果园精量水肥无线灌溉控制设备设计与应用
张育斌 魏正英 张磊 蔚磊磊 简宁
摘 要： 针对山丘果园复杂环境，又需大面积分区控制灌溉并集中管理的需求，研制了低成本、低功耗小型无线灌溉控制设备。设备嵌入PID控制、模糊控制和灰色预测控制相结合的控制算法，有效解决时滞现象，进行有效地预测作物的需水量，达到对系统的精确灌溉控制；同时硬件选用低功耗微控制器与双稳态电磁阀，避免信道拥塞，无线传输采用GPRS长距离和NRF2401的短距离相结合的通信方式，系统可准时开启电磁阀。运行测试结果表明，该系统与传统控制相比，超调量减少了22.5%，系统的调节时间减少了28.2%；验证了其在水肥浓度和肥量精量控制中，系统响应速度快和实时性好、稳定、无线通信可靠，提高了水肥灌溉效果。
關键词： 精量控制； 水肥灌溉； 无线通信； 灌溉系统
中图分类号： TN876.3?34； TN876.3 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）10?0001?04
Abstract： According to complex environment in most mountain orchards and urgent demands of centralized management for zone control irrigation in large area， a low?power consumption and low?cost irrigation control equipment was developed. The control algorithm combining PID control， fuzzy control and grey prediction control equipment is embedded in the equipment， which can effectively solve the time delay phenomenon， predict water requirement of fruit tree， and achieve the precise control of the irrigation. The low power microcontroller and bi?stable solenoid valve are chosen to avoid channel congestion. The wireless communication mode combining GPRS for long distances with NRF2401 for short distance is adopted， which can open the solenoid valve on time. The running test results show that， in comparison with conventional control systems， the overshoot of the system is reduced by 22.5% and the response time of the system is decreased by 28.2%. The system has high response speed， good real?time performance and reliable wireless communication， and has improved the water fertilizer irrigation effect.
Keywords： precise control； water fertilizer irrigation； wireless communication； irrigation system
0 引 言
近几年来，节水灌溉技术得到了广泛应用，农业精确灌溉势在必行，替代传统灌溉控制器的高精度的灌溉施肥控制设备的设计开发实现了灌溉系统中灌溉与施肥的精准控制[1]。精量灌溉既要控制作物正常生长发育所需的水肥，又要用最少的水肥量获得最大的纯收益。灌溉对象是非线性、大惯性和纯时延的一个系统，无法建立精确与统一的灌溉模型，传统的控制方法受到挑战[2]。而模糊控制不需要建立被控对象的数学模型，鲁棒性强，能有效改善时变与非线性问题[3?4]，但存在大时滞现象。
