水肥一體化遠程施肥機控制系統設計與實現

錢治丞， 宋 博， 劉 勇,2， 曲 頌

(1.黑龍江大學 電子工程學院， 哈爾濱 150080；2.黑龍江東部節水設備有限公司 研發中心， 綏化 150020)

0 引 言

目前，我國傳統的農業生產多采用大水漫灌、地表撒肥和穴施等方式，生產過程中農民憑借經驗施肥造成的土壤板結、環境污染問題尤為嚴重，對肥料的有效利用率遠低于其他農業大國[1-2]。在農業發達國家主要使用水肥一體化技術灌溉施肥，將水肥混合液通過低壓管網輸送給作物根部，同時,根據不同作物的需水肥特點，定時、定量和均勻地提供，實現水肥的高效利用[3]。近年來，隨著物聯網技術的快速發展，以及“智慧農業”概念的提出，許多先進的物聯網技術運用到農業生產中，國內外研究人員研究的施肥機，取得了一些成果[4]。2017年， Joseph等設計一套施肥系統，該系統可以根據傳感器采集的數據自動控制水泵的開啟和關閉，設計了自動混肥系統，能夠均勻攪拌肥料[5]。2018年，Rao等設計了一套基于物聯網的水肥灌溉系統，該系統可以通過平臺計算出作物需水量，并可以通過平臺遠程操控施肥機[6]。2019年，李欣倪等設計了基于Android平臺的變量施肥控制系統，該系統通過手機APP可以查看和控制施肥機，大部分的施肥機實現了水肥一體化的功能，但在實際使用上沒有針對我國農田電網實際使用情況進行設計，無法做到施肥量精準控制[7]。

隨著勞動力短缺的現象越來越明顯，農業用工成本也越來越高，農業向智能化、機械化發展是未來的趨勢。施肥灌溉技術是農業發展的基礎，其集約化程度會越來越高，對水肥的控制也會越來越精確。因此，需要發展智能農業裝備來提高水肥控制精度，減少勞動力成本，增加作物效益，市場應用前景廣闊。本文的遠程施肥機控制系統以無線通信技術為基礎，采用兩種無線通信方案用于施肥機和平臺連接，可以通過平臺遠程操控施肥機[8]，完成數據監測、開關量控制、施肥速度設置、水肥混合和水泵等指令控制，同時，針對施肥精度問題，采用PID控制無刷直流電機施肥泵精準施肥控制[9]，并進行定量施肥實驗進行驗證。

1 系統的總體設計

1.1 系統硬件組成

圖1 系統硬件結構圖Fig.1 Diagram of system hardware structure

水肥一體化遠程施肥機控制系統采用意法半導體的STM32 32位ARM Cortex-M微處理器[10]，控制系統硬件電路主要有電源電路、微處理器電路、通信電路、控制電路、傳感電路、電機驅動電路、繼電器電路、保護電路和報警電路等功能模塊，系統硬件結構圖如圖1所示。工業直流電源輸入的24 V電壓將被分別轉換為11、5、3.8和3.3 V的直流電壓，提供給電機驅動、霍爾信號、繼電器、通信等電路系統；按鍵提供給調試人員和操作人員用于調試或改變系統工作狀態；通信模塊采用NB和4G模組替換方案和平臺進行交互；觸摸屏幕用于顯示和本地控制施肥機；傳感電路用于采集數據；繼電器電路用于控制大功率水泵和混肥泵的啟停；保護電路包括電機電流保護，過壓、欠壓保護和溫度保護，防止電機在異常工作狀態；電機驅動模塊采用IR2110S場效應管驅動芯片以及N溝道MOS管IRFS3607設計三相逆變電路，來驅動無刷直流電機旋轉；霍爾傳感器接口用于讀取當前電機位置信息，用于驅動電機旋轉和計算電機轉速；報警器在控制系統出現異常后，對外輸出警示信號。

1.2 硬件設計

在STM32微處理器眾多型號中，每個型號都有自己不同的特點，根據施肥機系統功能的復雜程度，本文選用的STM32F103增強型號中的一款STM32F103RCT6芯片作為施肥機控制系統的主控芯片。該芯的核心系統由主控芯片、晶振電路、復位電路、串口通信電路和下載器電路組成，微處理器電路圖如圖2所示。

