基于云平臺的智能精量水肥灌溉控制系統設計

馮培存，魏正英，張育斌，張 磊，周 瑞

(西安交通大學 機械制造系統工程國家重點實驗室，西安 710049)

當前，中國農業化肥年施用量已超過0.6 億t，約占世界總消費量的 1/3，單位面積施肥量是世界平均水平的3倍左右，目前這種高消耗低產出的用肥方式不僅造成了資源的極大浪費，還會帶來一系列環境污染的問題[1,2]。水肥一體化是當今世界公認的一項高效節水節肥農業新技術，主要根據土壤特性和作物生長規律，利用灌溉設備同時把水分和養分均勻、準確、定時定量地供應給作物。發達國家農業生產的經驗表明，推廣水肥一體化技術是實現農業可持續發展的關鍵[3]。近年來國內在農業智能灌溉控制系統的研究越來越多，設計開發的控制種類繁多，在大田和溫室中的水肥精量控制系統的應用相對較少，此外，考慮到不同植物在不同的生長階段對于不同肥素濃度的需求量是不同的，國內市場上的水肥設備控制精度相對不高，高端設備大多采用的是EC傳感器來對混合肥料進行監測，并不能實現對N、P、K等單一肥素濃度配比的控制，隨著物聯網技術的發展，對設備的遠程控制與監測提供了新的技術與手段。針對這種情況，本文設計了一套應用云平臺、PLC及HMI技術的精量水肥灌溉控制系統，實現了精準的水肥配比需求。

1 智能精量水肥灌溉系統

考慮到不同種類、不同生長階段的作物對于氮、磷、鉀和酸堿度的需求不同，配比精確的肥液濃度對精量灌溉甚為重要，本系統設置4個通路來實現對N、P、K肥液濃度以及酸堿度的精量控制。以PLC為核心控制器，搭建的系統框架見圖1，設計了信號采集模塊、電磁閥開關控制模塊、精量控制模塊、人機交互模塊以及遠程監測控制模塊。在信號采集模塊，使用PLC高速計數器功能對脈沖流量計實現計數，壓力、土壤濕度、鹽分傳感器和肥液EC、pH傳感器通過模擬量輸入至控制器。在電磁閥開關控制模塊，利用PLC的輸出點控制電磁閥開關量的通斷，實現對不同肥料以及不同輪灌區域的灌溉控制。在精量控制模塊，根據專家庫數據，以及傳感器的信息，結合流量控制算法，利用PLC模擬量輸出功能對直流調速泵進行轉速調節，進而實現對肥素濃度的控制。在人機交互模塊，通過組態軟件實現人機交互，包括灌溉控制、灌溉監測等。在遠程監測控制模塊中，基于Modbus RTU及TCP協議完成觸摸屏與云平臺的數據通訊與傳輸，進而實現電腦、手機、微信的多終端的監測與控制。結合精量水肥灌溉控制機的功能要求和機械設計原則[4]，設計制作的精量水肥灌溉設備實物圖見圖2。

圖1 智能精量灌溉系統框架Fig.1 Architecture diagram of intelligent precision irrigation system

圖2 精量水肥灌溉設備實物Fig.2 Physical map of water and fertilizer precision irrigation equipment

精量水肥灌溉機控制策略如下：

PID 控制器具有結構簡單、穩定性良好及性能可靠等優點[6]。但是農業灌溉是一個大慣性、非線性和純時延的系統，無法對其建立精確與統一的數學模型。模糊PID控制系統主要由參數可調整PID和模糊控制系統2部分組成。灰色預測模糊PID控制方法，一方面用PID的積分調節作用，減低穩態誤差，提高精度，用模糊控制實時調節PID參數，增強適應能力；另一方面，用灰色預測控制，解決被控對象中的純滯后環節，以提高控制效果[7]。

本控制系統采用的控制算法為西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室張育斌博士等人研究的灰色預測模糊PID灌溉控制算法[7]。在實際應用中，將流量傳感器采集的肥路、水路的流量數據，輸入到灰色預測模糊PID控制器中，經過系統處理，輸出流量調節的模擬信號作用于泵，實現精量的水肥控制。

