CN113475375B - 一种基于混沌信号控制的农业灌溉装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于混沌信号控制的农业灌溉装置，包括电源模块、控制模块、驱动模块、监测模块和若干个喷头，所述电源模块通过电路连接控制模块、驱动模块和监测模块；所述控制模块通讯连接驱动模块、监测模块和喷头；所述控制模块包括单片机，单片机用于承载控制程序，所述控制程序采用混沌模型，能够产生具有混沌特性的PWM波；所述驱动模块包括驱动装置和变频水泵，驱动装置接受单片机产生的PWM波信号，并将PWM波信号转换为电压和电流信号输出给变频水泵，从而为变频水泵提供不同的工作压力；所述监测模块实时监测喷头能够覆盖的灌溉范围内的温度和湿度，并反馈给控制模块，单片机处理分析反馈信号，以控制喷头的自动开关。

Description

一种基于混沌信号控制的农业灌溉装置
技术领域
本发明属于农业灌溉即电子控制设备技术领域，具体涉及一种基于混沌信号控制的农业灌溉装置。
背景技术
我国是农业大国，每年用于农业灌溉的水达上亿立方米，然而，由于大田灌溉技术的限制，真正能被农作物吸收的水量并不多，造成了水资源的浪费。近些年，本领域技术人员开发了滴灌、喷灌、微喷灌、膜下灌溉等节水灌溉方式，其中喷灌技术是借助水泵和管道系统或者利用自然水源的落差，把具有一定压力的水喷到空中，散成小水滴或者形成弥雾落到植物上和地面上的灌溉方式，然而大多数喷灌系统为指定扬程和角度的喷洒，这样虽然提高了水资源的利用率，但是仍然存在人为设定喷洒范围且喷洒不均匀的问题，无法根据作物的实时需求而灵活调整喷洒范围。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种基于混沌信号控制的农业灌溉装置，包括电源模块、控制模块、驱动模块、监测模块和若干个喷头，所述电源模块通过电路连接控制模块、驱动模块和监测模块；所述控制模块通讯连接驱动模块、监测模块和喷头；
所述控制模块包括单片机，单片机用于承载控制程序，所述控制程序采用混沌模型，能够产生具有混沌特性的PWM波；
所述驱动模块包括驱动装置和变频水泵，驱动装置接受单片机产生的PWM波信号，并将PWM波信号转换为电压和电流信号输出给变频水泵，从而为变频水泵提供不同的工作压力；
所述监测模块实时监测喷头能够覆盖的灌溉范围内的温度和湿度，并反馈给控制模块，单片机处理分析反馈信号，以控制喷头的自动开关。
可选的，所述单片机为STM32单片机，用于承载控制程序，所述控制程序采用混沌模型，所述混沌模型为线性交叉耦合超混沌映射模型(FL-LCHM)，数学表达式为：
Figure BDA0003170823470000011
可选的，在FL-LCHM模型中，参数为μ∈(0，4]，λ∈(0，6]，δ∈(0，8]。
δ＝6，λ＝5，μ∈(0，4]。
进一步可选的，上述参数为
所述单片机利用MATLAB软件对上述参数下的FL-LCHM模型的图像进行拟合，拟合结构发现，系统的状态变量分布范围遍及整个范围，且分布均匀，非常适合作为本发明的算法模型，使得各个喷头喷出的水滴在其喷洒范围内分布高度均匀。
进一步可选的，FL-LCHM模型利用F1(x)和F2(x)映射计算，F1(x)为Logistic映射，F2(x)为Feigenbaum映射。
可选的，所述驱动装置采用电机驱动模块BTN7971B，并设有隔离芯片74LS244，提高信号驱动能力，同时隔离BTN7971B芯片和单片机，保护BTN7971B芯片和单片机芯片。