无线滴灌控制技术发展速度较快，面向精确灌溉无线传感器网络、水稻节水灌溉无线远程监控系统、农田自动灌溉无线监控系统也应运而生[5?6]。具体系统大概分为两类：一类是基于TI CC芯片系列、非开源Z?Stack固件库与ZigBee协议实现组网控制；另一类则是基于GSM或GPRS通信模块实现远距离控制。
本文结合PID控制器的控制效果、采用模糊控制改善其非线性的控制效果，运用灰色预测控制解决大时滞现象，并考虑果园环境情况，选择低功耗的STC15和NRF24L01开发无线模块，进行无线控制。同时结合上述技术开发精量水肥无线灌溉控制机，进行仿真分析和实验验证水肥灌溉效果。
1 系统总体设计方案
水肥精量灌溉控制系统的设计需要考虑各方面功能需求，只有满足按量灌溉、水肥比例混合和控制均匀、及时灌溉和远程控制等需求的控制系统才能受到农民的欢迎，才能得到推广使用。本系统总体设计方案如图1所示。
系统所用到的硬件包括：STM32核心控制板；A/D采样模块；触摸显示屏；D/A输出模块；水、肥流量传感器；土壤温湿度传感器；无线模块；GSM模块；电磁阀；肥泵；直流调速器等。
2 灰色预测模糊PID控制技术
2.1 灰色预测控制
考虑农作物需水量易受到气候因素、土壤墒情等诸多因素的影响，而这些因素部分是可知的，部分却是未知的，符合灰色研究范畴。
针对这种情况，多因素灰色预测MGM（1，n）可以对其进行有效的预测，预测作物的需水量。灰色预测MGM（1，n）模型是偏微分方程组[7]，其中n表示n个数据序列，而m为每个序列中所含有的m个历史数据，则有：
2.2 模糊PID控制系统
该控制系统由传感器采集到精确的模拟量，模糊控制器无法直接加以识别，而是将该模拟量进行模/数转化，并将结果按一定规则转化为模糊语言。
在二维模糊控制中，分别以偏差和偏差的变化率进行定义，即将偏差映射到输入论域的模糊集合上为偏差E，同理对偏差的变化率进行映射，得其语言变量EC。这样就通过将偏差以及偏差的变化率在实际情况中的变化范围进行尺度变换，变换到模糊集体域X上。
3 无线控制模块设计
3.1 电磁阀及驱动电路
电磁阀是灌溉系统的执行器件，也是系统中功耗最大的部件。为了尽可能降低系统整体功耗[9]，本文选用具有低功耗工作特性的双稳态电磁阀（型号 ZCS?08P）。相应的电磁阀驱动电路示意图如图3所示，它由L9110SH桥电路和MOS 管开关电路两部分组成。
在驱动电磁阀进行开关动作时，先通过STM32使MOS 管开关电路打开，给 L9110S 芯片供电，再通过STM32的 I/O口控制 L9110S 芯片驱动电磁阀的开关。
3.2 无线通信模块
短距离无线通信使用433 MHz 的 ISM频段，该频段的通信模块比2.4 GHz 频段通信模块具有更远通信距离[10]。结合无线灌溉控制系统低数据容量通信距离远的特点，选择NRF2401通信模块。模块和STM32之间通过SPI总线进行无线通信如图4所示。
远程通信模块安装在水肥精量控制器中，用户既可远程调整灌溉参数，也能集中管理。目前常用的4种远距离通信模块是：数传电台、GPRS DTU、WiFi无线网桥、电力线载波适配器[11]。考虑果园基地情况和农户的便宜程度，选择适应性最强且最昂贵的通信方式的GPRS DTU。
4 实验结果分析
4.1 仿真调试实验
借助Simulink模块库建立了相应的灰色预测模糊PID控制结构，采用阶跃输入信号对水肥灌溉流量控制系统进行常规PID、模糊PID、灰色預测模糊PID控制仿真实验，得到结果曲线如图5所示。
从图5可以看出，在基于灰色理论与模糊控制的灌溉系统中，流量的控制系统响应曲线平滑、超调量小、系统稳定性好。同时系统响应的上升时间和调节时间都比模糊PID控制和传统PID控制短，灌溉控制系统能很快地达到稳定状态，表明灰色预测模糊PID控制有更良好的控制性能和鲁棒性。
4.2 水肥浓度精量灌溉实验
实验过程中的实际控制效果如图6和图7所示。其中红色曲线表示水路的瞬时流量，绿色曲线表示肥路的瞬时流量。
图6显示的是把水路瞬时流量取一个固定值，肥量与之成1∶100的比例，肥路流量的瞬时变化情况，其中刚开始部分是系统启动后的干扰信号，在肥泵启动后干扰信号消失。从图7中可以看出，肥量流量逐渐增大，最后达到一个稳定值，没有超调量，但是有一定的稳态误差。从总体上来看，控制效果还算不错。
根据以上实验，对响应进行性能分析，得到控制系统性能指标如表1所示。
从以上数据可以看出本系统的控制性能较好，尤其是超调量很小，超调下降了28.2%。这主要取决于肥泵的物理特性，不管给肥泵多高的电压，肥泵的转速都是逐渐增加的，在肥泵转速达到合适值的时候，系统的调节也基本完毕，从而使得超调量很小。
