精确控制灌溉

精确控制灌溉（精选三篇）

精确控制灌溉 篇1

关键词：火龙果,精准灌溉,控制系统,设备选型,通讯方式,应用研究

0 引言

火龙果是精品特色水果和喀斯特石漠化山区治理的良好经济作物，产业化前景相当广阔，然而，火龙果适应性、生物学特性、物候期等方面迥异于常规果树[1]。目前在火龙果生产上存在着管理粗放对火龙果营养特性和需水规律针对性不强等问题，极大地影响了火龙果生产效益的充分发挥。为此运用计算机、网络通讯等技术，设计火龙果节能增效精细化管理技术方案，进行精确灌溉控制系统的应用研究，为提高火龙果产量和改善品质，充分挖掘火龙果生产的节能增效潜力提供一种新的途径[2]。

1 精确灌溉控制系统概述

1.1 试验选点

精确灌溉控制系统控制面积为1 hm2，由30个电磁阀（平均1个电磁阀控制0.03 hm2）、30个传感器、4 000个滴头、1个控制柜（含控制器）、1台PC（具备上网条件）、太阳能供电及滴灌管网等组成，达到火龙果节能增效精细化管理的目的。

目标田块分布示意图如图1所示，围绕主管对称分布于2侧，共30块处理区域，30个12 V电磁阀控制灌溉与否，30个土壤湿度传感器实时采集当前土壤湿度。系统的工作模式为手动和自动2种控制模式。在自动控制模式下，管理者设定好火龙果所需土壤含水量，当系统检测到当前土壤湿度低于火龙果正常生长所需时，系统自动打开电磁阀，实施灌溉；当系统检测到当前土壤湿度大于或等于火龙果正常生长所需时，系统自动关闭电磁阀，停止灌溉。系统自动进入下一次循环扫描阶段。在自动控制模式下，管理者可通过手动方式打开或关闭电磁阀，进行灌溉与否。

1.2 目标区域灌溉制度设计

火龙果的株行距定为1.5 m×2.0 m，田间取水采用与压力源水管直接相连接的方式，压力源压力应不低于0.1 MPa。压力源水管与滴管管网连接处应安装手动控制开关阀，工作状态时，应处于长期的开启状态；当目标区域长期无需灌溉，可关闭开关阀使压力管网不再承压。

1.2.1 设计灌水定额

火龙果设计灌水最大定额按《滴灌工程技术》中的公式计算：

式中：mmax为设计最大净灌水定额；γ为干容量，取1.51 g/cm3;z为计划湿润层深度，取45 cm;p为设计土壤湿润比，取18.5%；θmax为适宜土壤含水量质量百分比上限，取39%；θmin为适宜土壤含水量质量百分比下限，取28.6%。

式（1）中的基本资料数据为查GB/T 50363—2006《节水灌溉技术规范》所得，经过计算，灌水最大定额为16.1 mm/hm2。

1.2.2 设计最大灌水周期

最大灌水周期按下式计算：

式中：Tmax为设计灌水周期；Ea为设计耗水强度，取3 mm/d；η为灌溉水利用系数，取0.98。

经过计算，设计灌水周期为5.2 d，取5 d。

1.2.3 灌溉用水制度

结合项目区自然和水源条件、火龙果的生长特性和项目区实际管理经验，项目区火龙果的灌水时间主要依次分为发芽前后到开花期、新梢生长和幼果膨大期、果实迅速膨大期，第1时段灌水3次，第2时段灌水6次，第3时段灌水4次，年灌水次数13次。

1.3 滴灌管网部分

滴灌管网部分拟采用主管、支管、毛管3级结构，初步定为主管管径为Ф50 mm，支管管径为Ф30 mm，毛管管径为Ф10 mm。滴头采用压力补偿式滴头，滴头数量约为4 000个，滴头株行距与火龙果种植一致，亦为1.5 m×2.0 m。

