吳啟虎 陳瑞

摘 要：針對當前農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的應用不夠自動化、智能化等問題，文中提出了一種基于嵌入式的智能灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用嵌入式核心控制器，可提高系統(tǒng)的實時性和智能化水平；運用模糊控制的系統(tǒng)控制算法，對不易建立精確數(shù)學模型的控制對象能夠進行很好的處理；利用智能移動設(shè)備的遠程控制器，更好地實現(xiàn)了系統(tǒng)的監(jiān)控性能。

關(guān)鍵詞：智能灌溉；嵌入式控制器；模糊控制算法；智能移動設(shè)備

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）01-00-02

0 引 言

隨著科技的發(fā)展與經(jīng)濟水平的不斷提高，人們的生活水平得到了不斷改善，人口數(shù)量也呈現(xiàn)出不斷增長的趨勢。人口數(shù)量的不斷增長，勢必會給社會發(fā)展帶來持續(xù)增大的壓力，產(chǎn)生一系列尖銳的社會問題。其中，解決糧食緊張的問題迫在眉睫。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)不僅需要消耗大量的人力、物力，而且效率也不高。因此，對原有的灌溉系統(tǒng)進行有效改進，已成為農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。本文采用嵌入式核心控制器件，運用模糊控制算法對各種傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行處理，并將處理后的結(jié)果作用于控制部件，以提高系統(tǒng)的自動化、智能化水平。同時，本系統(tǒng)利用智能移動設(shè)備接收現(xiàn)場采集的信息，并且可以通過智能移動設(shè)備實現(xiàn)對系統(tǒng)的遠程控制。該系統(tǒng)的設(shè)計，對提高系統(tǒng)的灌溉效率及節(jié)約用水具有十分重要的意義。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本文設(shè)計一種基于嵌入式的智能灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)可利用溫度傳感器、濕度傳感器、風速傳感器、光照傳感器等對現(xiàn)場的環(huán)境信息進行采集，并把采集到的信息傳送到嵌入式處理器中。嵌入式處理器利用模糊控制算法對各種信息進行處理，以處理后的結(jié)果控制執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行相應的動作，從而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制。同時，以智能手機為遠程控制設(shè)備可隨時隨地觀測采集到的數(shù)據(jù)，并可對系統(tǒng)實現(xiàn)遠程控制。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 基于嵌入式的核心處理器和模糊算法

2.1 嵌入式處理器

采用S3C2410處理器，該處理器是韓國三星公司基于ARM920T核開發(fā)的嵌入式微處理器，屬于中高檔32位嵌入式微處理器。其采用哈佛體系結(jié)構(gòu)，內(nèi)部的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器被分開，具有16 KB的指令Cache和16 KB的數(shù)據(jù)Cache，采用五級流水線進行工作，使用ARM公司生產(chǎn)的AMBA總線，高速組件采用AHB總線，而低速組件采用APB總線。

對所采集的信號進行處理的過程如圖2所示。

2.2 車流量模糊算法

由于灌溉現(xiàn)場的環(huán)境復雜，不易建立精確的數(shù)學模型，為了更好地對現(xiàn)場的各種信息進行處理，本系統(tǒng)采用模糊控制作為系統(tǒng)的控制算法。

在現(xiàn)場中，每隔一段距離放置一個傳感器組，其中的溫度傳感器用于采集空氣中的溫度，濕度傳感器用于采集土壤中的濕度，風速傳感器用于采集現(xiàn)場風速，光照傳感器用于采集現(xiàn)場光照強度。最后合成各種傳感器采集到的數(shù)據(jù)。

控制器的輸入為溫度傳感器數(shù)據(jù)A，濕度傳感器數(shù)據(jù)B，風速傳感器數(shù)據(jù)C，光照傳感器數(shù)據(jù)D，輸出為執(zhí)行機構(gòu)控制的電磁閥的開度E。對于數(shù)據(jù)A、B、C、D都分為三個模糊集：SA（溫度低）、MA（溫度中）、LA（溫度高）；SB（濕度低）、MB（濕度中）、LB（濕度高）；SC（光照弱）、MC（光照中）、LC（光照強）；SD（風速?。?、MD（風速中）、LD（風速大）。將輸出開度E分為五個模糊集：VS（很?。S（?。?、KZ（中）、KL（大）、VL（很大）。A的論域為{1，2，3}； B的論域為{1，2，3}；C的論域為{1，2，3}；D的論域為{1，2，3}；E的論域為{0，1，2，3，4}。

3 執(zhí)行機構(gòu)控制模塊

系統(tǒng)采用嵌入式處理器S3C2410作為系統(tǒng)的核心控制模塊，以控制系統(tǒng)正常運行。而對于系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，本文采用直流伺服電機，該電機具有啟動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍廣、容易控制等特點，廣泛用于農(nóng)業(yè)和工業(yè)控制領(lǐng)域。直流伺服電機的控制對象是電磁閥，電磁閥是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中進行控制的設(shè)備，是一種用來控制流體的基礎(chǔ)元件，能夠調(diào)節(jié)流體的流量及流速。因此，本系統(tǒng)能夠?qū)λ魉俣燃伴_度的大小進行很好地控制。

通過模糊算法處理后的數(shù)字量，利用D/A轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為模擬量。由于此模擬量的幅值較小，還不足以驅(qū)動直流伺服電機，因此，需要外加一個合適的放大電路，將模擬量進行放大后驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，從而利用電機控制電磁閥的開度，實現(xiàn)系統(tǒng)的執(zhí)行功能。執(zhí)行機構(gòu)的控制過程如圖3所示。

4 遠程控制模塊

本系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控，能夠隨時隨地對系統(tǒng)的運行狀況進行監(jiān)視和控制。遠程控制設(shè)備為智能手機，具有操作方便、攜帶便捷等特點。系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)及處理后的結(jié)果數(shù)據(jù)可以通過3G網(wǎng)絡(luò)實時發(fā)送到智能手機上，同時，操作者也可以通過手機上的一些控制鍵控制系統(tǒng)執(zhí)行相應的動作。遠程監(jiān)控過程如圖4所示。

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)以嵌入式處理器為核心控制模塊，不僅處理速度快，實時性高，而且具有網(wǎng)絡(luò)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的遠程控制。以各種傳感器為數(shù)據(jù)采集器件，能夠?qū)ΜF(xiàn)場的各種數(shù)據(jù)進行采集，實時監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境的變化。以直流伺服電機為執(zhí)行機構(gòu)，具有易于控制的優(yōu)點。以智能手機為遠程控制終端，隨時隨地實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。本系統(tǒng)可以在原有灌溉系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行改造，具有成本低、易于維護等特點，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)中具有較大的實用價值。

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