所述电源模块优选为太阳能电池，用于给控制模块、驱动模块和监测模块供电。
可选的，所述电源模块设有LM2596_5.0电源芯片，为隔离芯片74LS244提供电源，也为外部提供5V的电压输出，为单片机提供直流电压输入，保证控制模块的正常运转。
可选的，所述喷头均匀布设在所述灌溉范围内，用于保证农业作物均能接受到灌溉。
可选的，所述监测模块包括湿度传感器和温度传感器，湿度传感器和温度传感器设在靠近每个喷头的喷洒范围的边缘的位置，用于实时监测每个喷头的最远喷洒处的湿度和温度，保证农作物的最低湿度和温度能够被所述控制系统监测到。单片机处理分析湿度传感器和温度传感器反馈的信号，控制对应喷头的自动开关。
可选的，所述农业灌溉装置还包括水箱，用于提供水源，水箱通过主管道连接变频水泵，变频水泵通过若干根分管道分别连接若干个喷头。
可选的，所述水箱和变频水泵设在所述灌溉范围之外，例如水箱和变频水泵设在农田旁边或农田集中灌溉的水源附近，水箱和变频水泵就近设置，有利于缩短两者之间管路的距离，节约设备投资。
可选的，所述主管道上设有总阀门，总阀门通讯连接所述单片机，由单片机控制水箱的水源供应。
可选的，所述分管道埋设在地下，且分别设置分路阀门，所述分路阀门分别通讯连接所述单片机，用于单片机控制分别控制每个喷头的开关。
可选的，所述单片机和驱动装置设在农田以外的操作控制室，便于操作人员统一监控不同农田的灌溉情况。
本发明所述的基于混沌信号控制的农业灌溉装置的优点：
1、基于混沌动力学系统对状态的空间的遍历性和不确定性原理，可以使喷头喷出的水滴在其喷洒范围内分布高度均匀，从而使其喷洒范围内的植物或农作物都得到均匀的灌溉；
2、利用湿度传感器和温度传感器监测土壤中的湿度和温度，并将数据传送给单片机，来控制喷头的自动开关，使作物得到的灌溉不仅是均匀的，而且是适度的，这有益于作物的生长；
3、整个灌溉装置基本不需要人为控制和干涉，而是进行自动化控制，实现了智能化灌溉，而且喷头的自动开关在很大程度上节约了水资源，达到了节水和科学灌溉的目的。
附图说明
图1为所述的基于混沌信号控制的农业灌溉装置的结构示意图。
图2为FL-LCHM模型示意图。
附图中，1-电源模块，2-水箱，3-变频水泵，4-喷头，5-单片机，6-驱动装置，7-湿度传感器，8-温度传感器。
具体实施方式
本实施例所述的基于混沌信号控制的农业灌溉装置，如图1所示，包括电源模块1、控制模块、驱动模块、监测模块和若干个喷头4，所述电源模块1通过电路连接控制模块、驱动模块和监测模块；所述控制模块通讯连接驱动模块、监测模块和喷头4；
所述控制模块包括单片机5，单片机5用于承载控制程序，所述控制程序采用混沌模型，能够产生具有混沌特性的PWM波；
所述驱动模块包括驱动装置6和变频水泵3，驱动装置6接受单片机5产生的PWM波信号，并将PWM波信号转换为电压和电流信号输出给变频水泵3，从而为变频水泵3提供不同的工作压力；
所述监测模块实时监测喷头4能够覆盖的灌溉范围内的温度和湿度，并反馈给控制模块，单片机5处理分析反馈信号，以控制喷头4的自动开关。
可选的，所述单片机5为STM32单片机，用于承载控制程序，所述控制程序采用混沌模型，所述混沌模型为线性交叉耦合超混沌映射模型(FL-LCHM)，数学表达式为：
Figure BDA0003170823470000041
可选的，在FL-LCHM模型中，参数μ∈(0，4]，λ∈(0，6]，δ∈(0，8]。
δ＝6，λ＝5，μ∈(0，4]。
进一步可选的，上述参数为
