溫室大棚智能灌溉系統(tǒng)探討

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摘要:本文設(shè)計(jì)了一種溫室大棚智能灌溉系統(tǒng)，采用STM32F103C8T6單片機(jī)核心板，通過(guò)溫度傳感器模塊、土壤濕度傳感器模塊、氣體傳感器模塊對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采用模糊規(guī)則設(shè)計(jì)智能模糊控制器，根據(jù)溫室的濕度、溫度、光照等條件參數(shù)，確定電磁閥開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)智能灌溉的目的。該系統(tǒng)具有成本低廉、操作和維護(hù)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，適合我國(guó)目前的智能灌溉控制系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和市場(chǎng)價(jià)值。

關(guān)鍵詞:智能灌溉；STM32F103C8T6；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1引言

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)自動(dòng)化程度越來(lái)越高，逐步向完全自動(dòng)化、無(wú)人化的方向發(fā)展[1]。作為一種可以改變植物生長(zhǎng)環(huán)境、可以提供植物最佳生產(chǎn)條件的場(chǎng)所，溫室大棚在我國(guó)發(fā)揮重要作用。本文所設(shè)計(jì)的溫室大棚智能灌溉系統(tǒng)，可使用戶(hù)通過(guò)短信接收告警信息，或利用遠(yuǎn)程終端登陸平臺(tái)及時(shí)提取和查看數(shù)據(jù)，無(wú)需親臨大棚實(shí)地查看溫濕度等數(shù)據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，大大方便了用戶(hù)對(duì)大棚的管理，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)智能灌溉的功能。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由STM32F103C8T6單片機(jī)核心板、土壤濕度檢測(cè)電路模塊、DS18B20溫度檢測(cè)電路模塊、燃?xì)?煙霧檢測(cè)電路模塊、報(bào)警電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路以及按鍵電路組成。通過(guò)使用Multism10、Proteus、KeilC51等軟件，對(duì)電路原理圖進(jìn)行仿真分析，編寫(xiě)符合要求的程序代碼。主要的功能模塊有程序初始、溫濕度采集及處理、土壤濕度采集及處理、光照檢測(cè)采集與處理、無(wú)線收發(fā)、信息顯示、超限處理。

2.1STM32單片機(jī)核心電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用STM32F103C8T6單片機(jī)核心板[2]，使用STM32微處理器。該處理器是一種基于ARM7架構(gòu)的32位微處理器，具有支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤功能。本系統(tǒng)有良好的擴(kuò)展性，通過(guò)提供的接口和功能，連接外圍擴(kuò)展電路，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求[3]，如圖1所示。

2.2DS18B20溫度傳感器模塊

DS18B20溫度傳感器是一款高精度的單總線溫度測(cè)量芯片，可直接測(cè)溫，測(cè)溫結(jié)果以9~12位數(shù)字量方式串行傳送。根據(jù)用戶(hù)需要，通過(guò)配置寄存器可以設(shè)定數(shù)字轉(zhuǎn)換精度和測(cè)溫速度。使用時(shí)可自主選擇電源供電模式和寄生供電模式。應(yīng)用范圍包括恒溫控制、工業(yè)系統(tǒng)、消費(fèi)電子產(chǎn)品溫度計(jì)、或任何熱敏感系統(tǒng)[4]，如圖2所示。

