智能水肥一體化系統(tǒng)的應(yīng)用研究

馬偉順，李合菊，孫鋒申

（萊蕪職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東　萊蕪　271199）

智能水肥一體化系統(tǒng)的應(yīng)用研究

馬偉順，李合菊，孫鋒申

（萊蕪職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東萊蕪271199）

一體化水肥系統(tǒng)有著智能性，智能系統(tǒng)融匯了日常施肥及灌溉.相比于傳統(tǒng)方式，一體性的智能水肥在最大范圍內(nèi)減低了耗費(fèi)的肥料，節(jié)省人工勞動.同時，智能施肥還能防控偏多肥料燒毀植被的根莖，維持于充足的植被養(yǎng)料及水分.依照作物需求，靈活設(shè)定養(yǎng)分及水分最佳的比值.設(shè)定水肥規(guī)劃，施肥及灌溉都應(yīng)均勻，改進(jìn)持久性的作物產(chǎn)能.針對水肥一體化，智能系統(tǒng)改進(jìn)了日常施肥，有必要解析智能系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)用.

水肥一體化；智能系統(tǒng)；具體應(yīng)用

1　智能系統(tǒng)的價值

農(nóng)業(yè)在快速進(jìn)步，這種進(jìn)程也耗費(fèi)了更多水源.灌區(qū)正在拓展，然而也耗費(fèi)更多可用的水源.從現(xiàn)有狀態(tài)看，可供調(diào)配的水源并沒能維持均衡，帶來了較多浪費(fèi).在傳統(tǒng)灌溉中，采納了單一流程的灌溉方式.例如溝灌或大水漫灌，僅可調(diào)配40%現(xiàn)有的水源.日常的生產(chǎn)中，肥料總體性的利用實(shí)效并不很高，增添了額外的灌區(qū)污染.不良灌溉方式加速了板結(jié)，水體富營養(yǎng)性[2].

水肥一體化借助于滴灌方式，可調(diào)運(yùn)水肥直至根莖位置.選取這種灌溉，調(diào)配水肥提升了實(shí)效性，縮減了耗費(fèi)的總水源.與此同時，滴灌也可增添更高的總收益，糧食產(chǎn)能也在提升.水肥一體性的智能技術(shù)可拓展現(xiàn)存的覆蓋面，擁有較強(qiáng)的信息實(shí)效.智能系統(tǒng)增添了同步性，可搜集多區(qū)域內(nèi)的實(shí)時信息.在設(shè)置系統(tǒng)時，應(yīng)能衡量綜合性的灌溉調(diào)控及水肥測定.智能系統(tǒng)減低了總的功耗，組網(wǎng)可以拓展.這樣做，摒除了有線的常用監(jiān)測，更改初期的設(shè)計(jì).系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)時，可測定各區(qū)段作物表現(xiàn)出來的濕度及溫度特性.協(xié)調(diào)器還可解析各階段內(nèi)的灌溉信息，網(wǎng)絡(luò)調(diào)控了水肥的調(diào)配.

2　設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)架

初期在設(shè)計(jì)時，智能系統(tǒng)可分成概要的如下部分：電氣性的構(gòu)件、核心的控制器、施肥灌溉配備的管路.本次在設(shè)計(jì)中，更注重于控制器特定的核心構(gòu)件.詳細(xì)來看，核心控制器包含了接口、核心性的最小系統(tǒng)、交互及存儲裝置、以太網(wǎng)配備的拓展接口.在系統(tǒng)構(gòu)架內(nèi)，核心的最小系統(tǒng)即MCU應(yīng)被看成調(diào)控的中心；接口AI用作測定調(diào)配的肥料液體，可檢測管路壓力；接口DO可調(diào)控綜合性的灌溉泵及電磁閥，同時配備了繼電器組[3].存儲卡SD可存儲概要的灌區(qū)地形及歷史性的灌區(qū)信息.

