劉 凱，王曉健

(濰坊職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261031)

發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展高效農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要途徑是灌溉管理的自動(dòng)化，美國(guó)、日本、以色列等發(fā)達(dá)國(guó)家已采用了先進(jìn)的灌溉系統(tǒng)，采用先進(jìn)的節(jié)水灌溉制度，由傳統(tǒng)的充分灌溉向非充分灌溉發(fā)展，對(duì)灌區(qū)用水進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，實(shí)行動(dòng)態(tài)管理，采用遙感技術(shù)，監(jiān)測(cè)土壤墑情和作物生長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)和制造了一系列用途廣泛、功能強(qiáng)大的數(shù)字式灌溉控制器，并得到了廣泛的應(yīng)用。地處干早缺水地帶的以色列是世界上微灌技術(shù)發(fā)展最具有代表性的國(guó)家，目前全國(guó)農(nóng)業(yè)土地基本上實(shí)現(xiàn)了灌溉管理自動(dòng)化，并且普遍推行自動(dòng)控制系統(tǒng)，按時(shí)、按量將水、肥直接送入作物根部，水資源利用率和單方水的糧食產(chǎn)量都相當(dāng)高。我國(guó)節(jié)水灌溉自動(dòng)化研究仍處于起步階段，自動(dòng)化程度低。目前開(kāi)發(fā)的自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)還處于研制、試用階段，并且多數(shù)是小規(guī)模實(shí)驗(yàn)和理論的探討，而且開(kāi)發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品價(jià)格昂貴。本文介紹的單片機(jī)模糊控制節(jié)水灌溉系統(tǒng)屬于“大規(guī)模灌溉工程中計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)”的一個(gè)子課題，即下位機(jī)部分，希望能夠早日投入使用。

1 灌溉控制系統(tǒng)的組成及工作原理

該系統(tǒng)是通過(guò)單片機(jī)對(duì)微灌工程的主要設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制以及各種信息處理，系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

滴灌系統(tǒng)主要組成及工作原理如下。

圖1 灌溉控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

(1)首部。包括水泵、過(guò)濾器、肥料罐、壓力表和流量計(jì)等。 其作用是從水源抽水加壓(1×105～3×105Pa)，施入化肥溶液(化肥罐容積50～100 L)，過(guò)濾雜質(zhì)，最后將水、肥輸進(jìn)干管。

(2)管道系統(tǒng)。管道系統(tǒng)包括干管、支管和毛管。干、支管內(nèi)徑一般為37.5～100 mm，毛管內(nèi)徑為10 mm左右，均由高壓聚乙烯或聚氯乙烯制成。為預(yù)防生物堵塞，往往在塑料中添加炭黑，各級(jí)管道之間均用二通、三通、四通、旁通連接。

(3)滴頭。滴頭的作用是使水流經(jīng)過(guò)微小的孔隙消能，然后成水滴狀灌入土壤。

(4)土壤濕度傳感器。用來(lái)采集數(shù)據(jù)的主要部分，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉的重要環(huán)節(jié)。土壤濕度傳感器一般是采集土壤的水吸力大小信號(hào)，也叫土壤水分傳感器。通過(guò)土壤濕度傳感器來(lái)測(cè)量土壤的濕度，以便掌握真正的灌溉需求和土壤的保水能力。

(5)單片機(jī)控制系統(tǒng)如圖2所示，主要由ATMEGA128微處理器、AT45DB161存儲(chǔ)芯片、DS1302時(shí)鐘芯片、MAX232串行通信芯片等部分組成。

圖2 單片機(jī)控制系統(tǒng)

單片機(jī)控制系統(tǒng)采用ATMEGA128作為核心控制芯片，上位機(jī)采用組態(tài)作監(jiān)控。單片機(jī)與PC機(jī)通過(guò)串行通信RS232接口連接。由于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量大，該系統(tǒng)為單片機(jī)擴(kuò)展AT45DB16 Flash存儲(chǔ)器。多組土壤濕度傳感器可以通過(guò)單片機(jī)內(nèi)置的8通道10位A/D轉(zhuǎn)換輸入端與單片機(jī)直接相連，完成信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換及信號(hào)傳送。單片機(jī)根據(jù)接收到的信號(hào)進(jìn)行分析處理，按照模糊控制規(guī)則發(fā)出控制信號(hào)，通過(guò)放大驅(qū)動(dòng)電路控制電磁閥動(dòng)作，完成對(duì)某些區(qū)域土壤的灌溉。

2 節(jié)水灌溉系統(tǒng)模糊控制決策分析

模糊控制是建立在人類思維模糊性的基礎(chǔ)上的。模糊控制與傳統(tǒng)自動(dòng)控制有著本質(zhì)的區(qū)別，它能較好地仿效和描述人的思維方式，總結(jié)和反映人的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)復(fù)雜事物和系統(tǒng)可進(jìn)行模糊度量、模糊識(shí)別、模糊推理、模糊控制和模糊決策。模糊控制的核心在于它具有模糊性的語(yǔ)言條件語(yǔ)句，作為控制規(guī)則去執(zhí)行控制。

與傳統(tǒng)的控制方法相比，模糊控制具有如下特點(diǎn)：

(1)模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于人的豐富知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，使用語(yǔ)言方法，使它不依賴于系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，適用于無(wú)法精確解析建模的復(fù)雜過(guò)程與模糊性對(duì)象。在本系統(tǒng)中，由于作物灌溉模型的建立受不同作物生長(zhǎng)規(guī)律、季節(jié)、氣候環(huán)境等一系列因素的影響，因而建立適應(yīng)作物生長(zhǎng)規(guī)律的灌溉模型較困難，所以采用模糊控制規(guī)則，而不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型。