2.3TRSD土壤濕度傳感器模塊

本系統(tǒng)采用TRSD土壤濕度傳感器來(lái)檢測(cè)土壤的濕度，低于濕度啟動(dòng)開(kāi)關(guān)澆水。原理是通過(guò)電位器調(diào)節(jié)土壤濕度控制閥值，電壓比較器判斷濕度大小，當(dāng)檢測(cè)環(huán)境濕度低于設(shè)定閾值時(shí)，數(shù)字量輸出口DO檢測(cè)高電平輸出；當(dāng)檢測(cè)環(huán)境濕度高于設(shè)定閾值時(shí)，數(shù)字量輸出口DO檢測(cè)低電平輸出[5]。AO口可直接通過(guò)單片機(jī)AD口采集電壓信號(hào)。帶有大功率繼電器，可以控制大電流設(shè)備，小于濕度自動(dòng)啟動(dòng)繼電器吸合，大于設(shè)定濕度自動(dòng)斷開(kāi)。本模塊帶有延時(shí)功能，在調(diào)節(jié)濕度值時(shí)，每調(diào)一次要通過(guò)5~8秒時(shí)間，通過(guò)繼電器的變化，觀察相應(yīng)指示燈狀態(tài)，直到滿(mǎn)足要求為止，如圖3所示。

2.4氣體傳感器模塊

MQ-2氣體傳感器選用電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)作為氣敏材料[6]。檢測(cè)原理是當(dāng)周?chē)h(huán)境有可燃?xì)怏w存在時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度發(fā)生變化，可燃?xì)怏w濃度越高，電導(dǎo)率越大，并且通過(guò)簡(jiǎn)單的電路便可實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)率變化轉(zhuǎn)換為可燃?xì)怏w濃度信號(hào)輸出。該傳感器在本系統(tǒng)中使用取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。MQ-9氣體傳感器適用于一氧化碳、甲烷、液化氣等的探測(cè)，成本較低[7-8]，傳感器通電后，需要預(yù)熱時(shí)間20s左右，測(cè)量的數(shù)據(jù)才相對(duì)穩(wěn)定。氣體傳感器模塊如圖4所示。

3模糊控制器設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)雙輸入單輸出的多變量二維常規(guī)模糊控制器。土壤濕度差值與光照強(qiáng)度差值作為控制器信號(hào)輸入，比例電磁閥開(kāi)度作為控制器信號(hào)輸出，分別對(duì)應(yīng)變量h、l、u。用模糊語(yǔ)言進(jìn)行輸入變量表示為HE、LE、U[9]。將土壤濕度偏差HE分為5個(gè)模糊集{NB，NS，NO，PS，PB}，輸入偏差狀態(tài)為濕度采樣值與設(shè)定范圍下限差值相差幅度，分別為低于下限值很大、低于下限值很小、與下限值無(wú)差、高于下限值很小以及高于下限值很大。同時(shí)定義濕度HE的論域?yàn)閧-2，-1，0，1，2}，得到土壤濕度變化模糊表[10-12]，如表1所示。光照強(qiáng)度偏差LE同樣分為5個(gè)模糊集{NB，NS，ZO，PS，PB}，其輸入偏差狀態(tài)為光照采樣值與設(shè)定范圍下限差值相差幅度，分別為低于下限值很大、低于下限值很小、與下限值無(wú)差、高于下限值很小以及高于下限值很大。同樣定義光照強(qiáng)度LE的論域?yàn)閧-2，-1，0，1，2}，得到光照強(qiáng)度變化模糊表，如表2所示。{OF，OB，OM，OS，OP}，對(duì)應(yīng)的輸出偏差狀態(tài)分別為電磁閥門(mén)全開(kāi)、閥門(mén)開(kāi)幅較大、閥門(mén)半開(kāi)、閥門(mén)開(kāi)幅較小、閥門(mén)關(guān)閉。閥門(mén)的開(kāi)度U的論域定義為{0，0.25，0.5，0.75，1}。本模糊控制系統(tǒng)子集的隸屬度函數(shù)選用三角型、高斯型隸屬度函數(shù)，由此得到如表3所示的模糊控制規(guī)則。采用最大隸屬度法對(duì)模糊推理得到的模糊集合進(jìn)行反模糊化。其基本原理是選取根據(jù)推理結(jié)果得到模糊集合中隸屬度最大的元素作為輸出值，即υ0=maxμν(υ)，υ∈V。在輸出論域集V中，如果其最大隸屬度的函數(shù)輸出有多個(gè)值，取該值平均值作為最大隸屬度輸出。

作者:陳鑫 譚曉靜 單位:閩南理工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院