孫國(guó)亮，魏顯文，魏 堃，楊 超

（武威職業(yè)學(xué)院，甘肅 武威 733000）

1 背景與意義

現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)向智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展是必然趨勢(shì)，是我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的最佳選擇，因此，先進(jìn)農(nóng)業(yè)裝備的研發(fā)是其中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟，在設(shè)施農(nóng)業(yè)中將會(huì)有更多的智能化裝備投入使用，對(duì)我國(guó)農(nóng)作物增產(chǎn)增收具有重大意義。通過(guò)智能灌溉系統(tǒng)向農(nóng)作物進(jìn)行水和肥的同時(shí)施入，使農(nóng)作物同時(shí)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(zhǎng)，提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量。基于以上原因，水肥一體化技術(shù)將在節(jié)水、節(jié)肥、高產(chǎn)、省工、環(huán)保等方面取得長(zhǎng)足發(fā)展，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展具有重要的意義。

在水肥一體化技術(shù)上，國(guó)外比較典型的國(guó)家有荷蘭、美國(guó)、以色列等。荷蘭國(guó)土面積較小，為了充分利用有效農(nóng)田，當(dāng)?shù)卣珜?dǎo)建設(shè)現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)化農(nóng)田，并以經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的農(nóng)作物作為主要種植物，在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，投入大量資金進(jìn)行溫室大棚建設(shè)，并采用現(xiàn)代智能水肥一體化灌溉設(shè)備，根據(jù)農(nóng)作物的生長(zhǎng)特性，自動(dòng)匹配化肥，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制；以色列在60年代就開(kāi)始推行水肥一體化技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，相關(guān)技術(shù)走在了世界前列；美國(guó)的水肥一體化技術(shù)應(yīng)用也較為廣泛，根據(jù)大型溫室大棚或連棟溫室，開(kāi)發(fā)了集成化程度較高的灌溉施肥設(shè)備，并建立了相關(guān)農(nóng)作物數(shù)據(jù)庫(kù)，做到了精準(zhǔn)施肥。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)市面上大部分水肥一體化產(chǎn)品的應(yīng)用，除了地域的區(qū)別外，基本是面向大型農(nóng)業(yè)示范園區(qū)和連棟溫室的，較為顯著的特點(diǎn)是自動(dòng)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(wèn)題，如對(duì)操作人員有一定的技術(shù)要求，對(duì)使用場(chǎng)地的規(guī)范性要求較高，同時(shí)一次性投入成本較高。我國(guó)西部農(nóng)村大部分農(nóng)戶溫室多為分散種植，各個(gè)溫棚規(guī)格不一，農(nóng)戶文化水平較低，若直接引進(jìn)現(xiàn)有集成化程度較高的水肥一體化裝備，在農(nóng)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(duì)于促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展全面布局具有重要意義。

本項(xiàng)目恰恰是針對(duì)西北溫室大棚建設(shè)規(guī)模、棚體結(jié)構(gòu)、地域氣候環(huán)境、人工施肥澆灌等現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)反季節(jié)農(nóng)作物（辣椒、西紅柿、草莓、人參果等）生長(zhǎng)特性和微量元素需求分析的基礎(chǔ)上，借助當(dāng)前先進(jìn)的控制技術(shù)、水肥耦合技術(shù)、多元傳感技術(shù)等學(xué)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(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益。

政策方面，國(guó)家大力支持水肥一體化技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的推廣與應(yīng)用，并出臺(tái)多條支持性政策，國(guó)家農(nóng)業(yè)部接連頒布《化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案》《農(nóng)藥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案》等方案，2018年科技部也啟動(dòng)了“化學(xué)肥料和農(nóng)藥減施增效綜合技術(shù)研發(fā)”專項(xiàng)項(xiàng)目。由此可見(jiàn)，“化肥、農(nóng)藥雙減”是未來(lái)溫室農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，為水肥一體化技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用提供了政策保障。

2 主要研究?jī)?nèi)容

本項(xiàng)目以冷涼灌區(qū)溫室大棚種植農(nóng)作物實(shí)施水肥一體化灌溉為目標(biāo)，通過(guò)對(duì)典型農(nóng)作物（辣椒、西紅柿、草莓）生長(zhǎng)特性的具體參數(shù)分析，建立動(dòng)態(tài)模型，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)本地區(qū)溫室大棚的建筑結(jié)構(gòu)、農(nóng)戶實(shí)際操作水平等因素，借助傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、PID控制技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，研制出能夠精準(zhǔn)調(diào)控水肥混合比例和施肥，實(shí)現(xiàn)具備定時(shí)、自動(dòng)澆灌、反清洗等多種功能的智能化澆灌施肥的一體化產(chǎn)品，主要研究?jī)?nèi)容有以下三個(gè)方面。

