水肥一體化遠(yuǎn)程施肥機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

錢(qián)治丞， 宋 博， 劉 勇,2， 曲 頌

(1.黑龍江大學(xué) 電子工程學(xué)院， 哈爾濱 150080；2.黑龍江東部節(jié)水設(shè)備有限公司 研發(fā)中心， 綏化 150020)

0 引 言

目前，我國(guó)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)多采用大水漫灌、地表撒肥和穴施等方式，生產(chǎn)過(guò)程中農(nóng)民憑借經(jīng)驗(yàn)施肥造成的土壤板結(jié)、環(huán)境污染問(wèn)題尤為嚴(yán)重，對(duì)肥料的有效利用率遠(yuǎn)低于其他農(nóng)業(yè)大國(guó)[1-2]。在農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家主要使用水肥一體化技術(shù)灌溉施肥，將水肥混合液通過(guò)低壓管網(wǎng)輸送給作物根部，同時(shí),根據(jù)不同作物的需水肥特點(diǎn)，定時(shí)、定量和均勻地提供，實(shí)現(xiàn)水肥的高效利用[3]。近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，以及“智慧農(nóng)業(yè)”概念的提出，許多先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，國(guó)內(nèi)外研究人員研究的施肥機(jī)，取得了一些成果[4]。2017年， Joseph等設(shè)計(jì)一套施肥系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)自動(dòng)控制水泵的開(kāi)啟和關(guān)閉，設(shè)計(jì)了自動(dòng)混肥系統(tǒng)，能夠均勻攪拌肥料[5]。2018年，Rao等設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過(guò)平臺(tái)計(jì)算出作物需水量，并可以通過(guò)平臺(tái)遠(yuǎn)程操控施肥機(jī)[6]。2019年，李欣倪等設(shè)計(jì)了基于Android平臺(tái)的變量施肥控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)手機(jī)APP可以查看和控制施肥機(jī)，大部分的施肥機(jī)實(shí)現(xiàn)了水肥一體化的功能，但在實(shí)際使用上沒(méi)有針對(duì)我國(guó)農(nóng)田電網(wǎng)實(shí)際使用情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，無(wú)法做到施肥量精準(zhǔn)控制[7]。

隨著勞動(dòng)力短缺的現(xiàn)象越來(lái)越明顯，農(nóng)業(yè)用工成本也越來(lái)越高，農(nóng)業(yè)向智能化、機(jī)械化發(fā)展是未來(lái)的趨勢(shì)。施肥灌溉技術(shù)是農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，其集約化程度會(huì)越來(lái)越高，對(duì)水肥的控制也會(huì)越來(lái)越精確。因此，需要發(fā)展智能農(nóng)業(yè)裝備來(lái)提高水肥控制精度，減少勞動(dòng)力成本，增加作物效益，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。本文的遠(yuǎn)程施肥機(jī)控制系統(tǒng)以無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)為基礎(chǔ)，采用兩種無(wú)線(xiàn)通信方案用于施肥機(jī)和平臺(tái)連接，可以通過(guò)平臺(tái)遠(yuǎn)程操控施肥機(jī)[8]，完成數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、開(kāi)關(guān)量控制、施肥速度設(shè)置、水肥混合和水泵等指令控制，同時(shí)，針對(duì)施肥精度問(wèn)題，采用PID控制無(wú)刷直流電機(jī)施肥泵精準(zhǔn)施肥控制[9]，并進(jìn)行定量施肥實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件組成

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of system hardware structure

