施鳳鳴，駱旭坤

我國是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，當(dāng)前大部分農(nóng)田灌溉還是以粗放式管理為主，農(nóng)田灌溉用水的有效利用系數(shù)只有0.548，尚未達到世界先進水平.因此，發(fā)展智能灌溉技術(shù)，提高灌溉用水的利用效率，是當(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要任務(wù).單片機、PLC、傳感器等硬件設(shè)備在智能灌溉技術(shù)中的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，但是系統(tǒng)控制精度不高，無法滿足用戶遠程監(jiān)控的功能需求［1-3］.隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，多種新技術(shù)被應(yīng)用于智能灌溉，為智能灌溉技術(shù)的進一步發(fā)展提供了有力的技術(shù)保證［4］.本文提出一種基于樹莓派智能云灌溉模糊控制系統(tǒng)，采用模糊控制算法提高系統(tǒng)控制精度，在樹莓派上搭建WEB服務(wù)器，根據(jù)土壤濕度的實時監(jiān)測信息，遠程控制電磁閥的開啟或關(guān)閉，最大程度減少灌溉用水浪費，提高灌溉用水利用率.

1 智能云灌溉系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)以PLC為下位機，以樹莓派為上位機，土壤濕度傳感器采集土壤濕度信息，再通過頻率電壓轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生PLC可接收的電壓信號，通過PLC程序轉(zhuǎn)換，將電壓信號轉(zhuǎn)換為土壤濕度百分比存儲在寄存器中.PLC與樹莓派之間采用Modbus rtu通信協(xié)議進行RS485的串口通信，讀取寄存器中的數(shù)值并上傳至MySQL數(shù)據(jù)庫中，再利用這些數(shù)據(jù)，通過模糊控制器產(chǎn)生一個合理的灌溉時長，實現(xiàn)智能灌溉.最后，開發(fā)WEB應(yīng)用程序，在頁面或手機APP實時顯示土壤濕度信息，遠程操控系統(tǒng)，實現(xiàn)“云”灌溉.系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2 智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計

2.1 土壤濕度檢測電路

土壤濕度傳感器有多種類型，目前較為常見的是基于介電法測量的TDR（Time Domain Reflectometry）和FDR（Frequency Domain Reflectometry）兩種傳感器［5］.由于TDR電路較為復(fù)雜，存在非線性缺陷，而FDR幾乎具備了TDR的所有優(yōu)點，且價格合理，所以系統(tǒng)采用FDR設(shè)計了一款電容型土壤傳感器.通過周圍土壤濕度變化引發(fā)極板間聚合物外膜相對介電常數(shù)（ε）與電容量發(fā)生變化.利用NE555定時器與濕度傳感器構(gòu)成一個多諧振蕩器產(chǎn)生頻率信號，隨著土壤濕度的變化，電容值、充放電時間常數(shù)發(fā)生變化，其輸出波形的峰值也隨之變化，最后通過一個頻率電壓轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生PLC可以接收的電壓信號，具體電路如圖2所示.

圖2 土壤濕度檢測電路

2.2 灌溉模糊控制系統(tǒng)設(shè)計

土壤濕度指的是土壤含水量，由于地形、土壤結(jié)構(gòu)特性和農(nóng)作物生長活動等多方面影響，土壤含水量具有較強的空間變異特性［6］.采用傳統(tǒng)的單一傳感節(jié)點進行土壤濕度檢測，容易造成傳感失協(xié)，精度不足，無法滿足系統(tǒng)控制要求.同時，由于土壤具有較強的時滯性，這就需要土壤控制系統(tǒng)具有一定的預(yù)測能力，能夠根據(jù)當(dāng)前采集的土壤濕度信息預(yù)測水分滲透穩(wěn)定后的土壤濕度情況［7］.因此，本系統(tǒng)采用算法簡單、效果良好的灌溉模糊控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 灌溉模糊控制系統(tǒng)