2.1 多元傳感器耦合模塊

項(xiàng)目組團(tuán)隊(duì)以西北地區(qū)溫室種植典型反季節(jié)農(nóng)作物（辣椒、西紅柿、草莓等）為研究對(duì)象，通過(guò)采集農(nóng)作物在不同生長(zhǎng)階段所需陽(yáng)光、微量元素（氮、磷、鉀）、水分等相關(guān)數(shù)據(jù)，建立動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，為后續(xù)研制智能控制系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)做好理論基礎(chǔ)。在溫室中設(shè)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(jìn)行有效處理，與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)聯(lián)，形成多元傳感器耦合模塊，傳送至PLC控制器實(shí)現(xiàn)智能控制調(diào)參。

2.2 上位機(jī)監(jiān)測(cè)模塊

為了便于操作，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了上位機(jī)監(jiān)測(cè)模塊，采用國(guó)內(nèi)主流觸摸屏作為系統(tǒng)上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。同時(shí)，根據(jù)農(nóng)戶實(shí)際文化技術(shù)水平，將人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)得更加人性化，能夠更加直觀地顯示當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行狀況，操作界面分層設(shè)計(jì)，使用起來(lái)更加便捷。

2.3 下位機(jī)智能控制模塊

作為項(xiàng)目的核心部分，下位機(jī)采用可編程序控制器（PLC）作為主控，相比單片機(jī)具有運(yùn)行穩(wěn)定、故障率低、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。在主控模塊中，首先為了節(jié)約施肥速率時(shí)間，增強(qiáng)系統(tǒng)的適應(yīng)性，采用單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法調(diào)控水肥比例，可根據(jù)誤差大小動(dòng)態(tài)輸出控制量，動(dòng)態(tài)調(diào)控施肥速率。其次，能夠根據(jù)多元傳感器耦合模塊中農(nóng)作物光合作用的需求和冬季溫度下降等因素需要進(jìn)行補(bǔ)光功能。最后，通過(guò)階段性啟停電磁閥，實(shí)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(guān)鍵技術(shù)

現(xiàn)在市面上的水肥一體機(jī)在配制肥料原液時(shí)多為手控配液、機(jī)械配液，即利用單片機(jī)、PLC控制流量閥的開(kāi)度，進(jìn)行液體按比例配制，效率低下。PID控制器的應(yīng)用有效解決了手控和機(jī)械配液效率低的問(wèn)題，配比精度也有所提高。但在實(shí)際生產(chǎn)中，灌溉肥水需求的濃度不固定，由于參數(shù)整定復(fù)雜，常規(guī)PID控制器往往會(huì)出現(xiàn)參數(shù)設(shè)置不佳、控制精度不高，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的適應(yīng)力較差的情況，已經(jīng)難以滿足更高精度要求，且難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。在項(xiàng)目實(shí)施中，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)精準(zhǔn)調(diào)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(xiàng)目實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)所在，主要有流量控制算法、單神經(jīng)元自適應(yīng)PID水肥比例控制算法、PWM實(shí)時(shí)流量控制算法和施肥時(shí)間控制算法。團(tuán)隊(duì)成員將在試驗(yàn)樣機(jī)中對(duì)控制算法進(jìn)行驗(yàn)證，并在Matlab/Simulink中搭建系統(tǒng)的模糊PID控制器模型，并進(jìn)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(zhǔn)確度。

本項(xiàng)目選擇單神經(jīng)元自適應(yīng)模糊PID控制算法進(jìn)行水肥比例調(diào)控。首先由濃度檢測(cè)變送單元檢測(cè)出兩種成分的濃度，并轉(zhuǎn)換為濃度比，送入比較環(huán)節(jié)。比較環(huán)節(jié)內(nèi)實(shí)現(xiàn)濃度比與設(shè)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(jīng)模糊推理后實(shí)時(shí)整定PID參數(shù)，PID控制器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)流量閥B的開(kāi)度，使兩種成分的濃度比盡快達(dá)到并穩(wěn)定在設(shè)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(gè)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(dá)到精準(zhǔn)精細(xì)化實(shí)時(shí)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(gè)值將不再固定，而是能夠根據(jù)濃度比的變化和變化率實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整，即三個(gè)值變?yōu)镵p+ΔKp、Ki+ΔKi、Kd+ΔKd。