(2)對(duì)于具有一定操作經(jīng)驗(yàn)的操作者，模糊控制方法易于掌握。

(3)模糊規(guī)則和合成推理是基于專家知識(shí)或熟練操作者的成熟經(jīng)驗(yàn)，并通過(guò)學(xué)習(xí)不斷更新，因此它具有智能性和自學(xué)性。

(4)控制過(guò)程中不需花時(shí)間進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算，提高了系統(tǒng)的時(shí)效。

2.1 定義輸入量、輸出量模糊子集和語(yǔ)言論域等級(jí)

在灌溉中，土壤濕度是決定作物灌溉與否的重要指標(biāo)。在設(shè)計(jì)中，以土壤濕度的誤差e及誤差變化率ec作為輸入變量，系統(tǒng)采用雙輸入單輸出模糊控制，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 模糊控制結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)采用的模糊控制算法是合成推理的查表法。微機(jī)先采集土壤濕度的精確值l，然后將該精確值與給定的土壤濕度值 l0相比較得到誤差信號(hào) e=Δl=l-l0，并計(jì)算出誤差變化率ec，然后對(duì)輸入e和ec及輸出變量u進(jìn)行模糊化?？紤]到節(jié)水灌溉實(shí)際條件和控制精度，分別定義模糊化后的誤差E、誤差變化率EC和控制量的變化 U的模糊語(yǔ)言變量分為 7級(jí)：{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，簡(jiǎn)記為：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，其論域設(shè)為:

2.2 輸入量與輸出量的模糊化過(guò)程

把精確量e、ec轉(zhuǎn)化為模糊量，一般如果精確量X的實(shí)際變化范圍為[a，b]，將[a，b]區(qū)間的精確變量轉(zhuǎn)換為[-3，+3]區(qū)間變化的變量Y，采用如下公式：

由上式計(jì)算出的Y值若不是整數(shù)，可以把它歸入最接近于Y的整數(shù)。從而得到相應(yīng)的等級(jí)值E和EC的模糊量，這樣就把精確集轉(zhuǎn)化為模糊集，以后只討論在[-3，+3]區(qū)間內(nèi)的模糊子集分布。

根據(jù)農(nóng)業(yè)部門長(zhǎng)期對(duì)節(jié)水灌溉實(shí)踐的總結(jié)，得出了模糊控制規(guī)則表并且分別設(shè)定E、EC和U的隸屬函數(shù)賦值表，如表1所示。

2.3 模糊控制響應(yīng)表的生成

對(duì)于雙輸入單輸出模糊控制器，根據(jù)模糊控制規(guī)則表得出其控制系統(tǒng)的控制規(guī)則格式可寫成下列形式：

實(shí)際上是由7×7條模糊控制規(guī)則組成，其中一些規(guī)則可以合并，共合并為25條。下面以第1條模糊控制規(guī)則為例來(lái)說(shuō)明其具體運(yùn)算方法，其他可以此類推。即

并求出與上述條件語(yǔ)句對(duì)應(yīng)的模糊關(guān)系矩陣，在求得模糊關(guān)系矩陣R之后，根據(jù)公式U=(E×EC)ToR可求得在輸入E和EC作用下的輸出模糊向量集，采用隸屬函數(shù)最大原則求取各相應(yīng)控制量，可得該系統(tǒng)的模糊控制表，如表2所示。

表1 誤差EC的隸屬函數(shù)賦值表

2.4 模糊控制過(guò)程

將模糊控制表2存入程序中，在控制過(guò)程中，將實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)與灌溉定額數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)數(shù)據(jù)比較，得到一定時(shí)間內(nèi)土壤濕度的偏差，同時(shí)計(jì)算出偏差變化率，經(jīng)模糊化處理再與模糊控制表相應(yīng)行列內(nèi)容比較，查出控制變量U，進(jìn)行精確化處理，最后控制輸出電路，達(dá)到控制灌水量的目的。

該模糊控制灌溉系統(tǒng)不依賴于精確的數(shù)學(xué)模型，它是以單片機(jī)為硬件結(jié)構(gòu)，模糊規(guī)則和合成推理是基于長(zhǎng)年的手動(dòng)灌溉經(jīng)驗(yàn)，并可通過(guò)學(xué)習(xí)不斷更新，因此具有智能性和學(xué)習(xí)性，同時(shí)具有數(shù)字控制的精確性和軟件編程的柔軟性。

表2 U的模糊控制表

[1]張璐.節(jié)水灌溉自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用[J].水土保持研究，2007，14(5):385-387.

[2]唐元海.中國(guó)節(jié)水灌溉事業(yè)的發(fā)展與展望[J].青海水利，1999(2):26-35.

[3]張兵，袁壽其，成立.節(jié)水灌溉自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展及趨勢(shì)[J].排灌機(jī)械，2003，21(2):37-41.

[4]孫威，毛罕平，左志宇，等.基于單片機(jī)的節(jié)水灌溉自動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35(29):9228-9230.

[5]吳普特，牛文全.節(jié)水灌溉與自動(dòng)控制技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[6]周和平，趙登明，禹鋒.我國(guó)節(jié)水灌溉灌水器研究現(xiàn)狀與展望[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2007(5):68-70.