基于先進通信技術的農田灌溉系統研究

唐 磊,白振林

(石家莊信息工程職業學院,石家莊 050000)

0 引言

我國是一個農業大國,灌溉用水量巨大,而我國又是水資源匱乏的國家,可用淡水資源僅占總用水量的1/2。目前,我國農村的灌溉方式大部分仍采用人工灌溉,灌溉周期完全依靠人的經驗,造成了較低的農業灌溉用水率和較多的水資源的浪費[1-2]。農作物的過度灌溉或者干旱將導致農作物爛根或者生長過慢,降低了農作物產量。因此,發展智能節水灌溉、實時監控農作物生長環境,實行精準灌溉技術迫在眉睫。

自動灌溉技術是以土壤的溫濕度、肥料狀態及農作物的種類等信息作為主要依據,通過實時監測的方法決定灌溉的周期。傳統的漫灌方式易造成水資源的浪費、土壤肥力的流失,且需要工人對關系效果進行監控;而自動灌溉技術可以提高水資源利用率,節省人力物力等資源,因此采用自動灌溉技術進行農田灌溉。

灌溉系統的遠程監控室用于對農田狀態的監控,其通信環節是保證遠程監控能夠運行的關鍵步驟。一般傳統的農業信息傳輸方式為無線傳輸方式,但由于農田環境氣候變化、地勢較為復雜,導致信息傳輸不穩定,甚至在信息傳輸過程中出現安全問題。電力線通信是利用電力線作為通信的媒介,把信號以載波的方式進行通信的技術手段[3]。該通信方式不需要重新布線,具有成本低、信號傳輸速度快和穩定的優[4-5]。因此,本文將電力線通信方式用于自動灌溉系統信息的遠程傳輸,既可以實現農田的自動灌溉,又可實現農田的遠程監控。

1 系統硬件設計

1.1 總體結構

自動灌溉系統的總體設計方案如下：①系統主要構成為一個主模塊和N個從模塊,且主模塊和從模塊之間通過電力線的方式實現信息的傳遞;②采用單片機實現對灌溉系統的控制;③系統的遠程實時監控通過無線模塊實現。其總體結構如圖1所示。

圖1 自動灌溉系統的總體結構

1.2 主模塊

主模塊為系統的總控制站,主要構成為主機、無線模塊、電力線、可視化操作界面和電源管理模塊,主要用于實現數據的存儲、計算、分析和決策,并向從模塊發布指令,完成農田的自動灌溉。主機為單片機,用于對獲得的數據進行分析、處理和發布指令,以實現對農田的遠程監控。主模塊的主機和無線模塊之間通過互聯網實現數據的傳輸。

該主模塊主要具有以下功能：①實時顯示各傳感器信息,包括農田溫濕度值和目標值,以及農田溫濕度走勢;②由系統軟件計算比較環境參數和目標值,確定系統是否需要灌溉或繼續灌溉;③將數據自動存儲到數據庫中,方便工作人員查詢歷史數據,包括溫濕度值、目標值及報警信息等。

系統的拓撲結構采用總線型結構,為保證農田操作的安全性,通過變壓器將220V的交流電降壓為24V的交流電,由電源管理模塊為主模塊供電。電力線的載波芯片采用HLPLCS520F型號,通信采用FSK方式,具有抗噪、抗衰減和易于實現的優點。在該芯片周圍連接晶振電路、陶瓷濾波器和發射放大電路,其電路如圖2所示。其中,晶振電路和陶瓷濾波器用來抗干擾,獲得穩定的信號傳遞,放大電路用于將信號放大并耦合至電力線。

圖2 晶振電路、陶瓷濾波器和發射放大器電路圖

1.3 從模塊

從模塊位于農田,屬于系統的末梢,主要由電力線、電源管理模塊、水分傳感器、溫度傳感器及從機組成。模塊數量可以根據土地面積的大小確定,保證每個模塊都可以監測到。各從模塊和主模塊通過24V的交流電力線進行連接。

每個從模塊配置一個電源管理模塊,用于提供灌溉系統運行所需要的能量。從模塊中,從機是單片機,用于收集傳感器采集到的農田的溫度和水分含量信息,將信息通過電力線傳輸給主模塊。主模塊對信息處理后發出命令給從機,由驅動器開啟噴頭電磁閥門對農田實施灌溉。該閥門還可以手動控制,當溫度和水分達到了目標值時,停止灌溉,閥門自動關閉。