水肥一體化遠(yuǎn)程施肥機(jī)控制系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體的STM32 32位ARM Cortex-M微處理器[10]，控制系統(tǒng)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(jī)驅(qū)動(dòng)電路、繼電器電路、保護(hù)電路和報(bào)警電路等功能模塊，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。工業(yè)直流電源輸入的24 V電壓將被分別轉(zhuǎn)換為11、5、3.8和3.3 V的直流電壓，提供給電機(jī)驅(qū)動(dòng)、霍爾信號(hào)、繼電器、通信等電路系統(tǒng)；按鍵提供給調(diào)試人員和操作人員用于調(diào)試或改變系統(tǒng)工作狀態(tài)；通信模塊采用NB和4G模組替換方案和平臺(tái)進(jìn)行交互；觸摸屏幕用于顯示和本地控制施肥機(jī)；傳感電路用于采集數(shù)據(jù)；繼電器電路用于控制大功率水泵和混肥泵的啟停；保護(hù)電路包括電機(jī)電流保護(hù)，過(guò)壓、欠壓保護(hù)和溫度保護(hù)，防止電機(jī)在異常工作狀態(tài)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用IR2110S場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)芯片以及N溝道MOS管IRFS3607設(shè)計(jì)三相逆變電路，來(lái)驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)；霍爾傳感器接口用于讀取當(dāng)前電機(jī)位置信息，用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)和計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速；報(bào)警器在控制系統(tǒng)出現(xiàn)異常后，對(duì)外輸出警示信號(hào)。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

在STM32微處理器眾多型號(hào)中，每個(gè)型號(hào)都有自己不同的特點(diǎn)，根據(jù)施肥機(jī)系統(tǒng)功能的復(fù)雜程度，本文選用的STM32F103增強(qiáng)型號(hào)中的一款STM32F103RCT6芯片作為施肥機(jī)控制系統(tǒng)的主控芯片。該芯的核心系統(tǒng)由主控芯片、晶振電路、復(fù)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(shí)現(xiàn)施肥機(jī)的遠(yuǎn)程控制，本系統(tǒng)采用NB和4G通信模組兩種方案連接云平臺(tái)，施肥機(jī)主要工作地點(diǎn)在農(nóng)場(chǎng)或偏遠(yuǎn)地區(qū)，NB信號(hào)不能實(shí)現(xiàn)全覆蓋，在一些沒(méi)有覆蓋到或者信號(hào)質(zhì)量不佳的地區(qū)，施肥機(jī)無(wú)法和云平臺(tái)連接，經(jīng)過(guò)查找資料發(fā)現(xiàn)4G信號(hào)基本實(shí)現(xiàn)全覆蓋，進(jìn)行測(cè)試表明在這種地方使用4G信號(hào)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(hào)不佳的種植區(qū)使用4G模組作為網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，該模組的主要作用是將施肥機(jī)系統(tǒng)各部分的工作狀態(tài)和傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳給云平臺(tái)，并可以接收來(lái)自云平臺(tái)下發(fā)的指令，控制施肥機(jī)執(zhí)行相應(yīng)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(jī)將水肥溶液傳輸至灌溉管網(wǎng)的主要?jiǎng)恿?lái)源，它的工作電壓是AC 220 V，需要通過(guò)繼電器控制水泵。按鍵控制用來(lái)控制施肥機(jī)各個(gè)執(zhí)行功能的開(kāi)關(guān)，按鍵電路的穩(wěn)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(diǎn)電壓穩(wěn)定在3.3 V，保證按鍵電平的穩(wěn)定，控制電路如圖4所示。

圖4 控制電路

由于交流施肥電機(jī)功率受電壓波動(dòng)較大，農(nóng)田電網(wǎng)電壓會(huì)受到周?chē)蠊β试O(shè)備的影響，導(dǎo)致施肥量無(wú)法準(zhǔn)確控制。無(wú)刷直流電機(jī)具有控制精度高、使用壽命長(zhǎng)和維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，沒(méi)有換相電刷，對(duì)控制器產(chǎn)生的電磁干擾更小，所以本文采用無(wú)刷直流電機(jī)施肥泵。施肥泵控制系統(tǒng)主要采用三項(xiàng)逆變橋式驅(qū)動(dòng)電路，由大功率MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片電路、驅(qū)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)電路

1.3 系統(tǒng)工作原理

水肥一體化遠(yuǎn)程施肥機(jī)控制系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為核心，搭配遠(yuǎn)程通訊模塊、觸摸屏模塊和施肥電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，通過(guò)通訊模塊連接上云平臺(tái)后，遠(yuǎn)程查看和控制施肥機(jī)電磁閥的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、施肥泵、混肥泵和水泵的啟停，以及設(shè)置不同的施肥方案等，同時(shí)施肥機(jī)可以把監(jiān)測(cè)到的狀態(tài)發(fā)送給平臺(tái)，用戶(hù)可以在遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看，也可以通過(guò)觸摸屏幕本地查看和控制施肥機(jī)。