圖2 微處理器電路

為了實現施肥機的遠程控制，本系統采用NB和4G通信模組兩種方案連接云平臺，施肥機主要工作地點在農場或偏遠地區，NB信號不能實現全覆蓋，在一些沒有覆蓋到或者信號質量不佳的地區，施肥機無法和云平臺連接，經過查找資料發現4G信號基本實現全覆蓋，進行測試表明在這種地方使用4G信號傳輸效果很好。由于4G模組成本高于NB模組，因此，只在NB信號不佳的種植區使用4G模組作為網絡傳輸模塊，該模組的主要作用是將施肥機系統各部分的工作狀態和傳感器采集到的數據傳給云平臺，并可以接收來自云平臺下發的指令，控制施肥機執行相應的功能，通信電路如圖3所示。

圖3 通信電路

水泵作為施肥機將水肥溶液傳輸至灌溉管網的主要動力來源，它的工作電壓是AC 220 V，需要通過繼電器控制水泵。按鍵控制用來控制施肥機各個執行功能的開關，按鍵電路的穩定控制非常重要，所以采用電阻分壓加上濾波電容的方式，使中間點電壓穩定在3.3 V，保證按鍵電平的穩定，控制電路如圖4所示。

圖4 控制電路

由于交流施肥電機功率受電壓波動較大，農田電網電壓會受到周圍大功率設備的影響，導致施肥量無法準確控制。無刷直流電機具有控制精度高、使用壽命長和維護費用低等優點，同時，沒有換相電刷，對控制器產生的電磁干擾更小，所以本文采用無刷直流電機施肥泵。施肥泵控制系統主要采用三項逆變橋式驅動電路，由大功率MOSFET驅動芯片電路、驅動緩沖電路和高速光耦隔離電路組成，電路如圖5所示。

圖5 電機驅動電路

1.3 系統工作原理

水肥一體化遠程施肥機控制系統以STM32單片機為核心，搭配遠程通訊模塊、觸摸屏模塊和施肥電機驅動模塊，通過通訊模塊連接上云平臺后，遠程查看和控制施肥機電磁閥的開關狀態、施肥泵、混肥泵和水泵的啟停，以及設置不同的施肥方案等，同時施肥機可以把監測到的狀態發送給平臺，用戶可以在遠程實時查看，也可以通過觸摸屏幕本地查看和控制施肥機。

2 PID控制與軟件設計

2.1 PID控制

PID控制是在工業生產過程中最普遍采用的控制方法，特別是在冶金、機械和化工等行業中得到廣泛的應用。PID控制采用線性閉環控制方法，是由比例(P)、積分(I)和微分(D)構成的控制算法[13]。PID控制算法的原理是根據系統的誤差通過比例、積分和微分計算，來獲得控制器的輸出量，經過執行機構，再給到被控對象進行控制，其控制原理圖如圖6所示[14]。

圖6 PID控制原理圖

將系統期望值r(t)與被控對象的實際輸出值y(t)進行計算，得到系統的偏差：

e(t)=r(t)-y(t)

(1)

將偏差乘以比例、積分和微分的加權系數再相加，通過線性組合得到控制量，對被控對象進行控制，叫作PID控制器，PID控制的微分方程為[15]：

(2)

式中：u(t)為控制器的輸出量；e(t)為給定值與反饋值的差；Kp為比例系數；TI為積分時間常數；TD為微分時間常數。在數字控制系統中，采用求和代替積分，用差分代替微分的方式，對模擬PID進行離散化處理，得到數字式PID，也稱位置式PID控制算法，其表達式為：

(3)

式中：e(k)為第k次采樣時刻控制系統的偏差值；k為采樣序列號；T為采樣周期；u(k)為第k次采樣時刻控制系統的控制量。采用位置式PID控制算法，積分項把每一次的誤差都加在一起，隨著采樣次數越來越多，PID控制算法所需要的內存空間也越來越大，導致系統控制效率降低，并且一旦系統出現故障，可能會導致u(k)劇烈變化，甚至會產生嚴重的后果。

為了克服位置式PID控制算法的這個缺點，對位置式PID控制算法加以改進，通過遞推原理，可得：

(4)

將式(3)與式(4)相減，可以得到增量式PID控制算法為：

Δu(k)=KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

(5)

