安勝鑫， 王曉麗， 薛寶松， 尹義蕾， 王會強(qiáng)， 饒晨曦， 郭海玲

（1. 河北潤農(nóng)節(jié)水科技股份有限公司，河北 唐山 064100； 2. 河北省節(jié)水灌溉裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河北 唐山 064100；3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100125； 4. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北 保定 071000）

0 引言

水肥作為影響作物生長的兩大因素，其管理合理與否直接影響作物的產(chǎn)量與品質(zhì)，但由于受技術(shù)和發(fā)展水平限制，我國傳統(tǒng)水肥管理普遍存在管理模式粗放、自動化程度低、水肥浪費(fèi)嚴(yán)重的問題，尤其是在施肥方面，盲目過量施肥的現(xiàn)象更是普遍，不合理的水肥管理模式不但增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，過量施用的化肥還會對土壤和地下水等造成污染[1]。近年來，水肥一體化技術(shù)的大面積推廣，不但有效提高了水肥利用率，降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，同時(shí)也極大降低了盲目施肥對環(huán)境和地下水造成的污染，提質(zhì)增效效果顯著，配套灌溉施肥設(shè)備也由最初的進(jìn)口、仿制逐步發(fā)展到現(xiàn)在具備了自主研發(fā)的能力。近年來土地流轉(zhuǎn)、規(guī)模化種植和設(shè)施栽培的不斷發(fā)展，為高效水肥一體化技術(shù)發(fā)展提供了廣闊的市場空間，但由于我國水肥一體化技術(shù)起步較晚及受傳統(tǒng)水肥管理模式的影響，我國水肥一體化技術(shù)水平和配套施肥設(shè)備與國際先進(jìn)水平相比仍存在較大差距，配套施肥設(shè)備自動化程度和肥液濃度調(diào)控精度低的問題尤為突出，難以滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)自動化、精準(zhǔn)化、智能化的發(fā)展需求[2]。針對以上問題，開發(fā)出了一套智能水肥一體機(jī)控制系統(tǒng)，借助該系統(tǒng)可通過遠(yuǎn)程和本地兩種相對獨(dú)立的模式實(shí)現(xiàn)對施肥配方、施肥程序及輪灌編組的控制，以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測等功能，有效提高了水肥利用率和田間水肥管理的自動化程度。

1 控制系統(tǒng)簡介及架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能水肥一體機(jī)是借助于智能控制系統(tǒng)將液體肥或可溶性固體肥按設(shè)定好的施肥配方和施肥程序均勻、穩(wěn)定地輸送到作物根系活動區(qū)的施肥設(shè)備，主要由輸肥通路、混肥設(shè)備、量測系統(tǒng)及控制單元等模塊組成。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)借助配套傳感器和量測設(shè)備可實(shí)時(shí)采集田間氣象、墑情及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，經(jīng)分析處理后制定科學(xué)合理的水肥管理決策模型并借助控制單元配套電磁閥、攪拌泵等硬件設(shè)備進(jìn)行調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)灌水施肥過程的定時(shí)、定量控制及肥液濃度的精準(zhǔn)調(diào)控，有效提高水肥利用率和田間管理的自動化程度[3]。

本研究提出了一種基于云平臺的智能水肥一體機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，該系統(tǒng)主要由云服務(wù)器、PLC 控制器、配套傳感器及田間電磁閥等設(shè)備組成，用戶借助于云管理平臺，可通過遠(yuǎn)程和本地兩種相對獨(dú)立的控制模式實(shí)現(xiàn)對灌水施肥過程的控制及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。遠(yuǎn)程控制模式時(shí)需調(diào)用云管理平臺的接口，通過DTU 模塊實(shí)現(xiàn)與PLC 的通訊，在電腦端或手機(jī)APP 端設(shè)定輪灌編組及相關(guān)控制指令下發(fā)到PLC，實(shí)現(xiàn)對灌水施肥時(shí)間、施肥配方及輪灌編組等的控制。本地控制即直接通過現(xiàn)場操控施肥機(jī)的PLC 觸摸屏，實(shí)現(xiàn)對灌水施肥過程的調(diào)控，即使在田間無網(wǎng)絡(luò)的情況下，也可通過PLC 控制注肥閥、攪拌電機(jī)及田間配套電磁閥設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對灌水施肥過程的調(diào)控[4-7]。其工作原理如圖1 所示，控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

圖1 智能水肥一體機(jī)工作原理Fig. 1 Working principle of intelligent water and fertilizer integrated machine