所述单片机5利用MATLAB软件对上述参数下的FL-LCHM模型的图像进行拟合，拟合结构发现，系统的状态变量分布范围遍及整个范围，且分布均匀，非常适合作为本发明的算法模型，使得各个喷头4喷出的水滴在其喷洒范围内分布高度均匀。
FL-LCHM模型利用F1(x)和F2(x)映射计算，如图2，F1(x)为Logistic映射，F2(x)为Feigenbaum映射，本发明对交叉耦合超混沌映射模型在反馈输入端进行了改进，其中，+代表两个输入项相加，即xn-1与yn-1相加后，再代入F2(x)中；×代表两个输入项相乘，即δ与yn-1相乘后，再代入F1(x)中。
所述Logistic映射模型的数学表达式为：xk+1＝F1(xk)＝μxk(1-xk)，
其中，μ∈(0，4]，xk∈(0，4]，k＝0,1,2…,n。
所述Feigenbaum映射的数学表达式为：xk+1＝F2(xk)＝λsin(πxk)，
其中，λ∈(0，6]，k＝0,1,2…,n。
可选的，所述驱动装置6采用电机驱动模块BTN7971B，并设有隔离芯片74LS244，提高信号驱动能力，同时隔离BTN7971B芯片和单片机，保护BTN7971B芯片和单片机芯片。
所述电源模块1优选为太阳能电池，用于给控制模块、驱动模块和监测模块供电。
可选的，所述电源模块1设有LM2596_5.0电源芯片，为隔离芯片74LS244提供电源，也为外部提供5V的电压输出，为单片机5提供直流电压输入，保证控制模块的正常运转。
可选的，所述喷头4均匀布设在所述灌溉范围内，用于保证农业作物均能接受到灌溉。
可选的，所述监测模块包括湿度传感器7和温度传感器8，湿度传感器7和温度传感器8设在靠近每个喷头4的喷洒范围的边缘的位置，用于实时监测每个喷头4的最远喷洒处的湿度和温度，保证农作物的最低湿度和温度能够被所述控制系统监测到。单片机5处理分析湿度传感器7和温度传感器8反馈的信号，控制对应喷头4的自动开关。
可选的，所述农业灌溉装置还包括水箱2，用于提供水源，水箱2通过主管道连接变频水泵3，变频水泵3通过若干根分管道分别连接若干个喷头4。
可选的，所述水箱2和变频水泵3设在所述灌溉范围之外，例如水箱2和变频水泵3设在农田旁边或农田集中灌溉的水源附近，水箱2和变频水泵3就近设置，有利于缩短两者之间管路的距离，节约设备投资。
可选的，所述主管道上设有总阀门，总阀门通讯连接所述单片机5，由单片机5控制水箱2的水源供应。
可选的，所述分管道埋设在地下，且分别设置分路阀门，所述分路阀门分别通讯连接所述单片机5，用于单片机5控制分别控制每个喷头4的开关。
可选的，所述单片机5和驱动装置6设在农田以外的操作控制室，便于操作人员统一监控不同农田的灌溉情况。
本实施例所述的STM32单片机，用于控制驱动装置、变频水泵、喷头、总阀门和分阀门协调工作；所述驱动装置6用于驱动变频水泵3工作；所述变频水泵3用于接受单片机5产生的PWM波来提供不同的工作压力；所述湿度传感器7和温度传感器8用于监测土壤中的湿度/温度，并将数据传送给单片机5来控制喷头4的自动开关。
将上述算法模型(FL-LCHM模型)写入STM32单片机，通电后，单片机不断产生具有不同占空比的方波，这些不同的占空比正是由算法所控制的，因此这些方波的占空比是具有混沌特性的，其通过驱动装置6产生的电压和电流也是具有混沌特性的。
驱动装置6负责接受单片机5所产生的PWM波形，并且将接收到的模拟信号转换为电压和电流进行输出，从而控制变频水泵3的运作。