4.3 果园内信号衰落测试
无线信号在阻碍物覆盖的环境中传播具有直射、反射、绕射和散射等各种传播机制均有可能存在。果园测试无线信号的衰减可能会受到植被高度、天线高度、通信距离和植被的繁茂程度等因素的影响。本试验旨在说明本系统在果园的复杂环境下能够达到较大的通信距离。测试包括无遮挡和有遮挡，测试的数据如表2所示。因此测试时选用不同增益的天线，测量接收无线信号强度（Reive Signal Strength Index，RSSI）以评估系统性能。
试验表明，信号衰减与天线增益成线性变换，先快后慢的变化趋势，通信距离受遮挡物体影响。针对同一增益的天线，无线信号传输与现场环境有很大影响，有遮挡下，通信距离有明显的影响，达到一定距离就无法通信。同一环境下，不同的增益对通信距离也有明显变化。
表2 系统的性能参数
4.4 精量水肥灌溉机应用
精量水肥灌溉控制机主要由RAM控制器（无线）、流量计、压力表、电磁阀、泵、过滤器和传感器及控制软件、农作物水肥需求数据库软件等组成。接入采集的土壤作物含水量和地温等信息，其水、肥混合为闭环控制，水肥变频连续控制，实现智能全自动水肥灌溉控制，具有自动和手动控制模式，如图8所示。
其工作原理为，在现场水分、土壤等传感器采集农作物缺水肥状态时，控制器接收信号，并发送指令，开启进水泵，打开电磁阀，让水进入管路，水路流量计进行检测水量，到一定值后反馈给控制器，控制器做出决策判断，启动相应的四路营养液所在的肥路泵，开启电磁阀，进入管路，根据专家系统配比作物所需营养溶液浓度，水肥混合出水管进入现场网络灌溉，实现精量灌溉。采用本研究灰色模糊控制技术应用该灌溉机，对其进行精量控制，同时融入结合专家经验对PID的参数进行自动整定，在约5 s后就基本稳定实现水肥灌溉，实时施肥效果明显，无线通信模块在本机器运行工作稳定。
5 结 论
本文对系统的控制技术和无线通信方式进行了深入探讨，研究了基于灰色理论的模糊PID灌溉控制技术，以及基于GPRS的长距离通信和基于NRF2401的短距离无线通信技术。将研究技术应用于精量水肥控制机上，结果表明系统拥有更强的适应性，良好的控制性能和鲁棒性及稳定通信。采用PID控制有效解决了节水灌溉不确定模型问题，采用模糊PID控制成功解决系统的大惯性、非线性的问题，增加多因素灰色预测MGM（1，n），克服了大时滞现象，实现水肥精量灌溉；采用GSM DTU技术解决了果农不在园区期间，可以远距离对果园进行水肥精量灌溉，采用NRF2401的短距离无线通信技术，可以解决果园区泵站和控制室不在同一地点问题，实现园区内高效方便的水肥精量控制。
参考文献
[1] 魏正英，葛令行，赵万华，等.灌溉施肥自动控制系统的研究与开发[J].西安交通大学学报，2008，42（3）：347?349.
[2] LIAN Ruey?Jing. Grey?prediction self?organizing fuzzy controller for robotic motion control [J]. Information Sciences， 2012（20）： ：73?89.
[3] 郝少杰，方康玲.基于模糊PID参数自整定的温度控制系统的研究[J].现代电子技术，2011，34（7）：196?198.
[4] ZHANG Qian， ZHANG Yubin， ZHU H M. Intelligent irrigation remote control system based on Internet of Things [J]. Advanced Materials Research， 2014， 6： 3404?3407.
[5] 肖克辉，肖德琴，罗锡文.基于无线传感器网络的精细农业智能节水灌溉系统[J].农业工程学报，2010，26（11）：170?175.
[6] 岳学军，王叶夫，洪添胜，等.基于信道测试的橘园WSN网络部署试验[J].农业机械学报，2013，44（5）：213?218.
[7] LIEM Dao Thanh， TRUONG Dinh Quang. A torque estimator using online tuning grey fuzzy PID for applications to torque?sensorless control of DC motors [J]. Mechatronics， 2015， 26： 45?63.
