基于樹莓派的自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隋大鵬

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150030）

隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)自動(dòng)化設(shè)備也不斷增加，更加先進(jìn)的自動(dòng)化智能噴灌、滴灌設(shè)備也開始逐步替代傳統(tǒng)的灌溉設(shè)備。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也在不斷的發(fā)展，遠(yuǎn)程控制的智能灌溉系統(tǒng)也得到了很好的應(yīng)用，管理員可以遠(yuǎn)程管理、查看農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況及環(huán)境狀態(tài)。

1 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用樹莓派IV硬件作為系統(tǒng)的主處理器，輸入信息為土壤濕度傳感器及空氣的溫度、濕度傳感器，輸出設(shè)備選用直流電機(jī)泵。

1.1 樹莓派

樹莓派作為一個(gè)可以獨(dú)立運(yùn)行Linux的微型計(jì)算機(jī)，它的成本非常低廉，重量輕，接口豐富，支持即插即用，可直接控制繼電器等設(shè)備。所以，本灌溉系統(tǒng)采用樹莓派作為主控制器。

1.2 傳感器

本系統(tǒng)采用的土壤濕度傳感器型號(hào)為SMTS-II-U，空氣溫濕度傳感器型號(hào)為DTH11，光照強(qiáng)度傳感器型號(hào)為BH1750FVI。因?yàn)閿?shù)字量傳感器會(huì)比模擬量傳感器有更好的抗干擾能力，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)不易受到環(huán)境噪聲的影響，可以最大限度降低環(huán)境對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響，所以本次選用的上述傳感器都是數(shù)字傳感器。

1.3 灌溉系統(tǒng).

于本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象為盆栽黃豆，因其供水量較小，所以直流電機(jī)加蠕動(dòng)泵就可以滿足實(shí)驗(yàn)需求。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本灌溉系統(tǒng)的主控制程序是在樹莓派IV推薦的Raspbian系統(tǒng)上運(yùn)行的。編寫主程序使用的軟件為Python3.8.1，Web框架為Web應(yīng)用-Flask框架，前端Web頁(yè)面采用B/S結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)庫(kù)軟件為MySQL。

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用Python作為控制程序的主要語(yǔ)言，只需導(dǎo)入模塊就可以讀取各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)及對(duì)輸出蠕動(dòng)泵的PWM控制，最后導(dǎo)入Flask模塊搭建Web服務(wù)器，提供遠(yuǎn)程訪問、控制服務(wù)。

2.2 前端頁(yè)面設(shè)計(jì)

網(wǎng)頁(yè)應(yīng)用一般由兩種程序結(jié)構(gòu)組成，即B/S和C/S結(jié)構(gòu)。其中，C/S結(jié)構(gòu)需要根據(jù)不同的操作系統(tǒng)，安裝對(duì)應(yīng)的軟件作為客戶端才能對(duì)服務(wù)器進(jìn)行訪問，安裝維護(hù)成本高。還需對(duì)各個(gè)操作系統(tǒng)開發(fā)對(duì)應(yīng)的客戶端，也增加了開發(fā)成本。所以，本系統(tǒng)選用使用上更加便捷，開發(fā)成本低的B/S結(jié)構(gòu)，只需要使用Web頁(yè)面即可對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫等操作，可以直觀顯示當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)，手動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)等[1]。

3 控制算法的實(shí)現(xiàn)

針對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境的土壤相對(duì)濕度環(huán)境，本系統(tǒng)采用了目前主流的模糊控制算法。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模糊控制器一共包含4個(gè)輸入量：土壤相對(duì)濕度Hs、土壤溫度Ts、空氣溫度Ta和光照強(qiáng)度I。包含2個(gè)輸出量：灌溉時(shí)長(zhǎng)t和蠕動(dòng)泵的電壓占空比λ（或灌溉時(shí)長(zhǎng)修正因子w）。如果直接由4個(gè)輸入量數(shù)據(jù)進(jìn)行組合后控制2個(gè)輸出量，將會(huì)使模糊控制器結(jié)構(gòu)變得特別復(fù)雜。但是如果將每個(gè)輸入變量的模糊集合數(shù)目設(shè)為n，模糊邏輯規(guī)則庫(kù)的規(guī)模將會(huì)是n4。因此，本系統(tǒng)使用兩個(gè)模糊控制器分別控制灌溉時(shí)長(zhǎng)t和蠕動(dòng)泵電壓占空比λ（或灌溉時(shí)長(zhǎng)修正因子w）。模糊控制器的結(jié)構(gòu)采用了零階T-S模糊控制器結(jié)構(gòu)，輸入數(shù)據(jù)隸屬度函數(shù)為高斯形，輸出隸屬度函數(shù)為模糊單點(diǎn)。整合方法為最大——最小整合，由于模糊推理的結(jié)論部分為模糊單點(diǎn)，解模糊方法為加權(quán)平均數(shù)法。灌溉時(shí)長(zhǎng)模糊控制器輸入是土壤相對(duì)濕度誤差EHs和土壤溫度Ts，輸出是灌溉時(shí)長(zhǎng)t[2]。

實(shí)際灌溉時(shí)長(zhǎng)t

本系統(tǒng)采用了變論域自適應(yīng)的模糊控制算法，使灌溉系統(tǒng)變得更加靈活智能，更好的順應(yīng)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的變化。

4 試驗(yàn)

為檢驗(yàn)本自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)的工作情況，在實(shí)驗(yàn)室做了三株黃豆，使用模糊控制算法進(jìn)行灌溉，從黃豆苗的播種開始，經(jīng)歷了發(fā)芽和開花階段，本系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行將近兩個(gè)月，期間灌溉系統(tǒng)運(yùn)行正常，植物生長(zhǎng)正常。從后臺(tái)數(shù)據(jù)上能看到，試驗(yàn)農(nóng)作物的澆水頻率不是很高，沒有達(dá)到一天一次的頻率，在開花前平均每2天澆一次水，每次15ml左右。如果采用人工或定時(shí)供水，每次大約會(huì)在40ml左右，節(jié)水量達(dá)到了62.5%。

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與微型計(jì)算機(jī)樹莓派的結(jié)合，采用了模糊控制算法，設(shè)計(jì)出一套一種基于樹莓派的自動(dòng)化智能灌溉系統(tǒng)。本系統(tǒng)相對(duì)其他嵌入式控制系統(tǒng)來說，成本更低，操作更加簡(jiǎn)單，運(yùn)行更加穩(wěn)定，而且提供了非常好的用戶交互界面，可以運(yùn)用到對(duì)灌溉量有嚴(yán)格要求的農(nóng)作物生產(chǎn)上，同時(shí)也可以作為普通農(nóng)作物的灌溉系統(tǒng)，達(dá)到節(jié)水的目的。未來可以加入其它控制設(shè)備，全方位自動(dòng)化調(diào)節(jié)植物的所有需要關(guān)注的生長(zhǎng)環(huán)境，如光照，通風(fēng)等等。下一步將通過大數(shù)據(jù)分析，針對(duì)不同農(nóng)作物做出更加精準(zhǔn)的模糊控制算法，希望可以為全國(guó)農(nóng)業(yè)的節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一些參考。