2 精确灌溉控制系统设备参数与选型

火龙果生产精确灌溉控制系统的特点如下：1）以土壤墒情数据作为精确灌溉控制指标。实时采集土壤墒情数据与系统数据库预设的该类数据分析对比并控制灌水，实现根据作物不同生长阶段的需水量要求精准灌溉。2）自动灌溉，节能节水。能按预设需水量数据库要求定时、定量地进行灌溉。3）测流、测压及自动输配水。灌溉系统重要管网分水处安装远传水表、压力表和电磁阀，实时监测压力，分别控制灌溉区域优化配置水资源。4）便捷的控制和管理方式。控制地点可为现场地控、管理房中控、远程网络遥控等，还可采用手机进行控制。针对精确灌溉控制系统的特点，需要对主要设备进行选型。

2.1 控制器部分

2.1.1 控制器的设计与配置

按照精确灌溉控制系统的实际要求，控制器必须同时满足以下条件：1）采用超低功耗、高性能的嵌入式处理器；2）配备多种接口资源，包括模拟信号采集、开关量输入和输出、脉冲信号输入等；3）板载工业级GSM/GPRS/CDMA通信模块，方便用户选择不同的通信组网方式；4）提供用户设置软件，开放式接口，方便与组态软件及其他软件连接；5）支持至少1路RS-232/485方式的用户数据接口，可接入PLC等各种设备。根据控制系统要求，本研究选择性价比较高的XBS8051f310作为精确灌溉控制系统的控制终端。

2.1.2 控终终端的性能

XBS8051f310以C8051f310为核心控制器，集成了模拟、数字信号的采集，使继电器控制输出和无线数据通信于一体。可以直接接入标准变送器输出的模拟、各种电平、干触点、脉冲等信号。控制终端集成了先进的GPRS无线通信、嵌入式单片机和工程测量与控制等技术，稳定性强，可靠性高，实时性好，应用性广，功能强大。

2.2 土壤湿度传感器

2.2.1 土壤湿度传感器的选择

水分是决定土壤介电常数的主要因素，测量土壤的介电常数，能直接稳定地反映各种土壤的真实水分含量，与土壤本身的机理无关，是目前国际上最流行的土壤水分测量方法。PH-TS土壤湿度传感器精度和灵敏度均较高，信号输出形式种类多，可满足不同采集设备的要求，是目前较为通用的土壤水分传感器，故采用PH-TS传感器采集土壤湿度。

2.2.2 土壤湿度传感器的标定

利用现有的TDR（时域反射）进行标定。灌水，使待测容器中土壤达到饱和状态，用现有TDR设备，如MP-406土壤水分测试仪测量土壤体积含水量，并利用PH-TS进行电压测定，记录测值，以后每2～3 d，重复以上的步骤进行测定，直到土壤体积含水量达到10%左右。该方法快速、准确。

2.3 电磁阀

2.3.1 电磁阀的规格参数

电磁阀是系统的关键执行元件，其性能的优劣，直接影响到系统的稳定性，应根据实际使用要求、管网铺设线路的不同及成本等综合考虑。由于低压自保持式脉冲电磁阀功耗低，性能稳定，工作状态为正脉冲打开、负脉冲关闭，故本研究采用12 V低压自保持式电磁阀。

2.3.2 驱动芯片的选择

TC4426驱动芯片是1.5 A双高速功率MOSFET驱动器，输入电流峰值高，工作在4.5～18.0 V的宽电源，具有容性负载能力强的特点，被广泛应用在开关式电源、线路驱动器、脉冲变压器驱动等场合。在编制采集驱动程序时应按照TC4426的时序图进行。当在时间tD1，输入由0 V变为5 V，应延时tF，输出由高电平VDD变为低电平0 V；当在时间tD2，输入由5 V变为0 V，应延时tR，输出由低电平0 V变为高电平VDD。TC4426时序图如图2所示。

2.3.3 驱动电路的设计

电磁阀驱动电路以TC4426驱动芯片为核心进行设计，当P1.6为高电平，P1.7为低电平时，输出端7为低电平，5为高电平，输出端电压V31为12 V,V13为-12 V；反之，当P1.6为低电平，P1.7为高电平时，输出端7为高电平，5为低电平。输出端电压V31为-12 V,V13为12 V；若V31为12 V时，电磁阀打开，则V31为-12 V时，电磁阀关闭。通过输出正负脉冲信号，实现电磁阀工作状态的自由转换。图3为电磁阀驱动电路图。