2 PID控制與軟件設(shè)計(jì)

2.1 PID控制

PID控制是在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最普遍采用的控制方法，特別是在冶金、機(jī)械和化工等行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。PID控制采用線(xiàn)性閉環(huán)控制方法，是由比例(P)、積分(I)和微分(D)構(gòu)成的控制算法[13]。PID控制算法的原理是根據(jù)系統(tǒng)的誤差通過(guò)比例、積分和微分計(jì)算，來(lái)獲得控制器的輸出量，經(jīng)過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，再給到被控對(duì)象進(jìn)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(tǒng)期望值r(t)與被控對(duì)象的實(shí)際輸出值y(t)進(jìn)行計(jì)算，得到系統(tǒng)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(quán)系數(shù)再相加，通過(guò)線(xiàn)性組合得到控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)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(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，采用求和代替積分，用差分代替微分的方式，對(duì)模擬PID進(jìn)行離散化處理，得到數(shù)字式PID，也稱(chēng)位置式PID控制算法，其表達(dá)式為：

(3)

式中：e(k)為第k次采樣時(shí)刻控制系統(tǒng)的偏差值；k為采樣序列號(hào)；T為采樣周期；u(k)為第k次采樣時(shí)刻控制系統(tǒng)的控制量。采用位置式PID控制算法，積分項(xiàng)把每一次的誤差都加在一起，隨著采樣次數(shù)越來(lái)越多，PID控制算法所需要的內(nèi)存空間也越來(lái)越大，導(dǎo)致系統(tǒng)控制效率降低，并且一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可能會(huì)導(dǎo)致u(k)劇烈變化，甚至?xí)a(chǎn)生嚴(yán)重的后果。

為了克服位置式PID控制算法的這個(gè)缺點(diǎn)，對(duì)位置式PID控制算法加以改進(jìn)，通過(guò)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(shí)際的控制系統(tǒng)中，PID控制是根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需要來(lái)選擇，雖然微分環(huán)節(jié)可以更好地預(yù)測(cè)誤差的變化趨勢(shì)，減少超調(diào)，但是微分項(xiàng)的存在使得整個(gè)系統(tǒng)對(duì)于高頻干擾過(guò)于敏感，而在施肥機(jī)工作的實(shí)際工作環(huán)境高頻干擾非常嚴(yán)重，如果使用微分項(xiàng)會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以，在本系統(tǒng)中選擇使用增量式PI控制器對(duì)施肥泵速度進(jìn)行閉環(huán)控制。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

軟件設(shè)計(jì)運(yùn)用了模塊化的編程思想，采用C語(yǔ)言獨(dú)立編寫(xiě)每個(gè)模塊程序，最后再進(jìn)行整體測(cè)試。根據(jù)施肥機(jī)功能要求，施肥機(jī)首先初始化單片機(jī)，然后判斷聯(lián)網(wǎng)模組類(lèi)型并進(jìn)行初始化，連接上云平臺(tái)后，定時(shí)檢測(cè)平臺(tái)有無(wú)數(shù)據(jù)下發(fā)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，執(zhí)行相應(yīng)操作，同時(shí)定時(shí)上傳施肥機(jī)各功能狀態(tài)和傳感器的數(shù)據(jù)，施肥機(jī)軟件流程圖及施肥泵流程圖如圖7所示。

(a) 施肥機(jī)軟件流程圖

(b) 施肥泵流程圖

3 系統(tǒng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

以搭載水肥一體化遠(yuǎn)程施肥機(jī)控制系統(tǒng)的施肥機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象，測(cè)試觸摸屏和遠(yuǎn)程平臺(tái)操控界面上的開(kāi)關(guān)對(duì)施肥機(jī)電磁閥開(kāi)關(guān)、水泵、施肥泵和混肥泵的控制能力。同時(shí),將施肥機(jī)采集到的數(shù)據(jù)顯示在屏幕和平臺(tái)上，判定定量施肥能否達(dá)到要求和施肥機(jī)各項(xiàng)功能運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3.2 試驗(yàn)條件