該灌溉模糊控制系統(tǒng)采用雙輸入、單輸出的二維模糊控制結(jié)構(gòu).假設(shè)適宜濕度值為h0，傳感器實測濕度值為h，則偏差信號E=h0-h，偏差變化率為EC.根據(jù)農(nóng)作物適宜生長土壤濕度范圍，將系統(tǒng)模糊控制區(qū)設(shè)定為40%～80%RH，適宜濕度值設(shè)為70%RH，濕度差為55%RH.經(jīng)過換算，定義偏差E和EC的論域區(qū)間分別為［-8%，+8%］和［-1%，+1%］，變量U的論域為［0，30 min］.模糊子集E取7個語言值{過濕，較濕，微濕，適中，稍干，較干，過干}，簡化為{GS，JS，WS，SZ，PS，PM，PB}，EC也取7個語言值{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，簡化為{ND，NZ，NX，Z，PX，PZ，PD}.其變量的模糊子集論域為{-3，-2，-1，0，1，2，3}，輸出變量灌溉時長U的模糊子集為{零，短，中，長}，簡記為{Z，ST，DT，LT}，其變量的模糊子集論域為U={0，1，2，3，4}.由于E和EC各取7個語言值，所以系統(tǒng)共有49條模糊推理規(guī)則，如表1所示.在實際應(yīng)用中，可根據(jù)項目具體情況對規(guī)則庫進行相應(yīng)調(diào)整，形成最佳灌溉方案.

表1 模糊控制規(guī)則表

2.3 灌溉模糊控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

模糊控制系統(tǒng)軟件設(shè)計有查表法、梯度下降法、最小二乘法等［8］.本系統(tǒng)采用簡單易用的查表法，將事先計算好的控制規(guī)則表存儲在樹莓派中，系統(tǒng)運行時根據(jù)采樣輸入值，按照一定規(guī)則計算比較，在查詢表中查找相應(yīng)值，得到模糊控制輸出量，寫入PLC寄存器，然后通過相應(yīng)的程序控制電磁閥動作時長.灌溉電磁閥開啟時間的模糊邏輯控制表可利用MATLAB提供的模糊控制箱，構(gòu)建模糊控制系統(tǒng)模型，采用Mamdani推理算法控制器，選擇最大隸屬度法計算得出模糊控制輸出量，其邏輯控制如表2所示.

表2 模糊邏輯控制表

當(dāng)土壤濕度百分比低于40%RH時，土壤缺水，開啟電磁閥灌溉30分鐘；當(dāng)土壤濕度百分比進入40%～80%RH區(qū)間時，系統(tǒng)進入模糊控制判斷，根據(jù)模糊控制輸出量改變PLC定時器的設(shè)定值，改變電磁閥開啟時長，灌溉停止后再過30分鐘，進入下一階段的采樣判斷輸出；當(dāng)土壤濕度百分比高于80%RH時，土壤濕潤，不需要灌溉，不打開電磁閥，再過30分鐘，進入下一階段的采樣判斷輸出，構(gòu)成一個閉環(huán)控制系統(tǒng).

3 PLC程序設(shè)計

3.1 PLC模擬量輸入轉(zhuǎn)換

西門子S7-200 SMART PLC可以直接讀取模擬量數(shù)值、支持各類通信，其CPU內(nèi)部用數(shù)值表示外部的模擬量信號，兩者之間有一定的數(shù)學(xué)換算關(guān)系.無論是電壓還是電流信號，都可以用下列通用換算公式換算，公式中的各項參數(shù)如表3所示.

表3 公式各項參數(shù)

在編程的過程中，可以直接添加S_ITR的自定義指令庫，直接將電壓信號轉(zhuǎn)換為內(nèi)部百分比值，再通過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，將濕度傳感器采集到的濕度信息存儲在寄存器中.具體程序如圖4所示.

圖4 模擬量輸入程序

3.2 PLC通信

每個S7-200 SMART CPU都提供一個以太網(wǎng)端口和一個RS485端口（端口0），支持以太網(wǎng)通信、串口通信、OPC通信和MD720遠程通信.樹莓派與PLC之間的通信采用串口通信中的Modbus通信，其中樹莓派作為主站，PLC為從站.要實現(xiàn)Modbus RTU通信，需要使用STEP 7-Micro/WIN SMART Instruction Library（指令庫），Modbus RTU功能通過指令庫中預(yù)先編好的程序功能塊實現(xiàn)，具體程序如圖5所示.

