基于ATMEGA128單片機的節水灌溉系統設計

劉 凱，王曉健

(濰坊職業學院，山東 濰坊 261031)

發達國家發展高效農業的一個重要途徑是灌溉管理的自動化，美國、日本、以色列等發達國家已采用了先進的灌溉系統，采用先進的節水灌溉制度，由傳統的充分灌溉向非充分灌溉發展，對灌區用水進行監測預報，實行動態管理，采用遙感技術，監測土壤墑情和作物生長，開發和制造了一系列用途廣泛、功能強大的數字式灌溉控制器，并得到了廣泛的應用。地處干早缺水地帶的以色列是世界上微灌技術發展最具有代表性的國家，目前全國農業土地基本上實現了灌溉管理自動化，并且普遍推行自動控制系統，按時、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量都相當高。我國節水灌溉自動化研究仍處于起步階段，自動化程度低。目前開發的自動灌溉控制系統還處于研制、試用階段，并且多數是小規模實驗和理論的探討，而且開發出來的產品價格昂貴。本文介紹的單片機模糊控制節水灌溉系統屬于“大規模灌溉工程中計算機監控系統”的一個子課題，即下位機部分，希望能夠早日投入使用。

1 灌溉控制系統的組成及工作原理

該系統是通過單片機對微灌工程的主要設備進行監測、控制以及各種信息處理，系統簡圖如圖1所示。

滴灌系統主要組成及工作原理如下。

圖1 灌溉控制系統簡圖

(1)首部。包括水泵、過濾器、肥料罐、壓力表和流量計等。 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)，過濾雜質，最后將水、肥輸進干管。

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

(3)滴頭。滴頭的作用是使水流經過微小的孔隙消能，然后成水滴狀灌入土壤。

(4)土壤濕度傳感器。用來采集數據的主要部分，是實現自動灌溉的重要環節。土壤濕度傳感器一般是采集土壤的水吸力大小信號，也叫土壤水分傳感器。通過土壤濕度傳感器來測量土壤的濕度，以便掌握真正的灌溉需求和土壤的保水能力。

(5)單片機控制系統如圖2所示，主要由ATMEGA128微處理器、AT45DB161存儲芯片、DS1302時鐘芯片、MAX232串行通信芯片等部分組成。

圖2 單片機控制系統

單片機控制系統采用ATMEGA128作為核心控制芯片，上位機采用組態作監控。單片機與PC機通過串行通信RS232接口連接。由于存儲數據量大，該系統為單片機擴展AT45DB16 Flash存儲器。多組土壤濕度傳感器可以通過單片機內置的8通道10位A/D轉換輸入端與單片機直接相連，完成信號的A/D轉換及信號傳送。單片機根據接收到的信號進行分析處理，按照模糊控制規則發出控制信號，通過放大驅動電路控制電磁閥動作，完成對某些區域土壤的灌溉。

2 節水灌溉系統模糊控制決策分析

模糊控制是建立在人類思維模糊性的基礎上的。模糊控制與傳統自動控制有著本質的區別，它能較好地仿效和描述人的思維方式，總結和反映人的經驗，對復雜事物和系統可進行模糊度量、模糊識別、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言條件語句，作為控制規則去執行控制。

與傳統的控制方法相比，模糊控制具有如下特點：

(1)模糊控制系統的設計是基于人的豐富知識和經驗，使用語言方法，使它不依賴于系統精確的數學模型，適用于無法精確解析建模的復雜過程與模糊性對象。在本系統中，由于作物灌溉模型的建立受不同作物生長規律、季節、氣候環境等一系列因素的影響，因而建立適應作物生長規律的灌溉模型較困難，所以采用模糊控制規則，而不需要建立精確的數學模型。

(2)對于具有一定操作經驗的操作者，模糊控制方法易于掌握。

(3)模糊規則和合成推理是基于專家知識或熟練操作者的成熟經驗，并通過學習不斷更新，因此它具有智能性和自學性。

(4)控制過程中不需花時間進行復雜運算，提高了系統的時效。

2.1 定義輸入量、輸出量模糊子集和語言論域等級

在灌溉中，土壤濕度是決定作物灌溉與否的重要指標。在設計中，以土壤濕度的誤差e及誤差變化率ec作為輸入變量，系統采用雙輸入單輸出模糊控制，其結構框圖如圖3所示。

圖3 模糊控制結構圖

本系統采用的模糊控制算法是合成推理的查表法。微機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 e=Δl=l-l0，并計算出誤差變化率ec，然后對輸入e和ec及輸出變量u進行模糊化。考慮到節水灌溉實際條件和控制精度，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的模糊語言變量分為 7級：{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，簡記為：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，其論域設為:

2.2 輸入量與輸出量的模糊化過程

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

由上式計算出的Y值若不是整數，可以把它歸入最接近于Y的整數。從而得到相應的等級值E和EC的模糊量，這樣就把精確集轉化為模糊集，以后只討論在[-3，+3]區間內的模糊子集分布。

根據農業部門長期對節水灌溉實踐的總結，得出了模糊控制規則表并且分別設定E、EC和U的隸屬函數賦值表，如表1所示。

2.3 模糊控制響應表的生成

對于雙輸入單輸出模糊控制器，根據模糊控制規則表得出其控制系統的控制規則格式可寫成下列形式：

實際上是由7×7條模糊控制規則組成，其中一些規則可以合并，共合并為25條。下面以第1條模糊控制規則為例來說明其具體運算方法，其他可以此類推。即

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

表1 誤差EC的隸屬函數賦值表

2.4 模糊控制過程

將模糊控制表2存入程序中，在控制過程中，將實時采樣數據與灌溉定額數據庫中相應數據比較，得到一定時間內土壤濕度的偏差，同時計算出偏差變化率，經模糊化處理再與模糊控制表相應行列內容比較，查出控制變量U，進行精確化處理，最后控制輸出電路，達到控制灌水量的目的。

該模糊控制灌溉系統不依賴于精確的數學模型，它是以單片機為硬件結構，模糊規則和合成推理是基于長年的手動灌溉經驗，并可通過學習不斷更新，因此具有智能性和學習性，同時具有數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

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