存儲卡可拓展至4G總的容量，最長可存儲五年內(nèi)的灌區(qū)信息.針對于交互接口，配備了串口屏幕用作日常的信息互通.以太網(wǎng)也設(shè)定了接口，用于后續(xù)的灌溉拓展，實(shí)時顯示了調(diào)配的系統(tǒng)狀態(tài).在各個灌區(qū)內(nèi)，一體性的水肥系統(tǒng)都可實(shí)時搜集數(shù)值、傳輸灌溉信息.對于監(jiān)測平臺，增設(shè)了軟件的組態(tài)王，實(shí)時發(fā)送綜合性的灌區(qū)溫濕度.經(jīng)過監(jiān)測以后，電磁閥可接收反饋回來的實(shí)時信息，系統(tǒng)由此而擁有了智能性.

3　智能調(diào)控的硬件

一體調(diào)控的智能水肥系統(tǒng)設(shè)有微控制器，配備了STM內(nèi)核.日常在傳輸時，最高可達(dá)存儲器1M總的字節(jié).針對最大頻率，測定為150MHz.系統(tǒng)外設(shè)很充足，符合了實(shí)時性的傳輸特性.針對串口設(shè)計(jì)，采納了接口配備的串口屏，即USART規(guī)格的串口.初期在調(diào)試時，可選RS485特定的調(diào)試串口.采集芯片銜接于串口，實(shí)時輸入了數(shù)值.SD卡也串聯(lián)于串口，系統(tǒng)擁有著高層次的存儲性.功率驅(qū)動可用作調(diào)控模塊的繼電器，這樣做吻合了預(yù)設(shè)的系統(tǒng)性能.在外設(shè)設(shè)計(jì)中，以太網(wǎng)還可繼續(xù)予以拓展.從總體硬件來看，系統(tǒng)設(shè)定了晶振、最小的MCU、調(diào)試口及復(fù)位裝置、電源裝置、配置的啟動模式[4].

首先，接口DO可顯示實(shí)時性的控制信息，輸出這種信息.DO銜接于繼電器特定的電氣位置，用作調(diào)控智能性的執(zhí)行機(jī)構(gòu).在現(xiàn)存系統(tǒng)內(nèi)，這類模塊密切銜接了電磁閥，灌溉泵調(diào)控了液體流經(jīng)的肥料通道.功率驅(qū)動器設(shè)定了較小的總功率，可拓展至開關(guān)較小功率的端子位置.電氣部分被接入了裝置，可實(shí)時調(diào)控各階段內(nèi)的強(qiáng)弱電.

其次，針對于人機(jī)交互，串口屏也設(shè)定了交互的途徑.控制器及觸摸屏應(yīng)能隨時交互，互通灌溉的信息.顯示了實(shí)時的數(shù)據(jù)，人機(jī)交互代表了系統(tǒng)狀態(tài).此外，顯示屏還可用作增設(shè)用戶特定的某些參數(shù).從硬件角度看，隔離模塊及轉(zhuǎn)換電平的模塊都被歸入硬件范圍，由此也設(shè)計(jì)了一體性的交互接口[5].

該管線外輸天然氣氣質(zhì)每年定期進(jìn)行分析。圖7以2014年度為例，分別給出了上游集氣總站和下游門站的H 2 S、CO2含量以及水露點(diǎn)等參數(shù)的變化情況。油田外輸天然氣為二類凈化天然氣，按照GB 17820-2012《天然氣》的規(guī)定[18]，其ρ(H 2 S)應(yīng)≤20 mg/m3，但從圖7(a)可看出，集氣總站出站時的H 2 S含量多次出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，最高超標(biāo)可達(dá)11倍。而到下游門站含量恢復(fù)正常。CO2含量總體符合GB 17820-2012的規(guī)定，偶爾出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，但超標(biāo)幅度不大(見圖7(b))。

第三，接口AI可搜集并輸入精準(zhǔn)的模擬量，采集這類信息.從日常檢測來看，這類接口可用作測定電壓信號、經(jīng)由的電流信號、熱敏性的電阻值.經(jīng)過獨(dú)特的接口設(shè)計(jì)，單一接口可銜接于三類檢測.依照擬定的說明，配置智能系統(tǒng)注重于設(shè)置接口.有源濾波器隨時都可輸入信號，轉(zhuǎn)換芯片設(shè)定為ADC.例如：某公司配備了數(shù)模轉(zhuǎn)換必備的接口裝置，AI接口測定了各時段的輸入信息，檢測精確的壓力.

