馮培存，魏正英，張育斌，張 磊，周 瑞

(西安交通大學(xué) 機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049)

當(dāng)前，中國(guó)農(nóng)業(yè)化肥年施用量已超過(guò)0.6 億t，約占世界總消費(fèi)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(fèi)，還會(huì)帶來(lái)一系列環(huán)境污染的問(wèn)題[1,2]。水肥一體化是當(dāng)今世界公認(rèn)的一項(xiàng)高效節(jié)水節(jié)肥農(nóng)業(yè)新技術(shù)，主要根據(jù)土壤特性和作物生長(zhǎng)規(guī)律，利用灌溉設(shè)備同時(shí)把水分和養(yǎng)分均勻、準(zhǔn)確、定時(shí)定量地供應(yīng)給作物。發(fā)達(dá)國(guó)家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)表明，推廣水肥一體化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵[3]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)在農(nóng)業(yè)智能灌溉控制系統(tǒng)的研究越來(lái)越多，設(shè)計(jì)開(kāi)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(yīng)用相對(duì)較少，此外，考慮到不同植物在不同的生長(zhǎng)階段對(duì)于不同肥素濃度的需求量是不同的，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的水肥設(shè)備控制精度相對(duì)不高，高端設(shè)備大多采用的是EC傳感器來(lái)對(duì)混合肥料進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并不能實(shí)現(xiàn)對(duì)N、P、K等單一肥素濃度配比的控制，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測(cè)提供了新的技術(shù)與手段。針對(duì)這種情況，本文設(shè)計(jì)了一套應(yīng)用云平臺(tái)、PLC及HMI技術(shù)的精量水肥灌溉控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)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(zhǎng)階段的作物對(duì)于氮、磷、鉀和酸堿度的需求不同，配比精確的肥液濃度對(duì)精量灌溉甚為重要，本系統(tǒng)設(shè)置4個(gè)通路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jiàn)圖1，設(shè)計(jì)了信號(hào)采集模塊、電磁閥開(kāi)關(guān)控制模塊、精量控制模塊、人機(jī)交互模塊以及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制模塊。在信號(hào)采集模塊，使用PLC高速計(jì)數(shù)器功能對(duì)脈沖流量計(jì)實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)，壓力、土壤濕度、鹽分傳感器和肥液EC、pH傳感器通過(guò)模擬量輸入至控制器。在電磁閥開(kāi)關(guān)控制模塊，利用PLC的輸出點(diǎn)控制電磁閥開(kāi)關(guān)量的通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jié)合流量控制算法，利用PLC模擬量輸出功能對(duì)直流調(diào)速泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)肥素濃度的控制。在人機(jī)交互模塊，通過(guò)組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，包括灌溉控制、灌溉監(jiān)測(cè)等。在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制模塊中，基于Modbus RTU及TCP協(xié)議完成觸摸屏與云平臺(tái)的數(shù)據(jù)通訊與傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電腦、手機(jī)、微信的多終端的監(jiān)測(cè)與控制。結(jié)合精量水肥灌溉控制機(jī)的功能要求和機(jī)械設(shè)計(jì)原則[4]，設(shè)計(jì)制作的精量水肥灌溉設(shè)備實(shí)物圖見(jiàn)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(shè)備實(shí)物Fig.2 Physical map of water and fertilizer precision irrigation equipment

精量水肥灌溉機(jī)控制策略如下：

PID 控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性良好及性能可靠等優(yōu)點(diǎn)[6]。但是農(nóng)業(yè)灌溉是一個(gè)大慣性、非線性和純時(shí)延的系統(tǒng)，無(wú)法對(duì)其建立精確與統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型。模糊PID控制系統(tǒng)主要由參數(shù)可調(diào)整PID和模糊控制系統(tǒng)2部分組成?；疑A(yù)測(cè)模糊PID控制方法，一方面用PID的積分調(diào)節(jié)作用，減低穩(wěn)態(tài)誤差，提高精度，用模糊控制實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)PID參數(shù)，增強(qiáng)適應(yīng)能力；另一方面，用灰色預(yù)測(cè)控制，解決被控對(duì)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(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張育斌博士等人研究的灰色預(yù)測(cè)模糊PID灌溉控制算法[7]。在實(shí)際應(yīng)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(yù)測(cè)模糊PID控制器中，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)處理，輸出流量調(diào)節(jié)的模擬信號(hào)作用于泵，實(shí)現(xiàn)精量的水肥控制。