2.4 太阳能电池板

2.4.1 典型功耗测量

精确灌溉控制系统的用电负载有ARM开发板、数据收发模块等，全部采用5 V供电。表2为下位机的功率消耗，以最大电流消耗值为标准，经过综合计算，1个下位机的能量消耗约为电流400 mA，功率消耗2 W。

实验中用电流表测得上位机输入端的电流总消耗为400 mA左右，400 mA×5 V=2 W，标准的太阳能蓄电池的电压为12或24 V，而控制器的工作电压为5 V，需加12 V转5 V变压器，满足控制器的工作电压要求。

2.4.2 供电系统各参数计算

2.4.2. 1 太阳能电池板的选择

1）太阳能日照时间的确定。根据本地气象条件，最长的阴雨天设定为7 d，核查光照条件，7个阴雨天后一般是3个晴天。太阳能年平均日照小时数，取4.5 h。

2）太阳能电池板功率Ps的确定。

式中：P为用电负载，取2 W;T为负载每天工作小时数，取8 h;T1为连续最长的阴雨天数，取7 d，即在没有光照的情况下，系统能持续工作7 d；ξ为安全系数，包括充放电效率、灰尘遮挡系数等的综合系数、电池组件组合损失修正系数，取0.9;T2为太阳能年平均日照小时数，取4.5 h。

3）太阳能电池板参数。太阳能电池板分为单晶和多晶2种。单晶硅电池板能量转换效率高，稳定性好，相对成本也较高。从材料成本来看，多晶硅太阳电池板低于单晶硅太阳电池；从制造方面来看，多晶硅组件封装成本较低，且易于制备成方型，目前在生产的晶体硅太阳能电池板中，多晶硅太阳能电池板的规模也在不断扩大。

在本设计中，考虑到贵州光照条件和时间都不是很充裕，选用能源效率较为高效的单晶硅，经计算选择30 W太阳能电池板，将太阳辐射能源直接转换成直流电能，经由控制器存贮于蓄电池内储能备用，供负载使用。

2.4.2. 2 蓄电池的选择

目前普遍采用计算太阳能蓄电池容量的公式，具体如下：

1）蓄电池容量Bc的计算。计算公式为

式中：A为安全系数，取1.1～1.5;Q为负载平均耗电量，以工作电流乘以日工作小时数计算，即Q=400 mA×8 h=3.2 A·h;D为修正系数，-10℃以下时取1.2,-10℃以上时取1.1，一般工作环境在0℃以上时取1.0;C为蓄电池放电深度，碱性镍镉蓄电池取0.85，全密闭免维护铅酸蓄电池取0.80。

经过计算，Bc约为33.6 A·h，考虑到系统长期使用，维护不便等特点，采用密闭免维护铅酸蓄电池，容量为35 A·h，电压为12 V。

2）实际电池耗电量Bs（连续7个阴雨天）的计算。具体为

3）太阳能控制器的参数。在使用太阳能板对蓄电池进行充放电管理过程中，需要使用太阳能控制器控制整个过程的工作状态。控制器应具备对蓄电池的过充和过放过程的保护，以及光控、时控、温度保护等功能。目前，常用的太阳能充电控制器主要由一些模拟电路构成，因此存在以下缺点：a.主要为一些简单逻辑控制，无法全方位保证整套系统安全；b.电路一旦设计完后，更改较难；c.电路实现闭环控制较难，因此对温度的补偿功能很难达到，使得整个电路不一定达到最佳状态；d.由于使用场合及条件限制，不适合进行批量生产。

目前的太阳能控制器中加入了微处理器以实现对充放电过程的智能化控制，通过微处理器强大的可编程功能，充分提高对太阳能充电控制的功能，具有以下优点：a.由于微处理器提供多种类型I/O接口，所以对系统的各种保护均比较完整；b.微处理器通常具备可编程功能，通过软件程序，可实现在不同的工作状态下对控制器参数的修改，大大简化了模拟电路，并能实现所需要的各个功能；c.目前，8或16位的单片机均能满足对充电过程的控制，且芯片价格便宜，功能齐全，对外围电路的要求也比较简单，整体性能均比模拟电路稳定很多。

