溫室水肥一體化智能控制系統(tǒng)研究與開發(fā)*

孫國亮，魏顯文，魏 堃，楊 超

（武威職業(yè)學院，甘肅 武威 733000）

1 背景與意義

現(xiàn)代化農業(yè)向智慧農業(yè)發(fā)展是必然趨勢，是我國農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的最佳選擇，因此，先進農業(yè)裝備的研發(fā)是其中一個重要環(huán)節(jié)，隨著科學技術的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷成熟，在設施農業(yè)中將會有更多的智能化裝備投入使用，對我國農作物增產增收具有重大意義。通過智能灌溉系統(tǒng)向農作物進行水和肥的同時施入，使農作物同時得到水分和養(yǎng)分的供給，提高植物根系水分和養(yǎng)分的吸收效率，有利于植物的快速生長，提高農作物產量和質量?；谝陨显颍室惑w化技術將在節(jié)水、節(jié)肥、高產、省工、環(huán)保等方面取得長足發(fā)展，對于促進我國農業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展具有重要的意義。

在水肥一體化技術上，國外比較典型的國家有荷蘭、美國、以色列等。荷蘭國土面積較小，為了充分利用有效農田，當?shù)卣珜ЫㄔO現(xiàn)代標準化農田，并以經濟價值高的農作物作為主要種植物，在設施農業(yè)領域，投入大量資金進行溫室大棚建設，并采用現(xiàn)代智能水肥一體化灌溉設備，根據(jù)農作物的生長特性，自動匹配化肥，實現(xiàn)自動化控制；以色列在60年代就開始推行水肥一體化技術，通過計算機實現(xiàn)對設備的遠程控制，相關技術走在了世界前列；美國的水肥一體化技術應用也較為廣泛，根據(jù)大型溫室大棚或連棟溫室，開發(fā)了集成化程度較高的灌溉施肥設備，并建立了相關農作物數(shù)據(jù)庫，做到了精準施肥。

當前國內市面上大部分水肥一體化產品的應用，除了地域的區(qū)別外，基本是面向大型農業(yè)示范園區(qū)和連棟溫室的，較為顯著的特點是自動化程度高，功能完善，人工投入成本低，使用效率高。但也存在部分問題，如對操作人員有一定的技術要求，對使用場地的規(guī)范性要求較高，同時一次性投入成本較高。我國西部農村大部分農戶溫室多為分散種植，各個溫棚規(guī)格不一，農戶文化水平較低，若直接引進現(xiàn)有集成化程度較高的水肥一體化裝備，在農戶前期投入成本、系統(tǒng)操作方面、溫室大棚規(guī)格等環(huán)節(jié)上存在困難。因此，需要因地制宜，研制出適合本地區(qū)的水肥一體化系統(tǒng)，對于促進我國農業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展全面布局具有重要意義。

本項目恰恰是針對西北溫室大棚建設規(guī)模、棚體結構、地域氣候環(huán)境、人工施肥澆灌等現(xiàn)狀，通過對反季節(jié)農作物（辣椒、西紅柿、草莓、人參果等）生長特性和微量元素需求分析的基礎上，借助當前先進的控制技術、水肥耦合技術、多元傳感技術等學科，自主研制的具有區(qū)域特色、本土化的現(xiàn)代溫室水肥一體化智能控制系統(tǒng)，具有客觀的經濟效益、生態(tài)效益和社會效益。

政策方面，國家大力支持水肥一體化技術在農業(yè)中的推廣與應用，并出臺多條支持性政策，國家農業(yè)部接連頒布《化肥使用量零增長行動方案》《農藥使用量零增長行動方案》等方案，2018年科技部也啟動了“化學肥料和農藥減施增效綜合技術研發(fā)”專項項目。由此可見，“化肥、農藥雙減”是未來溫室農業(yè)發(fā)展的必然趨勢，為水肥一體化技術在農業(yè)中的應用提供了政策保障。

