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李海波  楊國(guó)華  付琛  劉昌珍  趙曉峰

（無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，江蘇無錫214153）

摘要：針對(duì)農(nóng)田示范區(qū)大面積人工灌溉帶來的能源浪費(fèi)、灌溉質(zhì)量不佳等現(xiàn)象，提出采用PLC、單片機(jī)等控制器相結(jié)合的方法，利用自由口、Modbus .TCP/IP等多種通信方式，實(shí)現(xiàn)了智能灌溉用電動(dòng)蝶閥的多模式控制——遠(yuǎn)程手機(jī)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、觸摸屏遠(yuǎn)程啟停、就地手

自動(dòng)切換等。同時(shí)，就如何有效控制閥門開度來實(shí)現(xiàn)土壤濕度的精確控制，提出采用模糊控制算法結(jié)合單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。實(shí)際應(yīng)用表明，該多模式監(jiān)控系統(tǒng)控制安全可靠便利，能實(shí)時(shí)監(jiān)控農(nóng)田各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)以及閥門狀態(tài)，而且節(jié)水節(jié)電效果明顯。

關(guān)鍵詞：智能灌溉蝶閥多模式控制監(jiān)控系統(tǒng)模糊控制單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TP27；TH81 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.  16086/j．cnki. issnl000 - 0380. 201512010

Abstract:  To against the disadvantages of energy waste and poor quality in artificial irrigation of large farmland demonstration area,  the method of combining controllers of PLC and single chip computer is proposed. By adopting multiple communication protocols, including free-port,Modbus, TCP/IP, etc.I the multi-mode control including remote mobile phone network monitoring, touch screen remote startup and shutdown,and local manual/auto switchover, etc.1 for electric buttertly valves in intelligent irrigation system is realized. In addition, the combination of fuzzy control algorithm and single chip computer is proposed to effectively control the opening of the valve for implementing precise control of humidity of soil. The multi-mode monitoring system is safety, reliable, and convenient,  it can morutor various environmental parameters and valve status in real time, and obvious effects of saving water and electricity are obtained.

Keywords: Intelligent irrigation  Butterfly valve  Multi-mode control  Monitoring system  Fuzzy control  MCU

0引言

 我國(guó)是產(chǎn)糧大國(guó)，但其生產(chǎn)方法的科技含量卻很低，尤以灌溉模式最為突出。目前，很多地區(qū)仍然依靠“經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?#8221;來決定灌溉的時(shí)間及需水量、依靠“人工模式”來手工啟停泵、開關(guān)灌水閥。針對(duì)大面積農(nóng)村集中示范地，若仍采用這種模式進(jìn)行灌溉，一方面將導(dǎo)致田地的土壤濕度不能很好地與農(nóng)作物的生長(zhǎng)期要求相適應(yīng)，另一方面還會(huì)造成由于忘記開關(guān)水閥而造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失以及能量消耗。為此，設(shè)計(jì)一套智能化的電動(dòng)蝶閥控制系統(tǒng)，不僅能按照農(nóng)作物的生長(zhǎng)需求智能化地控制閥門開度，還能解決遠(yuǎn)程監(jiān)控蝶閥、方便操作等問題，同時(shí)還將更加有利于節(jié)水節(jié)電，具有較大的社會(huì)意義和實(shí)用推廣價(jià)值。

1  電動(dòng)蝶閥的多模式控制要求

 (1)為了方便用戶進(jìn)行控制，有效地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，該套控制系統(tǒng)需要支持蝶閥的手動(dòng)與自動(dòng)兩種控制方式。

 在手動(dòng)方式下，蝶閥可以采用專用工具啟閉，尤其在蝶閥出現(xiàn)故障時(shí)。在自動(dòng)方式下，需要支持就地與遠(yuǎn)程控制兩種模式。所謂就地控制，即農(nóng)民在田頭可以自由按下開啟、關(guān)閉按鈕對(duì)蝶閥進(jìn)行自動(dòng)控制；同時(shí)也能實(shí)時(shí)地觀測(cè)到蝶閥當(dāng)前所處的狀態(tài)（開到位、關(guān)到位、開度等）。所謂遠(yuǎn)程控制，則能根據(jù)管理人員的權(quán)限對(duì)蝶閥進(jìn)行控制（若是管理人員，則其具有最高權(quán)限，可以對(duì)蝶閥的使用權(quán)限進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)還能遠(yuǎn)程上網(wǎng)啟閉蝶閥，觀測(cè)蝶閥的狀態(tài)；若是農(nóng)民，則可以通過手機(jī)上網(wǎng)實(shí)現(xiàn)蝶閥的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)）。