目前太阳能控制器的原理图如图4所示，可以看出整套太阳能系统由微电脑控制器、温度传感器、电流传感器、PWM功率驱动、输出保护及功率驱动和一些场效应晶体管组成。

3 精确灌溉控制系统通讯部分设计

精确灌溉控制系统不仅要求较高的数据传输速率、较宽的信道带宽和较强的保密性，还要求数据的实时监测和精确控制。基于GPRS的无线通讯方式具有安装使用方便、性价比高、覆盖范围广和扩展性好等优点，在水利自动化方面得到广泛应用，故选用GPRS通讯方式进行系统组网[4]。

3.1 GPRS入网方案

中心服务器端利用ADSL等动态公网IP，再加上动态域名解析软件，客户端采用DNS方式解析中心服务器IP地址完成双向通讯，这种方式的优点是减少了公网固定IP的费用。DTU模块只能与公网IP的数据中心服务器相互通信，而用户所在的数据中心服务器，一般通过路由器与公网IP相连接，处于局域网内，是无法与处于公网的DTU模块直接通信的，须利用端口映射技术来实现。

本应用研究主要是通过路由器实现端口映射的。在路由器的转发规则下，使用虚拟服务器进行端口映射，当在路由器上做好端口映射后，也就定义了广域网服务器端口与局域网网络服务器之间的映射关系，所有对广域网服务端口的访问将会被重新定位给通过IP地址指定的局域网网络服务器。则GPRS网络所有发向10000端口的数据，都将转发到数据监控中心服务器上。同理，数据监控中心服务器也可以将数据发送到公网的计算机上。

3.2 ModBus协议

GPRS RTU通过GPRS无线网络将数据包发往远程电脑上配套的测控中心软件。测控中心软件将数据包整理成ModBus RTU协议的格式，通过电脑上的串口（或虚拟串口）发给组态软件（或其他应用软件）使用。

组态软件作为客户机（主站）发送读/写命令帧，测控中心软件作为服务器（从站）发送应答帧。测控中心与GPRS RTU终端是一对多的关系，GPRS RTU终端与外接设备也是一对多的关系。通过对地址码（1-247）分段确定操作的是GPRS RTU终端还是终端外接的设备，本协议将（1-200）的地址码作为终端的地址码，将（201-247）的地址码作为终端RS-485口外接设备的地址码。在对外接设备进行读写指令时，须先指定是要操作哪台GPRS RTU终端的外接设备，可以通过先发送GPRS RTU终端操作指令（地址码1-200）确定当前操作的是哪台终端，然后再发送外接设备的操作指令（地址码201-247）。

基本的通讯字节数据格式是：1个起始位，8位数据，低位在前，无奇偶校验位，1个停止位；默认串口设置为：波特率9 600 bit/s，无奇偶校验，8个数据位，1个停止位。

4 精确灌溉控制系统软件设计

组态软件是指在工业自动化领域中利用系统资源配置软件化的组态理念，提供快速构建工业自动控制系统监控功能、通用层次的应用。它通过计算机信号对农业生产现场自动化设备或过程进行监视、控制和管理，处于控制系统的监控层，可以对工业现场环境进行可视化动画模拟，对多源异构数据进行高效管理，开放的数据接口与I/O设备的广泛支持为通讯与联网提供了保证[5]。

将工业组态软件6.55应用于农业精确灌溉控制系统中，具有适应性强、开放型好、易于扩展、经济性好等优点，可以有效地提高农业示范田的自动化水平，组态软件功能模块如图5所示。

4.1 数据库设计

系统数据库采用SQL Server 2005，作物对象表为作物区域表的父表，作物名称、区域编号、浇灌时间分别为各表的主键，图6为数据库框架图，具体构成如下：

1）作物对象表。包括作物名称，最小、最大湿度，最低、最高温度。

2）作物区域表。包括作物区域编号、大小，以及作物对象、灌溉方式。

3）作物灌溉计划表。包括灌溉区域编号、时间，灌溉量，是否已经灌溉。

4）作物状态表。包括灌溉区域编号，设备通信状态，土壤、空气温湿度传感器状态，雨量温度计状态，风速、流量传感器状态，土壤、空气温湿度值，雨量值，风速值，流量值。

5）作物历史表。包括作物区域编号、灌溉时间、灌溉量，灌溉前、后湿度，以及土壤、空气温湿度值，雨量值，风速值，流量值。

4.2 程序设计

接通电源启动系统后，进入初始化状态。当系统数据接收正常后，系统可以同时完成以下任务：获取土壤湿度，设定温湿度限值和灌溉计划时间，自动控制灌溉，手动控制灌溉。

当管理者设定控制模式为自动控制时，系统具有定时、自适应灌溉等功能，当选择定时灌溉时，若当前时间与计划灌溉时间相等，实行灌溉，否则停止灌溉；当选择自适应灌溉时，若当前环境土壤湿度小于设定作物所需土壤湿度时，实行灌溉，否则停止灌溉。程序设计流程图如图7所示[6]。