2 主要研究內容

本項目以冷涼灌區(qū)溫室大棚種植農作物實施水肥一體化灌溉為目標，通過對典型農作物（辣椒、西紅柿、草莓）生長特性的具體參數(shù)分析，建立動態(tài)模型，構建數(shù)據(jù)庫，根據(jù)本地區(qū)溫室大棚的建筑結構、農戶實際操作水平等因素，借助傳感器技術、自動控制技術、PID控制技術、無線通信技術等先進技術，研制出能夠精準調控水肥混合比例和施肥，實現(xiàn)具備定時、自動澆灌、反清洗等多種功能的智能化澆灌施肥的一體化產品，主要研究內容有以下三個方面。

2.1 多元傳感器耦合模塊

項目組團隊以西北地區(qū)溫室種植典型反季節(jié)農作物（辣椒、西紅柿、草莓等）為研究對象，通過采集農作物在不同生長階段所需陽光、微量元素（氮、磷、鉀）、水分等相關數(shù)據(jù)，建立動態(tài)數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)研制智能控制系統(tǒng)參數(shù)調節(jié)做好理論基礎。在溫室中設置土壤溫濕度傳感器、EC傳感器和二氧化碳傳感器等，將不同傳感器采集的數(shù)據(jù)進行有效處理，與動態(tài)數(shù)據(jù)庫相關聯(lián)，形成多元傳感器耦合模塊，傳送至PLC控制器實現(xiàn)智能控制調參。

2.2 上位機監(jiān)測模塊

為了便于操作，本系統(tǒng)設計了上位機監(jiān)測模塊，采用國內主流觸摸屏作為系統(tǒng)上位機，實現(xiàn)人機對話。同時，根據(jù)農戶實際文化技術水平，將人機交互界面設計得更加人性化，能夠更加直觀地顯示當前系統(tǒng)運行狀況，操作界面分層設計，使用起來更加便捷。

2.3 下位機智能控制模塊

作為項目的核心部分，下位機采用可編程序控制器（PLC）作為主控，相比單片機具有運行穩(wěn)定、故障率低、環(huán)境適應性強的特點。在主控模塊中，首先為了節(jié)約施肥速率時間，增強系統(tǒng)的適應性，采用單神經元自適應PID控制算法調控水肥比例，可根據(jù)誤差大小動態(tài)輸出控制量，動態(tài)調控施肥速率。其次，能夠根據(jù)多元傳感器耦合模塊中農作物光合作用的需求和冬季溫度下降等因素需要進行補光功能。最后，通過階段性啟停電磁閥，實現(xiàn)反清洗功能，使施肥管路中殘留的肥液也施用到作物中，防止累積的肥液阻塞滴灌管路。

3 關鍵技術

現(xiàn)在市面上的水肥一體機在配制肥料原液時多為手控配液、機械配液，即利用單片機、PLC控制流量閥的開度，進行液體按比例配制，效率低下。PID控制器的應用有效解決了手控和機械配液效率低的問題，配比精度也有所提高。但在實際生產中，灌溉肥水需求的濃度不固定，由于參數(shù)整定復雜，常規(guī)PID控制器往往會出現(xiàn)參數(shù)設置不佳、控制精度不高，對實際生產的適應力較差的情況，已經難以滿足更高精度要求，且難以實現(xiàn)實時控制。在項目實施中，為實現(xiàn)系統(tǒng)精準調控水肥比例和控制施肥量，水肥一體化的控制系統(tǒng)所涉及的算法顯得尤為重要，也是本項目實施的關鍵技術所在，主要有流量控制算法、單神經元自適應PID水肥比例控制算法、PWM實時流量控制算法和施肥時間控制算法。團隊成員將在試驗樣機中對控制算法進行驗證，并在Matlab/Simulink中搭建系統(tǒng)的模糊PID控制器模型，并進行系統(tǒng)仿真，確定最合適的控制方案及PID控制參數(shù)，確保水肥濃度配比的準確度。

本項目選擇單神經元自適應模糊PID控制算法進行水肥比例調控。首先由濃度檢測變送單元檢測出兩種成分的濃度，并轉換為濃度比，送入比較環(huán)節(jié)。比較環(huán)節(jié)內實現(xiàn)濃度比與設定值比較后求出偏差和其變化率，再將二者送入模糊推理環(huán)節(jié)，經模糊推理后實時整定PID參數(shù)，PID控制器控制執(zhí)行機構調節(jié)流量閥B的開度，使兩種成分的濃度比盡快達到并穩(wěn)定在設定值。