對(duì)設(shè)計(jì)的水肥一體化遠(yuǎn)程施肥機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，地點(diǎn)為黑龍江省綏化市東部節(jié)水公司?？刂葡到y(tǒng)實(shí)物圖和設(shè)備整體連接圖如圖8所示。其中進(jìn)水管連接施肥機(jī)進(jìn)水管道，出水口連接水肥混合出水管道，施肥機(jī)配備3個(gè)裝有混肥泵的300 L肥液桶，用于混合稀釋、肥液存儲(chǔ)，施肥機(jī)的施肥泵采用無(wú)刷直流電機(jī)，在吸肥管道上安裝浮子流量計(jì)，用于實(shí)時(shí)觀測(cè)肥液流量，在出水管道上安裝EC和pH傳感器，用于檢測(cè)肥液濃度。

(a) 控制系統(tǒng)實(shí)物圖

3.3 試驗(yàn)方法

(1) 平臺(tái)通信試驗(yàn)： 試驗(yàn)中，待控制系統(tǒng)初始化完成后，通過(guò)平臺(tái)查看施肥機(jī)采集的數(shù)據(jù)，控制各繼電器開(kāi)關(guān)、施肥泵啟停和其他功能選擇，實(shí)時(shí)查看設(shè)備的響應(yīng)、運(yùn)行情況。

(2) 本地控制試驗(yàn)： 控制系統(tǒng)初始化完成后，通過(guò)觸摸屏查看施肥機(jī)數(shù)據(jù)，控制施肥機(jī)執(zhí)行各種功能，通過(guò)按鍵觸發(fā)緊急停止功能，查看設(shè)備響應(yīng)情況。通過(guò)定時(shí)啟停的方式來(lái)進(jìn)行本地自動(dòng)控制，檢驗(yàn)自動(dòng)控制的可行性。

(3) 精量施肥試驗(yàn)： 在MCGS組態(tài)屏上輸入理論施肥量，控制系統(tǒng)控制對(duì)應(yīng)電磁閥開(kāi)啟，用量杯測(cè)量實(shí)際施肥量，選擇5 L作為測(cè)試?yán)碚撝?，記?次吸肥量值，取平均值和理論值進(jìn)行對(duì)比，并計(jì)算誤差。

3.4 結(jié)果分析

施肥機(jī)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)均能實(shí)時(shí)顯示到觸摸屏和平臺(tái)上，本地控制電磁閥、水泵、施肥泵和混肥泵響應(yīng)很快，遠(yuǎn)程控制有較小延遲，基本達(dá)到本地控制的效果；在自動(dòng)運(yùn)行模式下，設(shè)定多種施肥方式，施肥機(jī)在設(shè)定的時(shí)間可以自動(dòng)啟動(dòng)和停止施肥；在手動(dòng)模式下可以設(shè)定施肥速度和施肥通道的開(kāi)關(guān)。對(duì)施肥泵的性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)，實(shí)際輸出量與理論值的差值很小，偏差范圍在可接受范圍內(nèi)，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(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿(mǎn)足精量施肥的作業(yè)要求。觸摸屏控制如圖9所示，定量施肥量測(cè)試結(jié)果如表1所示。

圖9 觸摸屏控制圖

表1 定量施肥量測(cè)試

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了水肥一體化遠(yuǎn)程施肥機(jī)控制系統(tǒng)，將水肥一體化技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)相結(jié)合，提高了施肥機(jī)功能的多樣性，滿(mǎn)足當(dāng)代農(nóng)業(yè)發(fā)展需求。在控制系統(tǒng)選擇上，采用STM32微處理器可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能，在成本上相比于PLC更加便宜，對(duì)于工業(yè)干擾問(wèn)題通過(guò)硬件和軟件進(jìn)行處理。通過(guò)控制系統(tǒng)中兩種通信模組，可以使施肥機(jī)工作在不同地區(qū)，使得平臺(tái)遠(yuǎn)程控制更穩(wěn)定，解決了傳統(tǒng)施肥機(jī)只能本地操控的局限性，使灌溉施肥更加方便，降低勞動(dòng)力。研究表明：系統(tǒng)的響應(yīng)速度、運(yùn)行穩(wěn)定性和施肥量都可以準(zhǔn)確控制，肥料的利用效果顯著提升，可以在實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用。