[8] 李建军，许燕，张冠，等.基于BP神经网络预测和模糊控制的灌溉控制器设计[J].机械设计与研究，2015（5）：150?153.
[9] 岳学军，李加念，洪添胜，等.脉冲式低功耗滴灌自动控制装置及其控制方法：中国，201010196385.5[P].2010?10?13.
[10] 郁晓庆，吴普特，韩文霆，等.基于无线传感器网络的农田灌溉远程监控系统[J].排灌机械工程学报，2013，31（1）：66?69.
[11] 李光林，李晓东，曾庆欣.基于太阳能的柑桔园自动灌溉与土壤含水率监测系统研制[J].农业工程学报，2012，28（12）：146?152.
摘 要： 针对山丘果园复杂环境，又需大面积分区控制灌溉并集中管理的需求，研制了低成本、低功耗小型无线灌溉控制设备。设备嵌入PID控制、模糊控制和灰色预测控制相结合的控制算法，有效解决时滞现象，进行有效地预测作物的需水量，达到对系统的精确灌溉控制；同时硬件选用低功耗微控制器与双稳态电磁阀，避免信道拥塞，无线传输采用GPRS长距离和NRF2401的短距离相结合的通信方式，系统可准时开启电磁阀。运行测试结果表明，该系统与传统控制相比，超调量减少了22.5%，系统的调节时间减少了28.2%；验证了其在水肥浓度和肥量精量控制中，系统响应速度快和实时性好、稳定、无线通信可靠，提高了水肥灌溉效果。
關键词： 精量控制； 水肥灌溉； 无线通信； 灌溉系统
中图分类号： TN876.3?34； TN876.3 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）10?0001?04
Abstract： According to complex environment in most mountain orchards and urgent demands of centralized management for zone control irrigation in large area， a low?power consumption and low?cost irrigation control equipment was developed. The control algorithm combining PID control， fuzzy control and grey prediction control equipment is embedded in the equipment， which can effectively solve the time delay phenomenon， predict water requirement of fruit tree， and achieve the precise control of the irrigation. The low power microcontroller and bi?stable solenoid valve are chosen to avoid channel congestion. The wireless communication mode combining GPRS for long distances with NRF2401 for short distance is adopted， which can open the solenoid valve on time. The running test results show that， in comparison with conventional control systems， the overshoot of the system is reduced by 22.5% and the response time of the system is decreased by 28.2%. The system has high response speed， good real?time performance and reliable wireless communication， and has improved the water fertilizer irrigation effect.