圖5 PLC Modbus RTU通信

4 基于樹莓派的云服務(wù)器監(jiān)控系統(tǒng)

4.1 樹莓派+云服務(wù)器

系統(tǒng)前端采用Angular框架進行頁面設(shè)計，它有一套構(gòu)建用戶界面的豐富組件，是當(dāng)前較為常用的WEB前端框架之一.后端采用SSM（Spring+Spring MVC+MyBatis）框架進行業(yè)務(wù)邏輯的開發(fā)，采用MySQL數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)信息，將查詢到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成json格式放入Redis緩存中，提高數(shù)據(jù)庫處理數(shù)據(jù)的能力［9］.樹莓派采用spring-integration連接MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消 息隊列遙測傳輸），將來自PLC的消息數(shù)據(jù)發(fā)布在云服務(wù)器中，相關(guān)程序如下：

4.2 基于RESTful的WEB應(yīng)用開發(fā)

REST是一種架構(gòu)原則，基于RESTful的API在客戶端（包括可聯(lián)網(wǎng)嵌入式設(shè)備、移動智能手機、計算機等）和平臺服務(wù)器之間交互模式十分簡單，且不再需要其他作用相同的第三方庫［10-11］.用戶不需要了解內(nèi)部實現(xiàn)細節(jié)，只需調(diào)用開放的API，即可通過GET獲取數(shù)據(jù)資源，通過POST、PUT、DELETE對數(shù)據(jù)資源進行提交、更改和刪除等操作.在網(wǎng)站開發(fā)中，RESTful經(jīng)常與AJAX（Asynchronous JavaScript and XML）搭配使用，AJAX是一種前端開發(fā)技術(shù)，用于創(chuàng)建快速動態(tài)網(wǎng)頁，與服務(wù)器進行少量的數(shù)據(jù)交換，并可以做到讓網(wǎng)頁局部刷新［12］.

將土壤濕度傳感器采集到的濕度信息轉(zhuǎn)換為-5 V到5 V的電壓信號，經(jīng)過PLC程序轉(zhuǎn)換為濕度百分比存儲于數(shù)據(jù)寄存器.樹莓派通過輪詢的方式，每隔一段時間向PLC發(fā)送Modbus數(shù)據(jù)幀“03 03 00 00 00 04 45 EB”讀取土壤濕度百分比，在前端頁面顯示.頁面顯示操作主要采用AJAX技術(shù)，土壤濕度百分比在頁面的標(biāo)簽值通過AJAX向服務(wù)器發(fā)送GET請求，后臺程序接到指令后，向MySQL數(shù)據(jù)庫查詢，隨后將查詢值通過json或xml數(shù)據(jù)格式傳遞回前端頁面，改變土壤濕度百分比的頁面標(biāo)簽值，每3秒鐘執(zhí)行一次操作，只要打開網(wǎng)頁就可以不斷循環(huán)，在頁面中顯示實時土壤濕度百分比.當(dāng)土壤濕度百分比達到預(yù)設(shè)閾值時，觸發(fā)由用戶指定動作，動作類型包括向指定手機發(fā)送短信、向樹莓派發(fā)送控制包啟動或關(guān)閉電磁閥，實現(xiàn)智能“云”灌溉，WEB應(yīng)用運行如圖6所示.

圖6 智能灌溉WEB應(yīng)用

5 結(jié)語

基于樹莓派的智能云灌溉模糊控制系統(tǒng)集合了當(dāng)前較為先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與軟件技術(shù)，將采集到的土壤濕度信息存儲在自身的數(shù)據(jù)庫中，通過模糊控制運算器計算所需的灌溉時長，達到智能化灌溉的目的.利用python編程軟件，開發(fā)了WEB控制程序，使系統(tǒng)成為一個集實時查看和控制為一體的“云”平臺，為智能灌溉系統(tǒng)的組建提供了一種新思路，具有一定的參考意義和推廣價值.