引 言

中國農業(yè)面臨著耕地量少，需求量大的困境，如何在有限的土地上種植出更多的作物已成為當下的熱議問題之一?，F(xiàn)代農業(yè)在傳統(tǒng)農業(yè)的基礎上添加了一些自動控制設備，一定程度上緩解了農業(yè)壓力，但還存在極大的提升空間。傳統(tǒng)的控制理論已逐漸滿足不了人們的需求，模糊控制理論的出現(xiàn)恰好可以有效緩解且極有可能解決該問題。

1 模糊控制的基本原理

世間萬物皆有其運動規(guī)律，部分事物的運動規(guī)律可以用現(xiàn)有的數(shù)學模型來建模，仿真，實現(xiàn)，但有些難以發(fā)現(xiàn)的規(guī)律則需要消耗大量的人力物力。這時，我們通常采用一種名為經驗 的方法來對其進行操控，而模糊控制就是建立在 經驗 基礎上的一種控制理論。區(qū)別于傳統(tǒng)的精確控制，模糊控制沒有建立精確的數(shù)學模型，而是通過隸屬度的方法，將采集到的精確數(shù)據通過量化因子模糊化，將模糊化后的數(shù)據經模糊規(guī)律進行模糊推理，得到模糊輸出，最后再將其通過比例因子進行反模糊化（精確化），得到準確的控制結果。該過程類似于一個人通過自己的經驗來操控一臺設備的過程。其基本控制思想如圖 1 所示。將輸入信號 e（這里取偏差值）進行模糊化得到其模糊輸入值，將其結合模糊規(guī)則進行模糊推理得到模糊輸出量為：

u = e 。R（1）

式中，u 是一個模糊輸出量。將模 u 通過比例因子轉化為精確量，在圖 1 中，這一步可被稱為反模糊化或解模糊。綜上，模糊控制過程可概括為如下 4 個步驟：

(1) 將被測數(shù)據與系統(tǒng)給定值進行比較和計算，得出系統(tǒng)輸入的精確值；

(2) 將系統(tǒng)輸入的精確值進行模糊化，轉化為系統(tǒng)輸入的模糊值；

(3) 將模糊輸入值結合模糊規(guī)則進行模糊推理，得出模糊輸出值；

(4) 將得到的模糊輸出值進行反模糊化，得到輸出控制量的精確值，對被控設備進行操控。

2 系統(tǒng)設計

該系統(tǒng)主要分為基于無線傳感網絡ZigBee 技術的通信模塊，基于各種傳感器以及大棚內控制設備閥門所組成的采集模塊和位于上位機的模糊控制模塊（匯聚節(jié)點）。其中采集節(jié)點， 通信節(jié)點和上位機節(jié)點（控制模塊）的核心部分都為 CC2530 芯片，該芯片不僅包含基本的主控 MCU，還提供射頻接口等主要部件。采集節(jié)點通過芯片引腳或串口（RS 485）對大棚內的控制設備閥門進行控制。而通信節(jié)點通過ZigBee 網絡將采集模塊采集到的數(shù)據傳給位于上位機的模糊控制模塊，模糊控制模塊則負責對采集到的數(shù)據進行判斷和計算，從而對控制設備閥門下達正確的控制指令。系統(tǒng)基本原理如圖 2 所示。

3 模糊控制器的設計

模糊控制器的設計過程如下：首先模糊控制器接收通過傳感器采集的被控對象的參數(shù)信息，經過與給定值的比較計算得出輸入變量精確值，然后再經過合適的量化因子將精確的輸入值模糊化（D/F）得到模糊值，即模糊控制器的模糊輸入變量。隨后將其帶入模糊控制器的推理機中，結合知識庫（A*。R）對其進行推理和分析，即模糊推理，得到模糊控制器的模糊輸出變量。最后經過比例因子對其進行反模糊化即清晰化（F/D），得到模糊控制器的精確輸出值來控制被控對象。根據以上控制過程可以發(fā)現(xiàn)設計模糊控制器的核心環(huán)節(jié)其實就是通過知識庫設計出最理想的模糊規(guī)則，然后在此基礎上確定模糊控制器的輸入和輸出變量，完成最終的設計任務。模糊控制器的基本組成框圖如圖 3 所示。

輸入取土壤濕度的誤差和誤差變化率，輸出取澆灌時間。s表示系統(tǒng)設定值（土壤濕度適宜值），為精確量；e，c 分別為系統(tǒng)偏差與其變化率；E，C 分別為系統(tǒng)偏差偏差與其變化率經模糊化后得到的模糊輸入值 ；U 為將模糊輸入值結合模糊規(guī)則進行模糊推理而來的模糊輸出值（澆灌時間）；u 為將模糊輸出值 U 經過反模糊化得到的精確控制結果（澆灌時間）。

4 模糊控制規(guī)則的構建

模糊控制規(guī)則類似于我們所認知的條件判斷語句。假設x、y 是輸入變量，z 是推理結果，則其規(guī)則通?？梢悦枋鋈缦拢?

If{x== A）and（y == B）Then（z= C） （2）

該推理式可用于描述控制規(guī)律，因此常被定位推理規(guī)則。在本系統(tǒng)中，根據大棚管理人員的經驗以及作物適宜的生長參數(shù)，可以將輸入誤差變量 E，C 的模糊子集選取如下，共 7 個檔位{NH，NM，NL，0，PL，PM，PH}， 通過系統(tǒng)輸入的環(huán)境參數(shù)誤差（這里取土壤濕度誤差）及誤差變化趨勢，建立消除誤差的模糊控制規(guī)則，得到 U 值。該模糊控制規(guī)則見表 1所列。

5 結 語

本文將模糊控制這種先進的智能控制技術在現(xiàn)代農業(yè)上加以應用，并設計了相應的系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過采集并分析作物種植區(qū)的生長參數(shù)，可精確獲取作物的種植需求。該系統(tǒng)經濟、實用，適用于現(xiàn)代農業(yè)對作物生長進行智能控制的需求。