基于云平臺的智能精量水肥灌溉控制系統(tǒng)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(tǒng)工程國家重點實驗室，西安 710049)

當前，中國農業(yè)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(chǎn)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(huán)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(jié)水節(jié)肥農業(yè)新技術，主要根據(jù)土壤特性和作物生長規(guī)律，利用灌溉設備同時把水分和養(yǎng)分均勻、準確、定時定量地供應給作物。發(fā)達國家農業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)驗表明，推廣水肥一體化技術是實現(xiàn)農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵[3]。近年來國內在農業(yè)智能灌溉控制系統(tǒng)的研究越來越多，設計開發(fā)的控制種類繁多，在大田和溫室中的水肥精量控制系統(tǒng)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(jiān)測，并不能實現(xiàn)對N、P、K等單一肥素濃度配比的控制，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，對設備的遠程控制與監(jiān)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(tǒng)，實現(xiàn)了精準的水肥配比需求。

1 智能精量水肥灌溉系統(tǒng)

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(tǒng)設置4個通路來實現(xiàn)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(tǒng)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(jiān)測控制模塊。在信號采集模塊，使用PLC高速計數(shù)器功能對脈沖流量計實現(xiàn)計數(shù)，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(xiàn)對不同肥料以及不同輪灌區(qū)域的灌溉控制。在精量控制模塊，根據(jù)專家?guī)鞌?shù)據(jù)，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(jié)，進而實現(xiàn)對肥素濃度的控制。在人機交互模塊，通過組態(tài)軟件實現(xiàn)人機交互，包括灌溉控制、灌溉監(jiān)測等。在遠程監(jiān)測控制模塊中，基于Modbus RTU及TCP協(xié)議完成觸摸屏與云平臺的數(shù)據(jù)通訊與傳輸，進而實現(xiàn)電腦、手機、微信的多終端的監(jiān)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(tǒng)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(wěn)定性良好及性能可靠等優(yōu)點[6]。但是農業(yè)灌溉是一個大慣性、非線性和純時延的系統(tǒng)，無法對其建立精確與統(tǒng)一的數(shù)學模型。模糊PID控制系統(tǒng)主要由參數(shù)可調整PID和模糊控制系統(tǒng)2部分組成?；疑A測模糊PID控制方法，一方面用PID的積分調節(jié)作用，減低穩(wěn)態(tài)誤差，提高精度，用模糊控制實時調節(jié)PID參數(shù)，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(huán)節(jié)，以提高控制效果[7]。

本控制系統(tǒng)采用的控制算法為西安交通大學機械制造系統(tǒng)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(shù)據(jù)，輸入到灰色預測模糊PID控制器中，經(jīng)過系統(tǒng)處理，輸出流量調節(jié)的模擬信號作用于泵，實現(xiàn)精量的水肥控制。

2 智能控制組態(tài)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(tǒng)進行初始化，進入登陸界面，選 擇功能模塊。系統(tǒng)主要分為施肥模式、灌溉施肥監(jiān)控、施肥參數(shù)、灌溉專家?guī)?、?shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)導出、灌溉施肥報警等模塊。在施肥之前，作業(yè)人員根據(jù)現(xiàn)場的情況輸入所使用的N、P、K等肥料母液的濃度，在系統(tǒng)上電之后，系統(tǒng)默認處于手動施肥模式，作業(yè)人員可以單獨或者同時控制幾路肥泵的開閉，實現(xiàn)手動施肥。在自動施肥模式下，系統(tǒng)會根據(jù)用戶選定的植物及其生長期，從專家?guī)熘写_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(tǒng)會按照施肥參數(shù)，根據(jù)水路的流量來調節(jié)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(jiān)測，當一些指標不在設定的范圍內時，會自行執(zhí)行報警策略，并會彈出窗口以及發(fā)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(tǒng)會自動停止運行并提示水路異常，消除報警后可繼續(xù)灌溉。在系統(tǒng)監(jiān)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(jiān)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(tǒng)會自動關閉電磁閥、水泵及肥泵，完成整個灌溉過程，并將數(shù)據(jù)保存到歷史數(shù)據(jù)庫中。在歷史數(shù)據(jù)模塊，用戶可以查看已完成的灌溉數(shù)據(jù)以及灌溉的日志。在數(shù)據(jù)導出模塊，用戶可以將一定時間段的灌溉施肥數(shù)據(jù)以Excel表格的形式導出到U盤中，便于查閱分析?？刂葡到y(tǒng)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(tǒng)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(yè)互聯(lián)網(wǎng)概念，物聯(lián)網(wǎng)技術在農業(yè)領域應用越來越廣泛，通過農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術，將灌溉設備中數(shù)據(jù)信息進行傳輸共享，形成傳感器網(wǎng)絡，完成現(xiàn)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(tǒng)，將實時的灌溉數(shù)據(jù)上傳至服務器云平臺，遠程監(jiān)測控制原理圖見圖5?？梢岳秒娔X、手機等終端設備進行實時監(jiān)測與控制，實現(xiàn)灌溉系統(tǒng)的手動、自動運行和網(wǎng)絡化管理功能的智能切換，以滿足不同灌溉場合和控制區(qū)域的灌溉控制需求。同時，通過設定觸發(fā)器，一旦監(jiān)控的數(shù)據(jù)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(huán)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(jiān)測。另一方面，也可以將灌溉過程中的數(shù)據(jù)通過觸摸屏與云平臺的通訊實現(xiàn)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(xiàn)對灌溉開關量的控制。通過云平臺賬號，可以對歷史灌溉數(shù)據(jù)進行查詢，為數(shù)據(jù)分析與挖掘提供數(shù)據(jù)基礎。電腦或手機端的監(jiān)控及控制界面及K肥電磁閥開閉歷史數(shù)據(jù)查詢見圖6。

圖5 基于云平臺的遠程監(jiān)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(fā)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(tǒng)，利用流量傳

圖6 云平臺遠程監(jiān)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(xiàn)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(huán)反饋，實現(xiàn)自動、精量化施肥。開發(fā)了一套客戶端智能控制組態(tài)軟件，可實現(xiàn)人機互動、灌溉監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)導出等功能。采用基于WIFI或GPRS的數(shù)據(jù)無線傳輸技術實現(xiàn)了水肥設備與云平臺的數(shù)據(jù)傳輸，具有電腦、手機、微信多終端的灌溉數(shù)據(jù)監(jiān)測和開關量控制的功能，實現(xiàn)了設備的信息化、無線化、智能化。該設備可實現(xiàn)水肥一體化精量施肥灌溉，利用物聯(lián)網(wǎng)云平臺技術實現(xiàn)用戶灌水及施肥等數(shù)據(jù)的采集與記錄，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析與挖掘提供基礎，推動農業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展。

□

[1] 趙秉強.傳統(tǒng)化肥增效改性提升產(chǎn)品性能與功能[J].植物營養(yǎng)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(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].中國農業(yè)信息,2015,(4):14-19.

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

[5] 劉 現(xiàn),林營志,李傳輝.基于PLC的自動灌溉控制系統(tǒng)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(fā)[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(tǒng)設計[J].農機化研究,2017,39(12):107-111.