭配可以有效节约开支，降低产品成本，便于系统的推广。该部分主要使用正向低压降稳压器AMS1117－3.3和AMS1117－5.0进行3.3V和5V稳定电压输出。电源硬件原理图如图6所示。

系统软件设计

本系统采用比例电磁阀的调节来维持主管道内的压力，以保证喷灌滴灌系统稳定。液体肥以及药液的浓度分别由比例混合注肥泵和比例混合注药泵进行精确调节，从而达到精准灌溉施肥施药的效果。本系统根据前人经验采用模糊控制算法进行调节比例电磁阀的开度继而控制管道内的压力；系统分为传感器节点和网关，要使两部分能够协调工作，两个系统软件必须能够相互配合，相互协调；PC端主要的目的是人机交互，用户可以通过PC端监测并且控制整个系统的运行，良好的人机交互是系统正常运行的前提。由于本系统高效率低能耗，因此在传感器节点以及网关的处理器处采用太阳能18V供电，在网关控制的外设采用市电进行供电，此搭配可以有效节约开支，降低产品成本，便于系统的推广。该部分主要使用正向低压降稳压器AMS1117－3.3和AMS1117－5.0进行3.3V和5V稳定电压输出。电源硬件原理图如图6所示。系统软件设计本系统采用比例电磁阀的调节来维持主管道内的压力，以保证喷灌滴灌系统稳定。液体肥以及药液的浓度分别由比例混合注肥泵和比例混合注药泵进行精确调节，从而达到精准灌溉施肥施药的效果。本系统根据前人经验采用模糊控制算法进行调节比例电磁阀的开度继而控制管道内的压力；系统分为传感器节点和网关，要使两部分能够协调工作，两个系统软件必须能够相互配合，相互协调；PC端主要的目的是人机交互，用户可以通过PC端监测并且控制整个系统的运行，良好的人机交互是系统正常运行的前提。模糊控制器设计为了保证喷滴灌用水以及施肥施药浓度，采用模糊控制技术实现农田的精准控制。通过制定模糊控制规则控制给水阀门开度，以保证管道压力稳定；通过调节给水比例电磁阀开度实现给水喷滴灌土壤湿度控制。本系统采用多输入单输出的多维常规模糊控制器，该控制器的输入变量为主管道的多点管道压力，输出量设定为比例电磁阀的开度u。在模糊控制器中设其输入模糊语言变量为e，输出语言变量为U。将主管道压力偏差e分为5个模糊集：{NB，NS，ZO，PS，PB}，对应的物理状态分别为{主管道压力采样值远低于设定范围下限，主管道压力采样值微低于设定范围下限，主管道压力采样值在设定值范围内，主管道压力采样值微高于设定范围上限，主管道压力采样值远高于设定上限}。写出主管道压力变化模糊控制规则如表2所示。根据现场实际操作经验制定模糊控制规则如下：（1）当主管道压力采样值远低于设定范围下限，将比例电磁阀阀门全开；（2）当主管道压力采样值微低于设定范围下限，将比例电磁阀阀门开；（3）当主管道压力采样值在设定值范围内，将比例电磁阀开至半开；（4）当主管道压力采样值微高于设定范围上限，将比例电磁阀开至开；（5）当主管道压力采样值远高于设定上限，将比例电磁阀关闭。将输出即比例电磁阀的开度U分为5个模糊集为{OF，OB，OM，OS，CL}，对应的物理状态分别为{比例电磁阀全开，比例电磁阀大开，比例电磁阀半开，比例电磁阀微开，比例电磁阀关闭}，比例电磁阀的开度U的论域为{0，0.5，1，1.5，2}。得到输出比例电磁阀开度U的模糊规则如表3所示。对模糊推理得到的模糊集合，采用最大隶属度法对其进行反模糊化。系统程序设计MCU系统程序采用KeilC语言编写，主要实现基于Zig－Bee技术的短距离无线收发功能和设备的运行，完成无线传感器网络功能的管理。系统上位机以组态软件技术开发了人机交互界面，具有手动和自动切换、动态实时参数值显示等功能。系统实时显示土壤温度、湿度和含水量，阀门运行状态和事故报警等信息，可切换显示现场运行情况以及电气设备运行状态。传感器节点程序的流程图如图7所示，网关程序的流程图如图8所示。

结语

本系统通过传感器节点获取节点位置的农田土壤信息，专家系统可依据土壤信息等评估农田土壤状态并给出相应的控制策略，用户可以根据农田土壤状况实现喷、滴灌切换。基于无线传感器网络的节水灌溉控制系统可以实现喷滴灌共存，能够适应多种作物的灌溉需求；有利于实现作物的倒茬轮作，土壤保护的作用；灌溉与施肥、灌溉与喷药融为一体，实现精准灌溉施肥、施药，实现农业灌溉自动化。

作者：荆黎明 徐颖 侯强 田思庆 单位：佳木斯大学信息电子技术学院