2 智能控制組態軟件設計

客戶端控制軟件整個工作流程圖見圖3(選用嵌入式一體觸摸屏)。HMI上電之后，系統進行初始化，進入登陸界面，選 擇功能模塊。系統主要分為施肥模式、灌溉施肥監控、施肥參數、灌溉專家庫、數據查詢、數據導出、灌溉施肥報警等模塊。在施肥之前，作業人員根據現場的情況輸入所使用的N、P、K等肥料母液的濃度，在系統上電之后，系統默認處于手動施肥模式，作業人員可以單獨或者同時控制幾路肥泵的開閉，實現手動施肥。在自動施肥模式下，系統會根據用戶選定的植物及其生長期，從專家庫中確定本次灌溉所要求的相應肥料配比以及EC值、pH值范圍，系統會按照施肥參數，根據水路的流量來調節水泵的轉速，確保按照植物需求的水肥配比自動進行施肥灌溉。此外，在灌溉及施肥進行中，HMI會對整個過程進行實時的監測，當一些指標不在設定的范圍內時，會自行執行報警策略，并會彈出窗口以及發出聲響提醒用戶。比如，當水路的灌溉流量小于一定的閾值時，系統會自動停止運行并提示水路異常，消除報警后可繼續灌溉。在系統監控界面，會實時顯示已灌溉量和目標值，以及流量的實時值，監控界面非常直觀地顯示出灌溉及施肥的進程。當灌溉量及施肥量達到設定值，系統會自動關閉電磁閥、水泵及肥泵，完成整個灌溉過程，并將數據保存到歷史數據庫中。在歷史數據模塊，用戶可以查看已完成的灌溉數據以及灌溉的日志。在數據導出模塊，用戶可以將一定時間段的灌溉施肥數據以Excel表格的形式導出到U盤中，便于查閱分析。控制系統軟件界面設計見圖4。

圖3 控制軟件流程Fig.3 Flow chart of control software

圖4 控制系統軟件界面 Fig.4 Software interface of control system

3 云平臺控制軟件設計

如今，伴隨出農業互聯網概念，物聯網技術在農業領域應用越來越廣泛，通過農業物聯網技術，將灌溉設備中數據信息進行傳輸共享，形成傳感器網絡，完成現代遠程灌溉控制顯得很為重要。

設計了基于云平臺的遠程灌溉控制系統，將實時的灌溉數據上傳至服務器云平臺，遠程監測控制原理圖見圖5。可以利用電腦、手機等終端設備進行實時監測與控制，實現灌溉系統的手動、自動運行和網絡化管理功能的智能切換，以滿足不同灌溉場合和控制區域的灌溉控制需求。同時，通過設定觸發器，一旦監控的數據超出一定的范圍，客戶端或者微信會自動推送報警信息，便于用戶盡快做出相應的決策。

一方面，傳感器采集到的信息，如土壤信息、作物信息、氣象信息、環境信息等，可以直接通過基于WIFI或者GPRS無線傳輸技術上傳至云平臺，供用戶實時監測。另一方面，也可以將灌溉過程中的數據通過觸摸屏與云平臺的通訊實現傳輸，同時可以通過云端將人機控制指令作用于觸摸屏，從而實現對灌溉開關量的控制。通過云平臺賬號，可以對歷史灌溉數據進行查詢，為數據分析與挖掘提供數據基礎。電腦或手機端的監控及控制界面及K肥電磁閥開閉歷史數據查詢見圖6。

圖5 基于云平臺的遠程監測及控制原理Fig.5 Schematic diagram of remote monitoring and control based on cloud platform

4 總結與展望

研究開發了智能精量水肥灌溉設備，設計了以PLC為控制核心的精量水肥灌溉控制系統，利用流量傳

圖6 云平臺遠程監控及控制界面及K肥電磁閥開閉歷史記錄Fig.6 Software interface of remote monitoring and control based on cloud platform and historical data of K fertilizer solenoid valve

感器，在普通PID控制策略的基礎上應用了灰色預測模糊PID灌溉控制算法來實現對單一肥素濃度的精量化配比控制，融合EC、pH傳感器技術形成循環反饋，實現自動、精量化施肥。開發了一套客戶端智能控制組態軟件，可實現人機互動、灌溉監控、數據存儲、數據查詢、數據導出等功能。采用基于WIFI或GPRS的數據無線傳輸技術實現了水肥設備與云平臺的數據傳輸，具有電腦、手機、微信多終端的灌溉數據監測和開關量控制的功能，實現了設備的信息化、無線化、智能化。該設備可實現水肥一體化精量施肥灌溉，利用物聯網云平臺技術實現用戶灌水及施肥等數據的采集與記錄，為后續的數據分析與挖掘提供基礎，推動農業的現代化發展。

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[1] 趙秉強.傳統化肥增效改性提升產品性能與功能[J].植物營養與肥料學報,2016,22(1):1-7.

[2] 王艷語，苗俊艷.世界及我國化肥施用水平分析[J].磷肥與復肥, 2016,31(4):22-23.

[3] 高祥照,杜 森,鐘永紅,等.水肥一體化發展現狀與展望[J].中國農業信息,2015,(4):14-19.

[4] 謝友柏．產品的性能特征與現代設計[J]．中國機械工程,2000,11(Z1):26-32．

[5] 劉 現,林營志,李傳輝.基于PLC的自動灌溉控制系統設計[J].中國農學通報,2017,33(3):160-164.

[6] 王 蕾, 宋文忠. PID控制[J]. 自動化儀表,2004,25(4):1-6.

[7] 張育斌,魏正英,馬勝利,等.灰色預測模糊PID灌溉控制技術開發[J].中國農村水利水電, 2016,(2):5-8.

[8] 張育斌,魏正英,簡 寧,等.水肥精量配比灌溉系統設計[J].農機化研究,2017,39(12):107-111.