 (2)為了達(dá)到智能化的效果，在每塊田地設(shè)置的就地控制裝置需要能夠?qū)崟r(shí)反映當(dāng)前農(nóng)作物所處的生長(zhǎng)環(huán)境（比如濕度、光照度、水位等），還能根據(jù)農(nóng)作物的生長(zhǎng)需求，對(duì)蝶閥開度進(jìn)行智能化的控制，從而滿足農(nóng)作物對(duì)土壤濕度的需求。

2  蝶閥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

 為了滿足上述蝶閥的控制要求，從人機(jī)交互方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、安全可靠等角度考慮，這里采用如圖1所示的控制系統(tǒng)架構(gòu)。

 從圖1可以看出，本系統(tǒng)主要采用基于無線寬帶通信和以太網(wǎng)的分布式結(jié)構(gòu)。在中心控制站和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站之間形成3C網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站與就地控制柜之間采用RS485通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。其中，中心控制站主要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程蝶閥的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、田間土壤參數(shù)、蝶閥遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)保存及相關(guān)信息管理工作；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站主要是針對(duì)多組蝶閥進(jìn)行自動(dòng)控制以及狀態(tài)指示等；現(xiàn)場(chǎng)控制柜主要針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)單個(gè)電動(dòng)蝶閥進(jìn)行就地啟停智能控制；手機(jī)3G模塊主要支持農(nóng)民手機(jī)上網(wǎng)啟停蝶閥以及對(duì)田間的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

3蝶閥現(xiàn)場(chǎng)單片機(jī)模糊控制

3.1蝶閥模糊控制的原理

 由于電動(dòng)蝶閥的調(diào)節(jié)特性為非線性，且閥門動(dòng)作和土壤濕度檢測(cè)具有一定的滯后性。因此其控制模型很難用精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述，采用標(biāo)準(zhǔn)的PID也很難達(dá)到預(yù)期的農(nóng)作物對(duì)土壤濕度的要求。由于模糊控制不依賴于系統(tǒng)模型，魯棒性好，所以將這種控制方法引入智能節(jié)水灌溉用蝶閥控制系統(tǒng)中，不但能起到節(jié)水的效果，而且還能通過對(duì)作物進(jìn)行合理的灌溉，更有利于作物的生長(zhǎng)發(fā)育，達(dá)到增產(chǎn)的目的。

 所謂蝶閥的模糊控制，即對(duì)田間土壤濕度進(jìn)行采集，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化后，利用模糊控制器(這里采用單片機(jī)作為核心控制器)進(jìn)行模糊化度量、識(shí)別，然后利用專家知識(shí)，結(jié)合農(nóng)作物的生長(zhǎng)需求，生成模糊規(guī)則推理，從而形成模糊決策，最后經(jīng)過反模糊化輸出精確的蝶閥開度，達(dá)到智能節(jié)水灌溉的目的。其模糊邏輯推理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2蝶閥模糊控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.2.1參數(shù)模糊化

 這里選用了系統(tǒng)檢測(cè)的土壤實(shí)際濕度r與土壤濕度給定值Td的誤差以及誤差變化率作為節(jié)水灌溉用蝶閥模糊控制系統(tǒng)的輸入變量。根據(jù)農(nóng)作物生長(zhǎng)期的最佳土壤濕度需求，經(jīng)過量化因子量化后，選擇確定其AT、AET模糊論域分別為[-1，1]、[-0.2，0.2]，并將其都定義為5個(gè)等級(jí)，分別為{負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大}，分別對(duì)應(yīng)于{NB，NS，ZO，PS，PB}，其隸屬度函數(shù)均選擇高斯型。其中AET的隸屬度函數(shù)如圖3所示。

 把閥門開度作為模糊控制器的輸出變量，論域定義為[0，90]（由于閥門全開需90 s）；設(shè)定5個(gè)模糊子集分別為{最小，小，適中，大，最大}，隸屬度函數(shù)取三角形。