4.3 系统运行效果

精确灌溉控制系统于2014年3月在罗甸县火龙果示范基地运行，一段时间的运行结果表明：系统通信稳定，温、湿度数据准确，处理方便快捷，并能准确控制执行元件；自动和手动2种控制方式均有较高的灵敏度；管理者可通过登录口令，修改相关参数的限值，趋势图等图形显示效果好，运行界面美观；能满足生产实际的要求。系统运行界面如图8所示。

5 结语

研究的精确灌溉控制技术以火龙果灌溉制度为例开展应用，完成了系统的设备（包括太阳能供电部分）选型和配置、GPRS无线通讯部分、SQL Server 2005灌溉系统数据库、系统控制软件的设计和开发，并于2014年3月在罗甸县火龙果示范基地运行，还方便用于烤烟、玉米和葡萄等作物的精确灌溉控制。精确灌溉控制系统优势明显，能够节约水资源，满足作物不同生育期的适宜需水量要求，提高作物品质；无需通电布线，节约劳动力，节能增效，具有很好的应用和推广价值。

参考文献

[1]戚艳艳.基于Labview的水肥耦合灌溉控制系统的研究[D].华中农业大学,2011:9-13.

[2]张兵,袁寿其,成立.节水灌溉自动化技术的发展及趋势[J].排灌机械,2003,2(21):37-38.

[3]中华人民共和国建设部,国家质量监督检验检疫总局.GB/T 50363—2006节水灌溉工程技术规范[S].北京:中国计划出版社,2006:121-122.

[4]王玺联.“花生壳”与端口映射在GPRS流量监控系统中的应用实现[J].中国科技信息,2009(24):99-104.

[5]姜训宇,段生梅,母利.节水灌溉自动化技术的发展及前景分析[J].安徽农学通报,2011,17(15):207-208.

室内照明精确控制系统 篇2

摘 要：针对楼宇室内照明广泛使用的格栅灯灯具，以STC11F02单片机为核心控制器设计了格栅灯嵌入式控制模块，并设计了一套室内照明精确控制系统。详细介绍了该系统的组成、硬件电路以及软件程序的设计。实验证明该照明精确控制系统简单可靠、操作方便、成本低廉。

关键词：室内照明 单片机 精确控制

随着社会的不断发展和自然资源的日益紧缺，节约能源已是世界发展的趋势，各个国家相继推出了具体的实施措施。据相关统计资料显示，现代建筑物的能耗相当大，约占整个国家总能耗的30%，而建筑物的照明在建筑物能耗中又占有很大的比例，因此建筑物的照明节能在节约能源方面有着重要的作用与潜力[1]。格栅灯是建筑物照明，特别是商场、写字楼照明应用最广泛的光源之一，而现阶段格栅灯的控制方式比较简单、单一，大部分采用灯具的并联控制方式，即同时开启或关闭多盏灯具。而室内的自然照明环境以及室内空间的使用情况是变化的，因此不同空间需要的人工照明环境是不同的，传统的控制方式难以满足这一要求，造成了不必要的资源浪费。本文提出并设计了精确照明控制系统，可以根据时间或者需要控制任意灯具的工作状态，从而达到满足照明要求的.同时做到节能的最大化。

1 系统组成

该室内照明精确控制系统由嵌入式格栅灯控制模块、系统控制面板及格栅灯组成。其中嵌入式格栅灯控制模块安装在格栅灯中;格栅灯采用并联方式接至220V供电回路中;系统控制面板与各格栅灯采用屏蔽双绞线接线，采用RS485通讯。其系统结构示意图如图1所示。

