智能綠植灌溉電動球閥系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

1、    智能綠植灌溉電動球閥系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述    楊鵬飛摘 要 我國是幅員遼闊的大國，東西部氣候相差特別大，西部特別是西北地區(qū)常年干旱雨水不足，城市建設(shè)的綠植成活率很低，大大影響西北部城市居住條件。目前，很多地區(qū)仍依靠“人工模式”來手工啟停泵、閥。為此，設(shè)計(jì)一套智能化的電動球閥控制系統(tǒng)，不僅能按照綠植的生長需求，還能解決遠(yuǎn)程監(jiān)控球閥、方便操作等問題，同時還將更加有利于節(jié)水節(jié)電，具有較大的社會意義和實(shí)用推廣價(jià)值。關(guān)鍵詞 智能綠植灌溉，電動球閥，系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 電動球閥的多模式控制要求為了方便用戶進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，該控制系統(tǒng)需支持球閥的手動與自動兩種控制方式

2、，加裝手輪機(jī)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)手動。在自動方式下，需要支持就地與遠(yuǎn)程控制兩種模式。管理員就地通過觀察和設(shè)置球閥或者手機(jī)上網(wǎng)實(shí)現(xiàn)球閥的遠(yuǎn)程監(jiān)測。為了達(dá)到智能化的效果，在每塊綠化設(shè)置的就地控制裝置需要能夠?qū)崟r反映當(dāng)前綠植所處的生長環(huán)境，還能根據(jù)綠植的生長需求，對球閥開度進(jìn)行智能化的控制，從而滿足綠植對土壤濕度的需求1。2 球閥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路為了滿足上述球閥的控制要求，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)場監(jiān)控站之間形成5g網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，在現(xiàn)場監(jiān)控站與就地控制柜之間采用rs-485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)程球閥的狀態(tài)監(jiān)測、綠植土壤參數(shù)、球閥遠(yuǎn)程控制、數(shù)

3、據(jù)保存及相關(guān)信息管理工作;現(xiàn)場監(jiān)控站主要是針對多組球閥進(jìn)行自動控制以及狀態(tài)指示等;現(xiàn)場控制柜主要針對現(xiàn)場單個電動球閥進(jìn)行就地啟停智能控制;手機(jī)5g模塊主要支持管理員手機(jī)上網(wǎng)啟停球閥以及對綠植的狀態(tài)監(jiān)測。3 球閥現(xiàn)場單片機(jī)模糊控制（1）球閥模糊控制的原理。由于電動球閥的動作和土壤濕度檢測具有一定的滯后性。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)期的綠植對土壤濕度的要求。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)水灌溉用球閥控制系統(tǒng)中，不但能起到節(jié)水的效果，而且還能通過對綠植進(jìn)行合理的灌溉，更有利于綠植的生長發(fā)育，達(dá)到存活率高的目的。所謂球

4、閥的模糊控制，即對土壤濕度進(jìn)行采集，經(jīng)a/d轉(zhuǎn)化后，利用模糊控制器進(jìn)行模糊化度量、識別，然后利用專家知識，結(jié)合綠植的生長需求，生成模糊規(guī)則推理，從而形成模糊決策，然后經(jīng)過反模糊化輸出精確的球閥開度，達(dá)到智能節(jié)水灌溉的目的。3.2 球閥模糊控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)參數(shù)模糊化。這里選用了系統(tǒng)檢測的土壤實(shí)際濕度t與土壤濕度給定值td的誤差以及誤差變化率作為節(jié)水灌溉用球閥模糊控制系統(tǒng)的輸入變量。根據(jù)綠植生長期的較佳土壤濕度需求，經(jīng)過量化因子量化后，選擇確定其t、et模糊論域分別為-1，1、-0.2，0.2，并將其都定義為5個等級，分別為負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大，分別對應(yīng)于nb，ns，zo，ps，pb，其隸屬度函

5、數(shù)均選擇高斯型。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90s）;設(shè)定5個模糊子集分別為較小，小，適中，大，較大，隸屬度函數(shù)取三角形。模糊控制軟件實(shí)現(xiàn)流程。球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。每塊綠植基地選用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)自動模糊控制或手工啟?？刂?，并定時進(jìn)行參數(shù)顯示刷新。4 球閥組觸摸屏遠(yuǎn)程監(jiān)控球閥用單片機(jī)控制裝置通信協(xié)議。球閥用單片機(jī)控制裝置提供了rs-232以及rs-485兩

6、種通信接口模式。由于在現(xiàn)場監(jiān)控站是針對某一片城市綠化統(tǒng)一進(jìn)行監(jiān)控，因此在這個監(jiān)控中心將涉及多個單片機(jī)球閥控制裝置數(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，實(shí)現(xiàn)plc與多個單片機(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)多個城市綠化的球閥遠(yuǎn)程控制以及狀態(tài)監(jiān)測。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)球閥控制裝置支持ascii碼字符格式進(jìn)行信號傳輸，其通信的協(xié)議為：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，則代表plc需要查詢1#球閥當(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，表明球閥

7、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，則代表plc遠(yuǎn)程關(guān)閉1#球閥，單片機(jī)控制裝置接收到此信息后將立即動作。球閥組遠(yuǎn)程群控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。當(dāng)plc與就地的球閥控制柜之間能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)通信后，利用觸摸屏tpc7062k作為現(xiàn)場監(jiān)控站的球閥監(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modbustcp/ip協(xié)議實(shí)現(xiàn)hmi與手機(jī)5g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)控球閥的目的。5 系統(tǒng)在寧夏吳忠的應(yīng)用將設(shè)計(jì)好的球閥多模式監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于吳忠市城市綠化灌溉時發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)目前運(yùn)行穩(wěn)定可靠，球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控制以及手工開關(guān)。6 結(jié)束語針對城市綠植灌溉用球閥手動控制的缺陷進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)對球閥控制進(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，同時還有利于綠植的生長和成活率高。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)了單個球閥的