3.2.2模糊控制規(guī)則

 蝶閥控制的原則為：當(dāng)土壤濕度偏差大時(shí)，輸出量要向盡量減小偏差的方向選取；當(dāng)土壤濕度偏差較小時(shí)，輸出量要向盡量保持土壤濕度穩(wěn)定的方向選取，避免超調(diào)的情況出現(xiàn)。因此，最終在農(nóng)學(xué)專家的指導(dǎo)下，結(jié)合當(dāng)季農(nóng)作物的實(shí)際情況，經(jīng)過灌溉實(shí)驗(yàn)，合理地制定本系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則如表l所示。

3.2.3模糊控制軟件實(shí)現(xiàn)流程

 蝶閥的就地控制主要采用單片機(jī)為核心，通過利用外置的撥碼開關(guān)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置（模式設(shè)定、設(shè)備地址、通信協(xié)議等）。每塊農(nóng)田選用5只SWR -3型土壤水分傳感器作為土壤濕度采集器，借助于單片機(jī)內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換通道進(jìn)行土壤濕度的采集與模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而通過判斷當(dāng)前控制柜的工作模式來進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)模糊控制或手工啟�？刂疲�并定時(shí)進(jìn)行參數(shù)顯示刷新。其軟件實(shí)現(xiàn)的流程如圖4所示。

3.2.4模糊控制效果

 通過將該裝置應(yīng)用于蘇州太倉(cāng)某一農(nóng)田示范基地現(xiàn)場(chǎng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)各塊田地的蝶閥手工均能靈活啟�？刂疲�當(dāng)置于自動(dòng)控制模式時(shí)，其田間的土壤設(shè)定濕度與當(dāng)前濕度變化趨勢(shì)如圖5所示。

4蝶閥組觸摸屏遠(yuǎn)程監(jiān)控

4.1蝶閥用單片機(jī)控制裝置通信協(xié)議

 蝶閥用單片機(jī)控制裝置提供了RS-232以及RS-485兩種通信接口模式。由于在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站是針對(duì)某一片農(nóng)田統(tǒng)一進(jìn)行監(jiān)控，因此在這個(gè)監(jiān)控中心將涉及到多個(gè)單片機(jī)蝶閥控制裝置數(shù)據(jù)上傳與下發(fā)的問題。S7-200系列的PLC支持自由口通信模式，而所謂的自由口通信就是允許用戶自己定義通信協(xié)議設(shè)置，如數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、奇偶校驗(yàn)等，其通信功能完全由用戶程序控制。因此，在此采用自由口通信的方式，實(shí)現(xiàn)PLC與多個(gè)單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，然后利用PLC與觸摸屏之間的以太網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)多個(gè)田地的蝶閥遠(yuǎn)程控制以及狀態(tài)監(jiān)測(cè)。這樣，不僅降低了系統(tǒng)開發(fā)成本，而且應(yīng)用方便。

 開發(fā)的單片機(jī)蝶閥控制裝置支持ASCII碼字符格式進(jìn)行信號(hào)傳輸，其通信的協(xié)議為：<起始符（1字節(jié)ASCII碼）、地址（2字節(jié)ASCII碼）、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（2字節(jié)ASCII碼）、命令或狀態(tài)（4字節(jié)ASCH碼）、CRC校驗(yàn)（（4字節(jié)ASCII碼）>結(jié)束符（1字節(jié)ASCII碼）），支持進(jìn)行狀態(tài)查詢以及開關(guān)命令發(fā)送。

 比如，PLC若發(fā)送<01030200008844>，則代表PLC需要查詢1#蝶閥當(dāng)前的狀態(tài)；當(dāng)單片機(jī)控制裝置接收到此信息后，將返回一串信息，表明蝶閥是“正在開”、“正在關(guān)”、“開故障”、“關(guān)故障”、“開好”、“關(guān)好”等狀態(tài)。PLC若發(fā)送<010302010089D4>，則代表PLC遠(yuǎn)程關(guān)閉1#蝶閥，單片機(jī)控制裝置接收到此信息后將立即動(dòng)作。

4.2蝶閥組遠(yuǎn)程群控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.2.1  自由口通信實(shí)現(xiàn)