4　系統(tǒng)配備的軟件

一體水肥的控制裝置可接受實(shí)時性的控制參數(shù)，用戶輸入了初期信息.灌溉控制配備了自動化，施肥及灌溉都可擬定自動的流程.與此同時，控制器還可記下概要性的灌區(qū)地貌，查詢灌區(qū)信息.在初始化中，系統(tǒng)配備了主循環(huán)構(gòu)件并且增設(shè)了執(zhí)行標(biāo)識.設(shè)置控制周期，則應(yīng)依照給出來的標(biāo)識位置，定時器自動予以設(shè)置.

4.1配套的智能軟件

設(shè)置串口屏后，交互性的人機(jī)軟件即可搜集精準(zhǔn)的智能信息，增添了交互性的智能串口.控制器及配套的串口應(yīng)能彼此交互，交互對象設(shè)定為設(shè)置的灌溉數(shù)據(jù)、顯示的信息、用戶自身的信息.控制器還可接收返回來的按鍵信息及觸摸屏信息，控制器端發(fā)送了實(shí)時的串口數(shù)值.在本次設(shè)計(jì)中，篩選了兩類灌溉控制，分別為定時及周時鐘的模式[6].詳細(xì)來看，在時鐘模式下，用戶可單獨(dú)增設(shè)各星期內(nèi)的灌溉參數(shù)；在定時模式下，各灌區(qū)都設(shè)有可供篩選的定時器，激活定時器而后即可啟動施肥.設(shè)置參數(shù)包含：啟動灌溉的精確時點(diǎn)、激活施肥的狀態(tài)、啟動的總次數(shù).定時器也需要被激活，要參照于啟動時間.

在調(diào)控水肥時，依照給出來的用戶模式予以設(shè)置，篩選必備的控制策略.在這之后，用戶還可增設(shè)配套性的后續(xù)設(shè)置.若當(dāng)天就要激活，控制鏈表將會增設(shè)選出來的參數(shù)，而后進(jìn)入模塊處理.

4.2調(diào)配水肥的計(jì)算思路

智能模塊可用作調(diào)控配肥，可準(zhǔn)許增設(shè)必要的配方.在設(shè)定內(nèi)容時，施肥配方包含預(yù)留的施肥通道、精確的配方內(nèi)容、上限及設(shè)定值、針對激活的控制.此外，水肥調(diào)配還預(yù)設(shè)了最優(yōu)的肥料及液體比值，增設(shè)了施肥下限.在各個灌區(qū)內(nèi)，都應(yīng)配備灌區(qū)控制.可選的策略包含定時及周時鐘，擬定了各灌區(qū)專用性的配方號.

產(chǎn)生了參數(shù)后，啟用自動性的配肥調(diào)控.具體來看，配肥可分成詳盡的兩類算法：閉環(huán)性的控制、相應(yīng)的開環(huán)控制.EC特定的配方號關(guān)系到狀態(tài)的激活：若激活了控制，則設(shè)定于閉環(huán)控制；若沒能予以激活，應(yīng)為開環(huán)控制.經(jīng)過詳細(xì)設(shè)置，灌溉算法可用于后續(xù)的執(zhí)行.在配備灌溉策略時，先要衡量是否激活配肥；給出決策之后，即可增設(shè)控制性的配肥參數(shù)[7].

4.3閉環(huán)及開環(huán)兩類的程序

針對于配肥控制，系統(tǒng)擬定了如下參數(shù)：施肥的時間、灌區(qū)編號、配方編號、需要灌溉的總肥料量.開環(huán)控制增設(shè)了液體及肥料的精確比值，還需依照選定的肥料通道，詳盡調(diào)配綜合性的通道總數(shù).吸肥的速度也可調(diào)節(jié)，給出特定的控制周期.例如：接收了控制參數(shù)，特定灌區(qū)對應(yīng)了這一參數(shù).在施肥處理中，就要預(yù)設(shè)如下的各步驟：若堆空間沒能被填滿，則可始終確保參數(shù)的接收；然而，在選定的某一階段內(nèi)，還需符合一致的配方編號.在這時，運(yùn)算得出的參數(shù)總和表征了精準(zhǔn)的輸出時間.若達(dá)到了設(shè)定好的控制參數(shù)，則刪掉鏈表固有的這一點(diǎn).反復(fù)執(zhí)行操作，直至清除了鏈表.