2 硬件电路

2.1 格栅灯控制模块

格栅灯控制模块与电子镇流器一起安装在格栅灯内，其主要作用是接收系统控制面板所发出的指令，控制格栅灯中三支灯管的工作状态(以三管格栅灯为例)。

格栅灯控制模块以STC11F02 MCU为控制器核心，加入工作电源、晶振、复位电路构建最小系统。MCU工作电源为5 V直流电压，由交流220 V电压经整流稳压电路变换而得。

隔离与电流采集电路原理图如图2所示。

隔离电路工作原理是MCU发出控制信号经光电双向可控硅驱动器MOC3061及双向可控硅BTA08控制格栅灯镇流器电源的通断状态。由电流互感器、两个LM324运算放大器构成电流采集电路。荧光灯管的电流经电阻转换成电压信号，再经LM324构成的差分运算电路和电压比较电路将电压的正弦波依次变为三角波和方波，最终输入到单片机中，从而判断荧光灯管的开关状态。

2.2 系统控制面板

系统控制面板为用户提供一个操作界面，显示系统中的格栅灯位置及工作状态，用户可根据需要进行相应的选择和操作。系统控制面板以LPC1768为控制器核心，加入工作电源、晶振、复位电路及LCD液晶显示触摸屏等。

2.3 通讯

系统采用RS485通讯方式，其布线简单、抗干扰能力强、信号传输稳定，是目前工控中被广泛使用的通讯方式之一。

3 软件

室内照明精确控制系统的软件部分分为系统控制面板软件与格栅灯控制模块软件，由各子程序构成。系统控制面板软件主要包括初始化子程序，串口中断子程序、液晶显示子程序、触摸屏扫描子程序、CRC校验子程序等。格栅灯控制模块软件主要包括初始化子程序、串口中断子程序、CRC校验子程序、灯管控制子程序等。

在系统搭建时每盏格栅灯均分配一个专属地址，系统控制面板发出的控制指令经屏蔽双绞线传输到各盏格栅灯控制模块，而只有地址匹配的格栅灯控制模块才会响应并执行动作。

为保证数据传输的准确性，采用CRC校验码。在发送指令字符串时，在字符串的末位加入前面各字节的CRC校验码;在接收指令字符串时，先计算接收到的字符串的CRC校验码，再将此计算CRC校验码与接收CRC校验码相比较，两者相同则视为数据传输正确，否则视为数据传输错误。

4 结语

该文针对室内格栅灯照明搭建了室内照明精确控制系统。根据自然照明环境和空间使用情况，定时或手动的通过系统控制面板来控制室内的任何一盏格栅灯的任何一只灯管的工作状态，并将其工作状态实时的在系统控制面板上进行显示。在保证照明质量的前提下尽可能的减少格栅灯的使用数量，从而达到照明节能的目的，同时控制面板还留有接口供上层开发。实验证明本系统结构简单，成本低、可靠性高，是值得采用的照明节能控制方案之一。

参考文献

[1] 陶小环，贾睿新.论楼宇智能照明控制系统的应用与研究[J].中小企业管理与科技(上旬刊)，(2)：265-266.

[2] 杨立彪.C-bus智能照明控制系统与节能[J].智能建筑与城市信息，(11).

[3] 陈悦婷.浅谈智能照明控制系统和应用[J].科技创新与应用，(5).

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精确控制灌溉 篇3

1 自动灌溉施肥系统的组成及原理分析

现代化精确农业系统中农作物所需求的营养成分均来自营养液中, 因此要结合作物生长的需求进行合理的灌溉, 灌溉用水中要加入作物生长所需要的营养成分, 以随灌溉运输供给作物生长。本系统对营养液浓度、p H值、EC值的检测和供给量将进行动态监测的同时还进行实时控制[6,7]。

根据系统要求设计了灌溉施肥系统的总体结构, 灌溉施肥管路系统由原水泵、机械隔膜计量泵、搅拌泵、减压阀、电磁阀、传感器、加药桶等组成, 控制核心部件采用了西门子的PLC控制器, 如图1 所示。