2 智能控制組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

客戶端控制軟件整個(gè)工作流程圖見(jiàn)圖3(選用嵌入式一體觸摸屏)。HMI上電之后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，進(jìn)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(dǎo)出、灌溉施肥報(bào)警等模塊。在施肥之前，作業(yè)人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(rèn)處于手動(dòng)施肥模式，作業(yè)人員可以單獨(dú)或者同時(shí)控制幾路肥泵的開(kāi)閉，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)施肥。在自動(dòng)施肥模式下，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶選定的植物及其生長(zhǎng)期，從專家?guī)熘写_定本次灌溉所要求的相應(yīng)肥料配比以及EC值、pH值范圍，系統(tǒng)會(huì)按照施肥參數(shù)，根據(jù)水路的流量來(lái)調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，確保按照植物需求的水肥配比自動(dòng)進(jìn)行施肥灌溉。此外，在灌溉及施肥進(jìn)行中，HMI會(huì)對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，當(dāng)一些指標(biāo)不在設(shè)定的范圍內(nèi)時(shí)，會(huì)自行執(zhí)行報(bào)警策略，并會(huì)彈出窗口以及發(fā)出聲響提醒用戶。比如，當(dāng)水路的灌溉流量小于一定的閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)行并提示水路異常，消除報(bào)警后可繼續(xù)灌溉。在系統(tǒng)監(jiān)控界面，會(huì)實(shí)時(shí)顯示已灌溉量和目標(biāo)值，以及流量的實(shí)時(shí)值，監(jiān)控界面非常直觀地顯示出灌溉及施肥的進(jìn)程。當(dāng)灌溉量及施肥量達(dá)到設(shè)定值，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉電磁閥、水泵及肥泵，完成整個(gè)灌溉過(guò)程，并將數(shù)據(jù)保存到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)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(dǎo)出模塊，用戶可以將一定時(shí)間段的灌溉施肥數(shù)據(jù)以Excel表格的形式導(dǎo)出到U盤中，便于查閱分析。控制系統(tǒng)軟件界面設(shè)計(jì)見(jiàn)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(tái)控制軟件設(shè)計(jì)

如今，伴隨出農(nóng)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概念，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛，通過(guò)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將灌溉設(shè)備中數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳輸共享，形成傳感器網(wǎng)絡(luò)，完成現(xiàn)代遠(yuǎn)程灌溉控制顯得很為重要。

設(shè)計(jì)了基于云平臺(tái)的遠(yuǎn)程灌溉控制系統(tǒng)，將實(shí)時(shí)的灌溉數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器云平臺(tái)，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制原理圖見(jiàn)圖5。可以利用電腦、手機(jī)等終端設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，實(shí)現(xiàn)灌溉系統(tǒng)的手動(dòng)、自動(dòng)運(yùn)行和網(wǎng)絡(luò)化管理功能的智能切換，以滿足不同灌溉場(chǎng)合和控制區(qū)域的灌溉控制需求。同時(shí)，通過(guò)設(shè)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(huì)自動(dòng)推送報(bào)警信息，便于用戶盡快做出相應(yīng)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(guò)基于WIFI或者GPRS無(wú)線傳輸技術(shù)上傳至云平臺(tái)，供用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。另一方面，也可以將灌溉過(guò)程中的數(shù)據(jù)通過(guò)觸摸屏與云平臺(tái)的通訊實(shí)現(xiàn)傳輸，同時(shí)可以通過(guò)云端將人機(jī)控制指令作用于觸摸屏，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉開(kāi)關(guān)量的控制。通過(guò)云平臺(tái)賬號(hào)，可以對(duì)歷史灌溉數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，為數(shù)據(jù)分析與挖掘提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。電腦或手機(jī)端的監(jiān)控及控制界面及K肥電磁閥開(kāi)閉歷史數(shù)據(jù)查詢見(jiàn)圖6。

圖5 基于云平臺(tái)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及控制原理Fig.5 Schematic diagram of remote monitoring and control based on cloud platform

4 總結(jié)與展望

研究開(kāi)發(fā)了智能精量水肥灌溉設(shè)備，設(shè)計(jì)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(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)控及控制界面及K肥電磁閥開(kāi)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(chǔ)上應(yīng)用了灰色預(yù)測(cè)模糊PID灌溉控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)單一肥素濃度的精量化配比控制，融合EC、pH傳感器技術(shù)形成循環(huán)反饋，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、精量化施肥。開(kāi)發(fā)了一套客戶端智能控制組態(tài)軟件，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)、灌溉監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能。采用基于WIFI或GPRS的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)了水肥設(shè)備與云平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸，具有電腦、手機(jī)、微信多終端的灌溉數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和開(kāi)關(guān)量控制的功能，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的信息化、無(wú)線化、智能化。該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)水肥一體化精量施肥灌溉，利用物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)技術(shù)實(shí)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(chǔ)，推動(dòng)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展。

□

[1] 趙秉強(qiáng).傳統(tǒng)化肥增效改性提升產(chǎn)品性能與功能[J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào),2016,22(1):1-7.

[2] 王艷語(yǔ)，苗俊艷.世界及我國(guó)化肥施用水平分析[J].磷肥與復(fù)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(guó)農(nóng)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(shè)計(jì)[J]．中國(guó)機(jī)械工程,2000,11(Z1):26-32．

[5] 劉 現(xiàn),林營(yíng)志,李傳輝.基于PLC的自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào),2017,33(3):160-164.

[6] 王 蕾, 宋文忠. PID控制[J]. 自動(dòng)化儀表,2004,25(4):1-6.

[7] 張育斌,魏正英,馬勝利,等.灰色預(yù)測(cè)模糊PID灌溉控制技術(shù)開(kāi)發(fā)[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電, 2016,(2):5-8.

[8] 張育斌,魏正英,簡(jiǎn) 寧,等.水肥精量配比灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2017,39(12):107-111.