圖2 智能水肥一體機(jī)控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 2 Control system architecture of intelligent water and fertilizer integrated machine

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及云管理平臺開發(fā)

2.1 硬件設(shè)備配置

智能水肥一體機(jī)控制系統(tǒng)是將信息采集技術(shù)和自動控制技術(shù)相結(jié)合的自動化管理平臺，由于田間環(huán)境因素復(fù)雜，涉及的田間設(shè)備較多，若采用有線傳輸，不但影響田間耕作，設(shè)備故障或需要增加新設(shè)備時(shí)可能需重新布設(shè)電路，增加施工成本，因此采用無線通訊的設(shè)計(jì)方案[8-9]?？刂葡到y(tǒng)主要由PLC 控制器、無線傳輸模塊、田間電磁閥、傳感器等硬件設(shè)備及配套云服務(wù)平臺組成，其中，云服務(wù)器和DTU 模塊之間可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透傳，LoRa 網(wǎng)關(guān)和解碼器之間采用LoRa 通訊協(xié)議+自組網(wǎng)的方式通訊，DTU 模塊和LoRa 網(wǎng)關(guān)之間以PLC 為中繼，采用485 通訊方式進(jìn)行信息傳輸，DTU與云服務(wù)器之間采用GPRS/3G/4G/5G 方式通訊，該通訊方式通訊穩(wěn)定性好且設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸覆蓋面廣，滿足田間應(yīng)用需求。無線通訊模塊如圖3 所示。

圖3 無線通訊模塊Fig. 3 Wireless communication module

2.2 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能水肥一體機(jī)控制系統(tǒng)中，PLC 控制器是控制系統(tǒng)的核心部件，可實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息及控制命令的上傳下達(dá)。PLC 控制器通過與施肥機(jī)配套的EC/pH 傳感器、流量計(jì)、液位傳感器、壓力傳感器等量測設(shè)備通訊，實(shí)現(xiàn)對灌水施肥過程及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)采集，經(jīng)系統(tǒng)處理分析后，制定相應(yīng)的決策模型并對水泵、攪拌電機(jī)、各輸肥通路注肥閥及田間電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)布控制指令，實(shí)現(xiàn)對灌水施肥過程的精準(zhǔn)調(diào)控。其中，系統(tǒng)配套的壓力/流量傳感器、EC/pH 傳感器、DTU 模塊、LoRa 網(wǎng)關(guān)等均為支持RS485 通訊的設(shè)備，通過RS-485 通訊協(xié)議可直接與PLC 進(jìn)行信息傳輸，從而實(shí)現(xiàn)田間水肥管理過程的遠(yuǎn)程自動控制。PLC 控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 PLC 控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 4 Architecture of PLC control system

PLC 控制系統(tǒng)的主要功能是根據(jù)采集的田間及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，通過分析處理后對配套設(shè)備發(fā)布相應(yīng)的控制指令，從而實(shí)現(xiàn)對灌水施肥過程的精準(zhǔn)調(diào)控[10]。該智能水肥一體機(jī)控制系統(tǒng)主要面向大田應(yīng)用，考慮到大田土壤環(huán)境的復(fù)雜性和不同作物在不同生長時(shí)期需水量各異，灌溉決策系統(tǒng)為一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)系統(tǒng)，在缺少大數(shù)據(jù)支撐條件下，難以建立起與作物水肥需求耦合的水肥管理決策模型，因此本研究主要對施肥比例和施肥程序進(jìn)行了控制。另一方面，目前大田水肥一體化技術(shù)推廣應(yīng)用中，配套田間閥門大多仍依賴人工控制，灌水施肥過程中需專人現(xiàn)場值守，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，為提高田間水肥管理的自動化程度，借助PLC 控制器對輪灌編組功能進(jìn)行了設(shè)計(jì)開發(fā)[11-12]。智能水肥一體機(jī)控制系統(tǒng)借助PLC 控制器主要實(shí)現(xiàn)以下功能。

（1）施肥比例調(diào)控。本控制系統(tǒng)采用基于脈寬調(diào)制（PWM）算法的控制方式，通過調(diào)整各施肥（藥）通路電磁閥的占空比實(shí)現(xiàn)對不同種肥液的比例調(diào)控，調(diào)控過程中通過EC 傳感器對混合好的肥液EC 值進(jìn)行采集，當(dāng)采集到的EC 值大于設(shè)定的上限值時(shí)，表明肥液濃度過大，此時(shí)PLC 會通過變頻器調(diào)節(jié)水源水泵，在確保施肥比例不變的前提下，增大灌溉水的流量，降低肥液濃度，反之亦然。為滿足不同作物不同時(shí)期的水肥管理需求，系統(tǒng)最多可設(shè)置10 個(gè)不同的比例配方，從而提高肥液調(diào)控精度。

