基于虚拟仪器温室灌溉控制系统的研究

摘要

随着21 世纪的到来，水资源危机已经成为全球性的突出问题，越来越受到世界各地的重视和关注。我国是世界13 个严重缺水的国家之一，人均水资源不足世界人均水平的1/4 。
　　 在水资源面临短缺的同时，农业——我国第一用水大户，用水浪费现象却非常严重。目前我国农业灌溉水利用率只有40％左右，不足发达国家的1/2 。因而发展节水灌溉技术，提高灌溉水的利用率，是解决未来水资源短缺的根本出路，也是现代农业的基本要求。中国高效用水农业的形成必须以农业灌溉技术变革为前提。
　　 设施农业是现代化农业的一个重要组成部分，温室节水灌溉技术的发展对于提高农业用水利用率具有十分重要的意义。我国的温室节水灌溉控制技术还处于起步阶段，发展时间短，自动化程度低。国内绝大多数温室设备都比较简陋，温室灌溉仍然采用传统的灌溉方式，需要靠人工根据经验来完成，这种旧的灌溉方法已经制约了温室作物产量和质量的提高。因此，本文旨在设计一套能对作物生长的土壤湿度进行自动监控的系统，它能对作物进行适时、适量的灌水，可起到高效灌溉、节水、节能的作用。
　　 本论文主要研究设计了基于虚拟仪器技术的温室滴灌控制系统，除了分别对土壤湿度与灌水量之间的关系、灌溉控制技术及系统设备的软、硬件等进行深入研究外，还比较了虚拟仪器相对于传统仪器的优势，将传感器技术、计算机技术、虚拟仪器技术和数据库技术进行了有机结合。系统的整体方案是通过数据采集卡采集传感器的湿度信号，上传给PC 机，上位机再将采集的信号进行计算处理，经过模糊决策，输出控制信号给执行机构，同时实现对采集信号的存储、显示等功能。在硬件方面，详述了设备的选型及性能指标，设计了灌溉阀门的驱动电路；在软件方面，以LabVIEW 软件为开发平台，采用模块化设计，实现了检测信号的实时采集、数据显示、数据处理、控制信号的输出、声音报警及采集信号的数据管理等功能；在控制算法方面，考虑到温室环境系统非线性、时变、大时延、数学模型难以精确建立等特点，采用模糊控制方法实现对温室灌溉系统的控制。模糊控制是一种鲁棒性好、对系统参数变化不敏感的非线性控制算法。本文应用MATLAB 软件实现模糊控制器的设计及模糊控制表的生成，并应用Simulink 软件对模糊控制器进行了仿真。最后通过滴灌实验表明，灌溉系统能够实现本文设计要求。