溫度和水分傳感器用于檢測土壤的溫度和水分,溫度傳感器采用的是單總線的結構,采集到的數據為數字形式,因此可以直接將數據傳遞給從機。溫度在較大土地范圍內的波動較小,因此每個從模塊采用一個溫度傳感器。水分傳感器采集到的信號為模擬信號,需要通過模數轉換才可以將信息傳遞給從機,其探頭測量范圍較小,因此在從模塊三角區域布置3個水分傳感器進行測量。

2 灰色預測模糊PID算法設計

農田的灌溉用水量不是固定的,會隨著氣候、地形等因素變化,因此沒有固定的數學模型可以描述,而傳統的PID控制算法穩定性差,參數不易整合。灌溉系統對于灌溉用水量的精度要求不是特別高,因此采用模糊PID控制算法進行控制。該算法具有不依賴固定數學模型的優點,且可根據以往的工作經驗作為基礎。

農作物的需水量還需要進行預測,以儲備足夠的水源進行灌溉。由于目前只能獲得農田的溫度和水分信息,還存在很多的位置因素,因此可以采用灰色預測方法預測農田需水量。

2.1 模糊PID控制算法

模糊控制系統將水分傳感器采集到的模擬值通過模糊控制器進行數模轉換。通過比較采集到的水分值和目標水分值,得到偏差e和偏差的變化率ec。將偏差和偏差變化率根據實際情況,通過尺度變換到模糊集體域M,M={-n,-n+1,…,n-1,n}。此時,偏差e和偏差變化率ec分別為

e=

ec=

其中,<>為對值取整。以上的運算結果作為模糊控制器的輸入值。模糊控制器的輸出也需要進行轉換,輸出值u為

定義模糊子集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PL,PB},論域范圍為{-6,6}[6],則該隸屬度函數圖如圖3所示。

圖3 模糊PID控制算法隸屬度函數圖

2.2 灰色預測算法

其中,i=1,2,…,n;T=1,2,…,n。此時MGM(1,n)方程組為

通過對上式求解,可以得到

此時,灰色預測模型建立完成,通過該模型可以預測農田的水需求量。

灌溉水量變化時,參數靈敏度變化較快,因此對水量的模糊PID控制器進行輸出后,再融合灰色預測算法進行控制,以達到對需水量較為準確的控制,其算法結構如圖4所示。

圖4 灰色預測模糊PID算法結構

3 試驗結果分析

為驗證該農田自動灌溉系統的性能,選擇一塊30m×30m的農田進行測試。農田內安裝固定噴灌系統,噴頭射程為15m。農田以十字格形式分為4個試驗區,每個試驗區內以三角方式安裝3個水分傳感器,中心處安裝一個溫度傳感器,設定電力線的通信速度為1500b/s。

3.1 數據傳輸可靠性驗證

為驗證該自動灌溉系統數據傳輸的可靠性,在水分傳感器和溫度傳感器旁設置水分和溫度檢測儀檢測土壤水分和溫度,將結果與主機可視化操作界面的顯示結果進行對比,結果如表1所示。

表1 數據傳輸可靠性試驗結果

由表1可知：灌溉系統通過傳感器采集并傳遞至主機可視化從操作界面后,其數據與檢測儀手動檢測結果很接近,誤差很小。其中,水分誤差率均小于4.2%,溫度誤差率均小于1.3%,能夠滿足灌溉的要求。經過測試,該灌溉系統的通信距離能夠達到500m,在測量過程中該系統運行良好。

3.2 系統灌溉試驗

為驗證灌溉系統控制性能,對該系統進行水流量試驗。統計該灌溉系統經測試后和傳統灌溉系統的控制性能指標,結果如表2所示。

表2 灌溉系統控制性能對比測試結果

本灌溉系統性能穩定,控制性能良好,系統的上升時間和峰值時間均小于傳統系統,尤其超調量比傳統系統下降了59%,表明該灰色預測模糊PID控制算法能夠達到對該灌溉系統良好的控制。

4 結論

1)對農田灌溉系統進行了研究。該系統主要構成為一個主模塊和N個從模塊,以電力線為通信手段,由單片機實現對灌溉系統的控制,由無線通信模塊實現對系統的遠程實時監控。

2)該農田灌溉系統通過電力線實現對灌溉系統的通信和遠程監控,通過灰色預測模糊PID控制算法實現灌溉系統的需水量的控制。

3)試驗結果表明：系統可以實現灌溉系統數據的穩定傳輸,以及對灌溉系統水流量的穩定控制,且灌溉系統運行穩定,工作性能良好。