Keywords： precise control； water fertilizer irrigation； wireless communication； irrigation system
0 引 言
近几年来，节水灌溉技术得到了广泛应用，农业精确灌溉势在必行，替代传统灌溉控制器的高精度的灌溉施肥控制设备的设计开发实现了灌溉系统中灌溉与施肥的精准控制[1]。精量灌溉既要控制作物正常生长发育所需的水肥，又要用最少的水肥量获得最大的纯收益。灌溉对象是非线性、大惯性和纯时延的一个系统，无法建立精确与统一的灌溉模型，传统的控制方法受到挑战[2]。而模糊控制不需要建立被控对象的数学模型，鲁棒性强，能有效改善时变与非线性问题[3?4]，但存在大时滞现象。
无线滴灌控制技术发展速度较快，面向精确灌溉无线传感器网络、水稻节水灌溉无线远程监控系统、农田自动灌溉无线监控系统也应运而生[5?6]。具体系统大概分为两类：一类是基于TI CC芯片系列、非开源Z?Stack固件库与ZigBee协议实现组网控制；另一类则是基于GSM或GPRS通信模块实现远距离控制。
本文结合PID控制器的控制效果、采用模糊控制改善其非线性的控制效果，运用灰色预测控制解决大时滞现象，并考虑果园环境情况，选择低功耗的STC15和NRF24L01开发无线模块，进行无线控制。同时结合上述技术开发精量水肥无线灌溉控制机，进行仿真分析和实验验证水肥灌溉效果。
1 系统总体设计方案
水肥精量灌溉控制系统的设计需要考虑各方面功能需求，只有满足按量灌溉、水肥比例混合和控制均匀、及时灌溉和远程控制等需求的控制系统才能受到农民的欢迎，才能得到推广使用。本系统总体设计方案如图1所示。
系统所用到的硬件包括：STM32核心控制板；A/D采样模块；触摸显示屏；D/A输出模块；水、肥流量传感器；土壤温湿度传感器；无线模块；GSM模块；电磁阀；肥泵；直流调速器等。
2 灰色预测模糊PID控制技术
2.1 灰色预测控制
考虑农作物需水量易受到气候因素、土壤墒情等诸多因素的影响，而这些因素部分是可知的，部分却是未知的，符合灰色研究范畴。
针对这种情况，多因素灰色预测MGM（1，n）可以对其进行有效的预测，预测作物的需水量。灰色预测MGM（1，n）模型是偏微分方程组[7]，其中n表示n个数据序列，而m为每个序列中所含有的m个历史数据，则有：
2.2 模糊PID控制系统
该控制系统由传感器采集到精确的模拟量，模糊控制器无法直接加以识别，而是将该模拟量进行模/数转化，并将结果按一定规则转化为模糊语言。
在二维模糊控制中，分别以偏差和偏差的变化率进行定义，即将偏差映射到输入论域的模糊集合上为偏差E，同理对偏差的变化率进行映射，得其语言变量EC。这样就通过将偏差以及偏差的变化率在实际情况中的变化范围进行尺度变换，变换到模糊集体域X上。
3 无线控制模块设计
3.1 电磁阀及驱动电路
电磁阀是灌溉系统的执行器件，也是系统中功耗最大的部件。为了尽可能降低系统整体功耗[9]，本文选用具有低功耗工作特性的双稳态电磁阀（型号 ZCS?08P）。相应的电磁阀驱动电路示意图如图3所示，它由L9110SH桥电路和MOS 管开关电路两部分组成。
在驱动电磁阀进行开关动作时，先通过STM32使MOS 管开关电路打开，给 L9110S 芯片供电，再通过STM32的 I/O口控制 L9110S 芯片驱动电磁阀的开关。
3.2 无线通信模块
短距离无线通信使用433 MHz 的 ISM频段，该频段的通信模块比2.4 GHz 频段通信模块具有更远通信距离[10]。结合无线灌溉控制系统低数据容量通信距离远的特点，选择NRF2401通信模块。模块和STM32之间通过SPI总线进行无线通信如图4所示。
远程通信模块安装在水肥精量控制器中，用户既可远程调整灌溉参数，也能集中管理。目前常用的4种远距离通信模块是：数传电台、GPRS DTU、WiFi无线网桥、电力线载波适配器[11]。考虑果园基地情况和农户的便宜程度，选择适应性最强且最昂贵的通信方式的GPRS DTU。
4 实验结果分析
4.1 仿真调试实验
借助Simulink模块库建立了相应的灰色预测模糊PID控制结构，采用阶跃输入信号对水肥灌溉流量控制系统进行常规PID、模糊PID、灰色預测模糊PID控制仿真实验，得到结果曲线如图5所示。
从图5可以看出，在基于灰色理论与模糊控制的灌溉系统中，流量的控制系统响应曲线平滑、超调量小、系统稳定性好。同时系统响应的上升时间和调节时间都比模糊PID控制和传统PID控制短，灌溉控制系统能很快地达到稳定状态，表明灰色预测模糊PID控制有更良好的控制性能和鲁棒性。