在實際的控制系統中，PID控制是根據系統的實際需要來選擇，雖然微分環節可以更好地預測誤差的變化趨勢，減少超調，但是微分項的存在使得整個系統對于高頻干擾過于敏感，而在施肥機工作的實際工作環境高頻干擾非常嚴重，如果使用微分項會降低系統的穩定性。所以，在本系統中選擇使用增量式PI控制器對施肥泵速度進行閉環控制。

2.2 軟件實現

軟件設計運用了模塊化的編程思想，采用C語言獨立編寫每個模塊程序，最后再進行整體測試。根據施肥機功能要求，施肥機首先初始化單片機，然后判斷聯網模組類型并進行初始化，連接上云平臺后，定時檢測平臺有無數據下發，并對數據進行處理，執行相應操作，同時定時上傳施肥機各功能狀態和傳感器的數據，施肥機軟件流程圖及施肥泵流程圖如圖7所示。

(a) 施肥機軟件流程圖

(b) 施肥泵流程圖

3 系統試驗

3.1 試驗目的

以搭載水肥一體化遠程施肥機控制系統的施肥機為試驗對象，測試觸摸屏和遠程平臺操控界面上的開關對施肥機電磁閥開關、水泵、施肥泵和混肥泵的控制能力。同時,將施肥機采集到的數據顯示在屏幕和平臺上，判定定量施肥能否達到要求和施肥機各項功能運行的穩定性。

3.2 試驗條件

對設計的水肥一體化遠程施肥機控制系統進行試驗，地點為黑龍江省綏化市東部節水公司。控制系統實物圖和設備整體連接圖如圖8所示。其中進水管連接施肥機進水管道，出水口連接水肥混合出水管道，施肥機配備3個裝有混肥泵的300 L肥液桶，用于混合稀釋、肥液存儲，施肥機的施肥泵采用無刷直流電機，在吸肥管道上安裝浮子流量計，用于實時觀測肥液流量，在出水管道上安裝EC和pH傳感器，用于檢測肥液濃度。

(a) 控制系統實物圖

3.3 試驗方法

(1) 平臺通信試驗： 試驗中，待控制系統初始化完成后，通過平臺查看施肥機采集的數據，控制各繼電器開關、施肥泵啟停和其他功能選擇，實時查看設備的響應、運行情況。

(2) 本地控制試驗： 控制系統初始化完成后，通過觸摸屏查看施肥機數據，控制施肥機執行各種功能，通過按鍵觸發緊急停止功能，查看設備響應情況。通過定時啟停的方式來進行本地自動控制，檢驗自動控制的可行性。

(3) 精量施肥試驗： 在MCGS組態屏上輸入理論施肥量，控制系統控制對應電磁閥開啟，用量杯測量實際施肥量，選擇5 L作為測試理論值，記錄5次吸肥量值，取平均值和理論值進行對比，并計算誤差。

3.4 結果分析

施肥機監測的數據均能實時顯示到觸摸屏和平臺上，本地控制電磁閥、水泵、施肥泵和混肥泵響應很快，遠程控制有較小延遲，基本達到本地控制的效果；在自動運行模式下，設定多種施肥方式，施肥機在設定的時間可以自動啟動和停止施肥；在手動模式下可以設定施肥速度和施肥通道的開關。對施肥泵的性能測試發現，實際輸出量與理論值的差值很小，偏差范圍在可接受范圍內，因偏差引起的肥料濃度變化可以忽略。綜合考慮，施肥泵性能符合施肥機設計標準，能夠滿足精量施肥的作業要求。觸摸屏控制如圖9所示，定量施肥量測試結果如表1所示。

圖9 觸摸屏控制圖

表1 定量施肥量測試

4 結 論

設計了水肥一體化遠程施肥機控制系統，將水肥一體化技術與物聯網技術、遠程控制技術相結合，提高了施肥機功能的多樣性，滿足當代農業發展需求。在控制系統選擇上，采用STM32微處理器可以實現復雜的控制功能，在成本上相比于PLC更加便宜，對于工業干擾問題通過硬件和軟件進行處理。通過控制系統中兩種通信模組，可以使施肥機工作在不同地區，使得平臺遠程控制更穩定，解決了傳統施肥機只能本地操控的局限性，使灌溉施肥更加方便，降低勞動力。研究表明：系統的響應速度、運行穩定性和施肥量都可以準確控制，肥料的利用效果顯著提升，可以在實際的農業生產中使用。