精确农业自动灌溉施肥系统的控制方式分为人工手动控制和定时定量的自动控制。在灌溉区域内, 每组滴灌带支路上装有1个电磁阀。在自动控制时, 当系统达到需要灌溉的时间, 系统将会打开控制该组支路上的电磁阀。然后启动原水泵, 开始灌溉。同时通过涡轮流量计检测主管路内原水的瞬时流量, 这样就可以根据灌溉时间, 计算出灌溉所用的原水量。PLC可以依据设定的营养液浓度和检测到的原水流量, 计算出营养液的注入量, 通过变频器控制计量泵向主管路内注入营养液, 这样就实现了对农作物随水施肥的自动控制。将p H值和EC值传感器安装在靠近灌溉区域的主管路上, 以便能够精确的检测肥水中的p H值和EC值。将检测值实时传送给PLC控制器, PLC依据实时传送的数据与控制器设定的p H值和EC值之间在达到允许偏差范围内, 短时间内通过变频器调整计量泵向主管路内注入的酸碱液, 实现了对农作物随水施肥的精确自动控制。灌溉时每个电磁阀依次灌溉, 要为保障系统安全, 管路内压力不致过高, 灌溉结束时应先关闭原水泵, 再关闭电磁阀。

2 自动灌溉施肥控制系统设计

2.1 系统硬件设计

该系统的自动控制部分采用西门子1200 PLC控制器, 24 V直流开关电磁阀, 通过触摸屏上的按键实现对灌溉的开关量控制。根据系统设计要求, EC值、p H值这2种传感器要实现在线检测以满足营养液在线混合控制。同时, 传感器的反应时间也要满足控制要求。该系统电气原理如图2所示。

3.2 营养液浓度控制算法

该系统原水泵的出水量控制由PLC控制交流接触器的开关时间来确定。通过PLC检测单位时间内涡轮流量计输出的高速脉冲数, 即可得到原水的瞬时流量和累积流量, 进而可以计算出计量泵营养液向主管道的注入量, 根据p H值、EC值的检测数据实时调整, 以达到自动控制的目的。

要根据农作物生长所需的营养液的配比, 采用随水施肥的方式对农作物进行灌溉。由于该系统是将营养液直接注入到供水管路里, 较为复杂, 滞后性及惯性均较大, 因此该系选用模糊逻辑控制方法。PLC依据触摸屏中设定的营养液浓度, 控制其输出的4~20 m A的电流信号, 来控制变频器的输出频率, 进一步控制计量泵营养液注入量和PE值、EC值传感器的实时检测反馈, 进一步调整变频器的输出频率, 进而精确地控制酸碱管中计量泵的加药量。

模糊控制器与常用的闭环负反馈系统类似, 它的设计包含了以下几方面:首先要确定模糊控制器的输入、输出变量;随后设计模糊控制的规则;然后明确模糊化合肥模糊化的方法, 选择输入、输出变量的论域, 同时明确控制器的参数;最后进行语言编程, 并选择合理的采样时间。在模糊控制器的结构选型设计时, 要参考系统的性能指标和所要控制的被控对象。一般情况下是将偏差e和偏差的变化率△e, 以及偏差变化率的变化值△2e作为模糊控制器的输入变量。通常情况下模糊控制器的维数就是该控制器输入变量的个数。模糊控制器的维数越高, 整个系统控制的就越精细;反之维数越低, 控制就会相对粗糙。如果维数过高, 模糊控制器的规则和算法就会变得相当复杂, 实现起来就会比较困难。模糊控制器的规则和算法确定好之后, 通过计算就会得到模糊控制表, 将该表固化在系统程序中, 即可以用查表法实现模糊控制。最后还需要经过反复的实验不断地校正和修正该模糊控制器的规则和模糊控制表, 这样才能得到比较好的控制效果[3]。在该营养液混合控制系统中采用二维模糊控制器。模糊控制系统结构如图3所示。