变频水泵3和喷头4用于对农作物进行灌溉。具体的，变频水泵3采用直流重载电机775电机进行驱动，具有扭矩大，转速高，输入电压低的特点，变频水泵3扬程高，覆盖范围广，可调节能力强，相对比其他电机，775电机的功耗相对低，并且成本极其低廉，混沌信号产生开关频率不高的情况下可以满足长时间工作的需求。同时BTS7971芯片是MOS管集成芯片，电机驱动的频率会影响BTS7971开关损耗功耗，开关损耗越大，芯片越热，因此，在满足电机控制要求的前提下，尽量选用较低的开关频率，在实际应用中不需要高开关频率，因此正好满足需求。
本发明所述的基于混沌信号控制的农业灌溉装置，基于喷灌技术，并在其中运用电子控制技术对现有的灌溉系统进行了改良，使得喷头喷出的水滴在其喷洒范围内分布高度均匀，还利用湿度传感器和温度传感器监测土壤的湿度/温度，来自动控制喷头的开关，从而达到节能灌溉、绿色生产的目的。

Claims (9)

1.一种基于混沌信号控制的农业灌溉装置，其特征在于，包括电源模块、控制模块、驱动模块、监测模块和若干个喷头，所述电源模块通过电路连接控制模块、驱动模块和监测模块；所述控制模块通讯连接驱动模块、监测模块和喷头；
所述控制模块包括单片机，单片机用于承载控制程序，所述控制程序采用混沌模型，能够产生具有混沌特性的PWM波；
所述驱动模块包括驱动装置和变频水泵，驱动装置接受单片机产生的PWM波信号，并将PWM波信号转换为电压和电流信号输出给变频水泵，从而为变频水泵提供不同的工作压力；
所述监测模块实时监测喷头能够覆盖的灌溉范围内的温度和湿度，并反馈给控制模块，单片机处理分析反馈信号，以控制喷头的自动开关；
所述混沌模型为线性交叉耦合超混沌映射模型FL-LCHM，数学表达式为：
Figure FDA0004131421070000011
2.根据权利要求1所述的农业灌溉装置，其特征在于，所述单片机为STM32单片机，用于承载控制程序，所述控制程序采用混沌模型。
3.根据权利要求1所述的农业灌溉装置，其特征在于，在FL-LCHM模型中，参数为μ∈(0,4]，λ∈(0,6]，δ∈(0,8]。
4.根据权利要求3所述的农业灌溉装置，其特征在于，在FL-LCHM模型中，参数为δ＝6,λ＝5，μ∈(0,4]。
5.根据权利要求1所述的农业灌溉装置，其特征在于，所述驱动装置采用电机驱动模块BTN7971B，并设有隔离芯片74LS244，提高信号驱动能力，同时隔离BTN7971B芯片和单片机，保护BTN7971B芯片和单片机芯片。
6.根据权利要求5所述的农业灌溉装置，其特征在于，所述电源模块设有LM2596_5.0电源芯片，为隔离芯片74LS244提供电源，也为外部提供5V的电压输出，为单片机提供直流电压输入。
7.根据权利要求1所述的农业灌溉装置，其特征在于，所述喷头均匀布设在所述灌溉范围内；
所述监测模块包括湿度传感器和温度传感器，湿度传感器和温度传感器设在靠近每个喷头的喷洒范围的边缘的位置，用于实时监测每个喷头的最远喷洒处的湿度和温度；
单片机处理分析湿度传感器和温度传感器反馈的信号，控制对应喷头的自动开关。
8.根据权利要求7所述的农业灌溉装置，其特征在于，所述农业灌溉装置还包括水箱，用于提供水源，水箱通过主管道连接变频水泵，变频水泵通过若干根分管道分别连接若干个喷头。
9.根据权利要求8所述的农业灌溉装置，其特征在于，所述主管道上设有总阀门，总阀门通讯连接所述单片机，由单片机控制水箱的水源供应；
所述分管道埋设在地下，且分别设置分路阀门，所述分路阀门分别通讯连接所述单片机，用于单片机控制分别控制每个喷头的开关。
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