常規(guī)PID離散控制算法為：

式中 Kp、Ki、Kd分別為比例增益、積分增益、微分增益，三個參數(shù)均需要根據(jù)水肥比例人為整定，一旦水肥比例要求發(fā)生變化，則需要重新整定參數(shù)，非常繁雜，難以達到精準精細化實時控制的目的。采用模糊PID控制算法，加入模糊推理環(huán)節(jié)后，三個值將不再固定，而是能夠根據(jù)濃度比的變化和變化率實時自動調整，即三個值變?yōu)镵p+ΔKp、Ki+ΔKi、Kd+ΔKd。

該過程是一個動態(tài)過程，調節(jié)過程中若偏差和偏差變化率發(fā)生新的變化，三項增益也會實時調整，達到最優(yōu)控制效果。此外，需要配制不同濃度的肥水時，常規(guī)PID控制除改變濃度比設定值外，為達到好的控制效果，還需要重新整定參數(shù)，比較繁瑣，而單神經元自適應模糊PID控制只需要改變設定值，相關參數(shù)經模糊推理后會自行達到最佳，比較簡潔。

4 創(chuàng)新點及技術指標

由土壤溫濕度傳感器、EC傳感器和二氧化碳傳感器等傳感器組合形成多元傳感器耦合模塊，檢測土壤營養(yǎng)成分、酸堿度、光照、溫度、濕度等信息，傳送至上位機進行智能調參，實現(xiàn)根據(jù)多元傳感器耦合模塊中農作物光合作用的需求和冬季溫度下降等因素需要進行補光等功能。

單神經元自適應PID控制算法。采用單神經元自適應PID控制算法調控水肥比例，根據(jù)誤差大小動態(tài)輸出控制量，動態(tài)調控施肥速率，實現(xiàn)系統(tǒng)精準調控水肥比例和控制施肥量。

自動反清洗功能。由下位機清洗程序控制電磁閥階段性啟停，改變施肥管道內壓力實現(xiàn)反清洗功能，使施肥管路中殘留肥液也施用到作物中，防止累積的肥液阻塞滴灌管路，沖洗結束后，將會提示農戶溫室灌溉施肥作業(yè)結束。

本項目將研制適合農戶分散種植溫室大棚的建筑結構，具備分布式土壤環(huán)境檢測功能、智能化施肥澆灌、自動管道沖洗功能和數(shù)據(jù)共享的標準化水肥一體澆灌裝備一套，并根據(jù)國家《科技查新技術規(guī)范》，對本項目研究成果進行科技查新，獲取相關報告。該設備具有智能化、便于操作、節(jié)水施肥高效的特點，相關技術處于國內先進水平。

5 結束語

本項目中溫室水肥一體化智能控制系統(tǒng)深度結合溫室種植實際情況和當?shù)剞r戶的操作需求，通過將無線通信技術和智能控制技術相結合，參照當?shù)氐湫头醇竟?jié)農作物（草莓、西紅柿、辣椒等）生長特性，借助EC傳感器、土壤溫濕度傳感器的多元傳感器耦合、上位機監(jiān)測、PLC下位機精準控制等器件，創(chuàng)新性地將自適應模糊PID控制技術應用于控制系統(tǒng)，精準實現(xiàn)溫室水肥自動控制灌溉和對土壤環(huán)境實時的監(jiān)測，具有較強的實用和推廣價值。

項目的實施為著力落實農業(yè)部水肥一體化技術指導意見中推進水肥一體化技術本土化、輕型化和產業(yè)化奠定了基礎，經初步預測將會為農戶每座溫室大棚年節(jié)約電費、水費、肥料成本達1000元以上，還可以減少人力成本，具有客觀的經濟效益。同時，本項目的實施，能大力降低化肥的使用量，降低土壤變質的風險，還可以有效保護生態(tài)環(huán)境，具有較強的生態(tài)效益和經濟社會效益。

本項目預期在2022年完成產品的研制和測試，形成可行性的技術方案，供相關企業(yè)參考，并結合冷涼灌區(qū)溫室特色，通過相關平臺進行成果展示、宣傳，對項目研究成果進行推廣，實現(xiàn)成果轉化，助力鄉(xiāng)村振興。