與之相對，閉環(huán)控制預(yù)設(shè)了EC的肥液比值，用于智能調(diào)控.PID算法擬定了增量的標(biāo)準(zhǔn)形式，在某一時點(diǎn)即可代表隱含的偏差值.針對系統(tǒng)輸出，給出了可選的精確算法，同時給出了位置式.軟件在實(shí)現(xiàn)時，保留了最近幾次錄入的系統(tǒng)偏差.初期篩選參數(shù)時，要依照根本的機(jī)理予以建模.可選取整定方法，先期預(yù)設(shè)為零的參數(shù).經(jīng)過了預(yù)設(shè)后，再去擬定最合適的采樣周期.應(yīng)當(dāng)注意的是：若增設(shè)了單一的比例控制，則增加比例直至引發(fā)了振動，記下這一時點(diǎn)的系數(shù).在這種基礎(chǔ)上，可設(shè)置于70%總的參數(shù)比值[8].此外，還要調(diào)控現(xiàn)存的積分參數(shù)，直至獲取最佳的響應(yīng).可微調(diào)PID，直到確保性能是最佳的.

5　應(yīng)用中的要點(diǎn)

設(shè)置的智能性節(jié)點(diǎn)擁有較低功耗、較強(qiáng)的自愈性、自組網(wǎng)的特性.軟硬件配備的節(jié)點(diǎn)內(nèi)設(shè)了路由及協(xié)調(diào)器.在各個時段內(nèi)，都可接收并發(fā)出精準(zhǔn)的水肥比值.芯片設(shè)置了內(nèi)核，擬定了通信協(xié)議.這樣的基礎(chǔ)上，更便利了無線性的水肥信息收發(fā).未來的嘗試中，還可增設(shè)拓?fù)漕惖臉錉罴軜?gòu)，路由節(jié)點(diǎn)可用作傳遞專門性的水肥數(shù)據(jù).設(shè)定了自組網(wǎng)，協(xié)調(diào)器可傳遞現(xiàn)有的水肥信息.在這時，協(xié)調(diào)器擁有全功能的各類構(gòu)件，節(jié)點(diǎn)傳遞了路由參數(shù).RS232銜接于監(jiān)控中心，這樣即可吻合串口傳輸[9].

一體化水肥灌溉優(yōu)選滴灌的途徑，調(diào)控的流量不可太快，也不應(yīng)該過多.針對這種需求，可增設(shè)調(diào)控性的電磁閥.在混合池內(nèi)，綜合調(diào)配了多樣的肥料.系統(tǒng)內(nèi)置粉態(tài)及液態(tài)兩類閥門，電磁閥可設(shè)定為某一型號.選購的電磁閥要擁有耐腐蝕的優(yōu)良特性，慎重防控肥料阻塞管路.依托自身重力，倒入肥料而后混合.

6　結(jié)語

從灌溉現(xiàn)狀看，灌區(qū)可供調(diào)配的水肥仍沒能均衡，這種狀態(tài)下也耗費(fèi)了偏多的灌區(qū)水源.與此同時，若沒能妥善調(diào)用肥料，則增添了額外更多的肥料耗費(fèi)，也沒能提升至最佳的施肥實(shí)效.采納水肥一體化，滴灌至根莖處的養(yǎng)分可直達(dá)作物，減低了耗費(fèi)的資源且擁有最優(yōu)的施肥效率.未來的實(shí)踐中，還應(yīng)摸索并歸納珍貴的一體化施肥經(jīng)驗(yàn)，從根本入手提升系統(tǒng)的智能性.

〔1〕孫宜田,李青龍,孫永佳，等.基于模糊控制的水肥藥一體化系統(tǒng)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2015（08）:203-207.

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S275

A

1673-260X（2016）09-0040-02

2016-05-08

基于STM32的水肥一體化控制系統(tǒng)（2015jsky04）