在本系统主要有以下2个控制量, 即为EC值和p H值。为了有效地对模糊控制系统的复杂度进行控制, 设计了2个二维模糊控制器, 以对EC值和p H值分别进行控制。将输出营养液与原水混合后的浓度与给定值的偏差e及e的变化率△e模糊化。在本系统中, 转化e、△e的量化因子为K1、K2, 控制量u的比例因子为Ku。因为本系统延迟很大, 并且原水的流速会有一定的波动, 所以检测到的p H值、EC值波动也较大, e和△e的模糊语言值和论域等级不宜过多。若选取营养液的浓度偏差e的基本论域为[-5%, 5%], 对应模糊集E={负高 (NH) , 负低 (NL) , 零 (ZE) , 正低 (PL) , 正高 (PH) };论域为{-4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4};则偏差量化因子K1为0.8。选取偏差变化率△e的基本论域为[-10%, 10%], 则其对应的模糊集为Ec={负高 (NH) , 负低 (NL) , 零 (ZE) , 正低 (PL) , 正高 (PH) };论域为{-4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4};则偏差变化率的量化因子K2为0.4。经模糊判断后所得到的实际控制量U的论域, U={负高 (NH) , 负低 (NL) , 零 (ZE) , 正低 (PL) , 正高 (PH) }, 论域为{-4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4}。这时可以将该模糊控制模型近似的看成一个PI控制器, 这样就可以更好的保证该模型的稳定性, 削弱了系统响应过程中的超调量和震荡的现象。有利于该模型的建立。

根据系统特性及操作人员的经验得到模糊控制规则如表1 所示。采用Mamdani极大极小推理模糊推理及重心法模糊判决, 离线计算, 并在试验中不断调整, 得到模糊控制表并将其固化在PLC中。

程序运行的每个控制周期, 控制器将输入的e、△e分别乘以K1、K2, 经过对结果的分析并舍入, 然后通过查表得到控制量的论域值, 再用查到的值乘以比例因子Ku, 获得实际控制量, 以对被控对象进行控制。

2.3 系统软件设计

系统上电后, 首先操作者通过触摸屏进入自动工作状态, 由操作者输入开始灌溉的时间、计划灌溉多长时间、营养液的倍率和所要灌溉的区域等。然后控制程序开始运行, 待触摸屏上显示到达灌溉的开始时间后, 灌溉区内设定的电磁阀打开, 系统开始灌溉, 此过程可达到定时、定量的效果。此过程中可以实时监测并报警。通过相关资料可以查阅到系统灌溉运行的具体数据。系统主程序流程如图4 所示。

3 结语

本文介绍的模糊自动灌溉及施肥控制系统设计合理, 具有定时、定量自动灌溉施肥功能, 可以在灌溉时将多种营养液成分按照设定的倍率自动添加至灌溉主管路, 实现随水施肥一体化的功能, 大大提高了灌溉及施肥的效率。此外, 本系统营养液的混合采用模糊控制EC值和p H值传感器, 可以达到控制的精准度及实时性。图5为设备整体效果。

通过试用结果表明, 本系统安全可靠, 结构简单, 使用方便, 价格低廉, 可以满足农业生产上的需求, 不但对于灌溉系统中的自动施肥系统设计, 而且对于液体中混合物的浓度及酸碱度的控制系统都具有较高的参考价值。

摘要：主要介绍一种适合设施农业在温室大棚中使用的自动灌溉施肥系统, 该系统可以采用人工或自动控制温室内农作物的灌溉时间, 自动控制营养液的浓度。其中灌溉量、营养液的注入量均采用时间控制, 营养液浓度的控制规则采用模糊逻辑控制算法, 解决了常规水肥一体化系统需要事先手动将营养液与灌溉水混合在一起, 并且混合时间过长2种营养液成分会发生化学反应产生沉淀、降低肥力的问题。该系统设计合理, 操作简单、价格低廉, 控制效果能够满足实际要求。

关键词：精确农业,自动灌溉,随水施肥,模糊逻辑控制,PLC

参考文献

[1]周长吉.温室工程设计手册[M].北京:中国农业出版社, 2007.

[2]李士勇.模糊控制[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 2011.

[3]王仁祥, 王小曼.西门子S7-1200PLC编程方法与工程应用[M].北京:中国电力出版社, 2011.

[4]THOMSON S J.Modle-based irrigation management using a dynamicparameter adjustment method[J].computer and electronics in agriculture, 1998 (2) :256-270.

[5]夏洪, 林刚勇, 朱兆优, 等.一种PLC控制的自动灌溉系统[C]//全国智能检测与运动控制技术研讨会, 2007:64-65.

[6]宋跃, 黄晓锋, 黄晓园.基于GPRS的自动灌溉系统硬件设计[J].实验室研究与探索, 2012 (6) :10-13.