4.2 水肥浓度精量灌溉实验
实验过程中的实际控制效果如图6和图7所示。其中红色曲线表示水路的瞬时流量，绿色曲线表示肥路的瞬时流量。
图6显示的是把水路瞬时流量取一个固定值，肥量与之成1∶100的比例，肥路流量的瞬时变化情况，其中刚开始部分是系统启动后的干扰信号，在肥泵启动后干扰信号消失。从图7中可以看出，肥量流量逐渐增大，最后达到一个稳定值，没有超调量，但是有一定的稳态误差。从总体上来看，控制效果还算不错。
根据以上实验，对响应进行性能分析，得到控制系统性能指标如表1所示。
从以上数据可以看出本系统的控制性能较好，尤其是超调量很小，超调下降了28.2%。这主要取决于肥泵的物理特性，不管给肥泵多高的电压，肥泵的转速都是逐渐增加的，在肥泵转速达到合适值的时候，系统的调节也基本完毕，从而使得超调量很小。
4.3 果园内信号衰落测试
无线信号在阻碍物覆盖的环境中传播具有直射、反射、绕射和散射等各种传播机制均有可能存在。果园测试无线信号的衰减可能会受到植被高度、天线高度、通信距离和植被的繁茂程度等因素的影响。本试验旨在说明本系统在果园的复杂环境下能够达到较大的通信距离。测试包括无遮挡和有遮挡，测试的数据如表2所示。因此测试时选用不同增益的天线，测量接收无线信号强度（Reive Signal Strength Index，RSSI）以评估系统性能。
试验表明，信号衰减与天线增益成线性变换，先快后慢的变化趋势，通信距离受遮挡物体影响。针对同一增益的天线，无线信号传输与现场环境有很大影响，有遮挡下，通信距离有明显的影响，达到一定距离就无法通信。同一环境下，不同的增益对通信距离也有明显变化。
表2 系统的性能参数
4.4 精量水肥灌溉机应用
精量水肥灌溉控制机主要由RAM控制器（无线）、流量计、压力表、电磁阀、泵、过滤器和传感器及控制软件、农作物水肥需求数据库软件等组成。接入采集的土壤作物含水量和地温等信息，其水、肥混合为闭环控制，水肥变频连续控制，实现智能全自动水肥灌溉控制，具有自动和手动控制模式，如图8所示。
其工作原理为，在现场水分、土壤等传感器采集农作物缺水肥状态时，控制器接收信号，并发送指令，开启进水泵，打开电磁阀，让水进入管路，水路流量计进行检测水量，到一定值后反馈给控制器，控制器做出决策判断，启动相应的四路营养液所在的肥路泵，开启电磁阀，进入管路，根据专家系统配比作物所需营养溶液浓度，水肥混合出水管进入现场网络灌溉，实现精量灌溉。采用本研究灰色模糊控制技术应用该灌溉机，对其进行精量控制，同时融入结合专家经验对PID的参数进行自动整定，在约5 s后就基本稳定实现水肥灌溉，实时施肥效果明显，无线通信模块在本机器运行工作稳定。
5 结 论
本文对系统的控制技术和无线通信方式进行了深入探讨，研究了基于灰色理论的模糊PID灌溉控制技术，以及基于GPRS的长距离通信和基于NRF2401的短距离无线通信技术。将研究技术应用于精量水肥控制机上，结果表明系统拥有更强的适应性，良好的控制性能和鲁棒性及稳定通信。采用PID控制有效解决了节水灌溉不确定模型问题，采用模糊PID控制成功解决系统的大惯性、非线性的问题，增加多因素灰色预测MGM（1，n），克服了大时滞现象，实现水肥精量灌溉；采用GSM DTU技术解决了果农不在园区期间，可以远距离对果园进行水肥精量灌溉，采用NRF2401的短距离无线通信技术，可以解决果园区泵站和控制室不在同一地点问题，实现园区内高效方便的水肥精量控制。
参考文献
[1] 魏正英，葛令行，赵万华，等.灌溉施肥自动控制系统的研究与开发[J].西安交通大学学报，2008，42（3）：347?349.
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[6] 岳学军，王叶夫，洪添胜，等.基于信道测试的橘园WSN网络部署试验[J].农业机械学报，2013，44（5）：213?218.
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[8] 李建军，许燕，张冠，等.基于BP神经网络预测和模糊控制的灌溉控制器设计[J].机械设计与研究，2015（5）：150?153.
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