基于嵌入式的智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計

引 言

隨著科技的發(fā)展與經(jīng)濟(jì)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(jìn)行有效改進(jìn)，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(yùn)用模糊控制算法對各種傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(yuǎn)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(fēng)速傳感器、光照傳感器等對現(xiàn)場的環(huán)境信息進(jìn)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(jìn)行處理，以處理后的結(jié)果控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的動作，從而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制。同時，以智能手機(jī)為遠(yuǎn)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(yuǎn)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(jìn)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(jìn)行處理的過程如圖 2 所示。

車流量模糊算法

由于灌溉現(xiàn)場的環(huán)境復(fù)雜，不易建立精確的數(shù)學(xué)模型， 為了更好地對現(xiàn)場的各種信息進(jìn)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(fēng)速傳感器用于采集現(xiàn)場風(fēng)速，光照傳感器用于采集現(xiàn)場光照強(qiáng)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(fēng)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(jī)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(qiáng)）；SD（風(fēng)速小）、MD（風(fēng)速中）、LD（風(fēng)速大）。將輸出開度 E 分為五個模糊集：VS（很小）、KS（小）、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(jī)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(yùn)行。而對于系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，本文采用直流伺服電機(jī)，該電機(jī)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(jī)的控制對象是電磁閥，電磁閥是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)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(jìn)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(jī)，因此，需要外加一個合適的放大電路，將模擬量進(jìn) 行放大后驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，從而利用電機(jī)控制電磁閥的開度，實 現(xiàn)系統(tǒng)的執(zhí)行功能。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制過程如圖 3 所示。

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(yuǎn)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(jìn)行采集，實時監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境的變化。以直流伺服電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 具有易于控制的優(yōu)點。以智能手機(jī)為遠(yuǎn)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(jìn)行改造，具有成本低、易于維護(hù)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。

因此，本系統(tǒng)能夠?qū)λ魉俣燃伴_度的大小進(jìn)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(jī)，因此，需要外加一個合適的放大電路，將模擬量進(jìn)行放大后驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，從而利用電機(jī)控制電磁閥的開度，實現(xiàn)系統(tǒng)的執(zhí)行功能。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制過程如圖 3 所示。

4 遠(yuǎn)程控制模塊

本系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，能夠隨時隨地對系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)視和控制。遠(yuǎn)程控制設(shè)備為智能手機(jī)，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(jī)上，同時，操作者也可以通過手機(jī)上的一些控制鍵控制系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的動作。遠(yuǎn)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(yuǎn)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(jìn)行 采集，實時監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境的變化。以直流伺服電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 具有易于控制的優(yōu)點。以智能手機(jī)為遠(yuǎn)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(jìn) 行改造，具有成本低、易于維護(hù)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。