該過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，調(diào)節(jié)過(guò)程中若偏差和偏差變化率發(fā)生新的變化，三項(xiàng)增益也會(huì)實(shí)時(shí)調(diào)整，達(dá)到最優(yōu)控制效果。此外，需要配制不同濃度的肥水時(shí)，常規(guī)PID控制除改變濃度比設(shè)定值外，為達(dá)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(jīng)元自適應(yīng)模糊PID控制只需要改變?cè)O(shè)定值，相關(guān)參數(shù)經(jīng)模糊推理后會(huì)自行達(dá)到最佳，比較簡(jiǎn)潔。

4 創(chuàng)新點(diǎn)及技術(shù)指標(biāo)

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(cè)土壤營(yíng)養(yǎng)成分、酸堿度、光照、溫度、濕度等信息，傳送至上位機(jī)進(jìn)行智能調(diào)參，實(shí)現(xiàn)根據(jù)多元傳感器耦合模塊中農(nóng)作物光合作用的需求和冬季溫度下降等因素需要進(jìn)行補(bǔ)光等功能。

單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法。采用單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法調(diào)控水肥比例，根據(jù)誤差大小動(dòng)態(tài)輸出控制量，動(dòng)態(tài)調(diào)控施肥速率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)精準(zhǔn)調(diào)控水肥比例和控制施肥量。

自動(dòng)反清洗功能。由下位機(jī)清洗程序控制電磁閥階段性啟停，改變施肥管道內(nèi)壓力實(shí)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(jié)束后，將會(huì)提示農(nóng)戶溫室灌溉施肥作業(yè)結(jié)束。

本項(xiàng)目將研制適合農(nóng)戶分散種植溫室大棚的建筑結(jié)構(gòu)，具備分布式土壤環(huán)境檢測(cè)功能、智能化施肥澆灌、自動(dòng)管道沖洗功能和數(shù)據(jù)共享的標(biāo)準(zhǔn)化水肥一體澆灌裝備一套，并根據(jù)國(guó)家《科技查新技術(shù)規(guī)范》，對(duì)本項(xiàng)目研究成果進(jìn)行科技查新，獲取相關(guān)報(bào)告。該設(shè)備具有智能化、便于操作、節(jié)水施肥高效的特點(diǎn)，相關(guān)技術(shù)處于國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。

5 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目中溫室水肥一體化智能控制系統(tǒng)深度結(jié)合溫室種植實(shí)際情況和當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的操作需求，通過(guò)將無(wú)線通信技術(shù)和智能控制技術(shù)相結(jié)合，參照當(dāng)?shù)氐湫头醇竟?jié)農(nóng)作物（草莓、西紅柿、辣椒等）生長(zhǎng)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(jī)監(jiān)測(cè)、PLC下位機(jī)精準(zhǔn)控制等器件，創(chuàng)新性地將自適應(yīng)模糊PID控制技術(shù)應(yīng)用于控制系統(tǒng)，精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)溫室水肥自動(dòng)控制灌溉和對(duì)土壤環(huán)境實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，具有較強(qiáng)的實(shí)用和推廣價(jià)值。

項(xiàng)目的實(shí)施為著力落實(shí)農(nóng)業(yè)部水肥一體化技術(shù)指導(dǎo)意見(jiàn)中推進(jìn)水肥一體化技術(shù)本土化、輕型化和產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎(chǔ)，經(jīng)初步預(yù)測(cè)將會(huì)為農(nóng)戶每座溫室大棚年節(jié)約電費(fèi)、水費(fèi)、肥料成本達(dá)1000元以上，還可以減少人力成本，具有客觀的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，本項(xiàng)目的實(shí)施，能大力降低化肥的使用量，降低土壤變質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)，還可以有效保護(hù)生態(tài)環(huán)境，具有較強(qiáng)的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

本項(xiàng)目預(yù)期在2022年完成產(chǎn)品的研制和測(cè)試，形成可行性的技術(shù)方案，供相關(guān)企業(yè)參考，并結(jié)合冷涼灌區(qū)溫室特色，通過(guò)相關(guān)平臺(tái)進(jìn)行成果展示、宣傳，對(duì)項(xiàng)目研究成果進(jìn)行推廣，實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化，助力鄉(xiāng)村振興。