 在S7 -200系列的PLC中，進(jìn)行自由口通信主要有兩條指令：XMT以及RCV，分別用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在實(shí)現(xiàn)PLC與蝶閥就地控制用單片機(jī)裝置進(jìn)行自由口通信時(shí)，主要采用下列流程實(shí)現(xiàn)：①首先進(jìn)行接收參數(shù)的設(shè)置（起始字符、結(jié)束字符），啟用發(fā)送、接收以及定時(shí)中斷；②在定時(shí)中斷產(chǎn)生時(shí)，由上位PLC發(fā)送蝶閥狀態(tài)查詢或蝶閥啟閉命令（即設(shè)置發(fā)送XMT指令對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)內(nèi)容），并暫時(shí)分離定時(shí)中斷；③當(dāng)發(fā)送完成后，立即執(zhí)行發(fā)送中斷，即接收下位單片機(jī)控制裝置發(fā)出的響應(yīng)信息；④當(dāng)信息接收完成后，啟用接收中斷，即對(duì)接收的信息進(jìn)行分解，從而向觸摸屏發(fā)送相關(guān)的蝶閥狀態(tài)；同時(shí)啟用定時(shí)中斷。

 在具體軟件實(shí)現(xiàn)的過程中，主要需要解決好兩大問題：①發(fā)送或接收信息時(shí)出現(xiàn)通信故障，應(yīng)及時(shí)向觸摸屏反饋信息，同時(shí)要立即禁用自由口通信，防止出現(xiàn)死機(jī)狀態(tài)；②由于上位PLC需要控制多個(gè)單片機(jī)蝶閥控制裝置，所以在發(fā)送信息時(shí)需要進(jìn)行通信協(xié)議的定義、信息字符串中校驗(yàn)碼的計(jì)算。

4.2.2蝶閥組遠(yuǎn)程觸控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 當(dāng)PLC與就地的蝶閥控制柜之間能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)通信后，利用人機(jī)交互友好、動(dòng)態(tài)效果較強(qiáng)、較為經(jīng)濟(jì)的昆侖通泰觸摸屏TPC7062K作為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站的蝶閥監(jiān)控HMI，通過CP243-1以太網(wǎng)模塊實(shí)現(xiàn)PLC與HMI之間的數(shù)據(jù)通信，采用Modbus TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)HMI與手機(jī)3C模塊或上位計(jì)算機(jī)之間的信息交互，從而達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控蝶閥的目的。通過對(duì)畫面的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)變量的定義、設(shè)備的連接、策略的設(shè)置，設(shè)計(jì)出遠(yuǎn)程HMI和手機(jī)上網(wǎng)監(jiān)控工程。這套遠(yuǎn)程HMI和手機(jī)上網(wǎng)監(jiān)控軟件不僅能夠?qū)Φ�閥的使用狀況進(jìn)行設(shè)置，并能實(shí)時(shí)反映多組蝶閥的工作狀態(tài)，同時(shí)還能檢查蝶閥以及通信線路的故障并加以提示。

5  系統(tǒng)在太倉(cāng)水利的應(yīng)用

 將設(shè)計(jì)好的蝶閥多模式監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于太倉(cāng)農(nóng)田灌溉時(shí)發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)目前運(yùn)行穩(wěn)定可靠，蝶閥控制方式多樣靈活，支持手機(jī)、監(jiān)控站觸摸屏監(jiān)控以及就地的智能自動(dòng)控制以及手工開關(guān)。同時(shí)，田間的土壤濕度與水稻生長(zhǎng)期的最佳濕度要求相比，誤差能夠控制在士3. 24%左右。與以往人工開關(guān)蝶閥方式進(jìn)行灌溉的電能進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，泵閥不用長(zhǎng)時(shí)間開啟，其電能節(jié)約近0. 008 kW．h/rr12。

6  結(jié)束語(yǔ)

 針對(duì)田間灌溉用蝶閥手動(dòng)控制的缺陷進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)蝶閥控制進(jìn)行智能化的設(shè)計(jì)開發(fā)將有利于節(jié)約人力、物力以及財(cái)力，同時(shí)還有利于農(nóng)作物的生長(zhǎng)。為此，提出采用PLC、觸摸屏以及手機(jī)模塊等設(shè)備，利用多種工業(yè)通信模式實(shí)現(xiàn)了單個(gè)蝶閥的就地手自動(dòng)控制、片區(qū)現(xiàn)場(chǎng)工作站的集中監(jiān)控以及網(wǎng)上農(nóng)田示范區(qū)的蝶閥工作狀態(tài)監(jiān)控等智能化的控制模式。同時(shí)，針對(duì)土壤濕度控制穩(wěn)定性、精確度等問題，研究設(shè)計(jì)了一種基于模糊控制算法的土壤濕度智能控制。經(jīng)過實(shí)際農(nóng)田示范區(qū)的使用發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能夠完全滿足控制要求。