（2）灌溉施肥程序調(diào)控。智能水肥一體機(jī)與水泵、施肥通路控制閥、田間電磁閥等采用關(guān)聯(lián)控制模式，通過PLC 控制器對灌水施肥時(shí)間、灌水施肥條件、施肥配方、輪灌組等進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)達(dá)到設(shè)定施肥時(shí)間或施肥條件后，一鍵開啟水源水泵、施肥機(jī)及田間電磁閥等，按設(shè)定好的施肥配方及輪灌編組進(jìn)行水肥一體化配施。

（3）輪灌編組。借助于控制系統(tǒng)對灌區(qū)內(nèi)的田間電磁閥進(jìn)行分組并按順序進(jìn)行控制：在PLC 分配特定數(shù)量的寄存器，每個(gè)寄存器的容量以能儲存一個(gè)灌區(qū)（一臺施肥機(jī)控制的灌溉面積）內(nèi)的所有電磁閥n為宜，假設(shè)灌區(qū)內(nèi)有m個(gè)輪灌單元，則有m個(gè)寄存器，每個(gè)寄存器用于存儲該輪灌單元內(nèi)所有閥的選中狀態(tài)，若閥選中則為“1”，若未選中則為“0”。不同灌溉單元（即根據(jù)不同作物的需水規(guī)律劃定的能同時(shí)進(jìn)行水肥一體化配施的區(qū)域）內(nèi)的電磁閥選擇完成后，即為設(shè)定的輪灌編組。當(dāng)水肥一體化配施時(shí)，發(fā)送“開啟/關(guān)閉”命令，即可一鍵控制該輪灌編組單元內(nèi)所有電磁閥的啟閉，并按設(shè)定好的輪灌組順序和啟閉條件，依次順序控制各輪灌組的電磁閥，從而控制整個(gè)灌水施肥過程，有效提高水肥管理的自動化程度。

（4）數(shù)據(jù)采集及存儲。數(shù)據(jù)采集包括田間信息及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息兩大類，采集的信息一方面為系統(tǒng)水肥管理提供決策支持，另一方面關(guān)鍵數(shù)據(jù)在客戶端和HIMI 屏進(jìn)行直觀顯示，便于用戶可視化管理。

（5）狀態(tài)反饋及報(bào)警功能。通過PLC 提前設(shè)定EC/pH、肥料桶液位、施肥機(jī)進(jìn)出口壓力等參數(shù)的上下限值，并借助于配套傳感器對灌水施肥量、肥液濃度及混肥桶內(nèi)液位高度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集及反饋，當(dāng)設(shè)備參數(shù)超出設(shè)定值時(shí)及時(shí)為用戶發(fā)送報(bào)警信息，便于用戶及時(shí)掌握灌水施肥狀況，確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.3 云管理平臺開發(fā)

為實(shí)現(xiàn)對灌水施肥過程的遠(yuǎn)程自動控制，開發(fā)了一套智能水肥一體機(jī)云管理平臺，系統(tǒng)采用PHP 語言開發(fā)和B/S 架構(gòu)體系，并配有MySQL 數(shù)據(jù)庫與應(yīng)用程序，便于管理和快速訪問平臺數(shù)據(jù)[13-15]。平臺軟件端架構(gòu)按其功能可分為物理感知層、本地管理層、遠(yuǎn)程決策層和命令執(zhí)行層4 個(gè)層級。物理感知層是通過不同的傳感器對田間氣象信息和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將采集到的信息及時(shí)上傳至云服務(wù)器，經(jīng)處理分析后為用戶了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及制定水肥管理決策提供數(shù)據(jù)支撐。本地管理層是連接遠(yuǎn)程決策層與命令執(zhí)行層和感知層的橋梁，不僅可以將執(zhí)行層的運(yùn)行狀態(tài)及感知層采集的信息上傳至遠(yuǎn)程客戶端，還可以將遠(yuǎn)程決策層發(fā)出的指令下發(fā)至命令執(zhí)行層。遠(yuǎn)程決策層主要實(shí)現(xiàn)對感知層獲取的信息及本地管理層上傳的設(shè)備運(yùn)行信息進(jìn)行分析，并做出科學(xué)合理的水肥管理決策。命令執(zhí)行層主要用于執(zhí)行系統(tǒng)的各項(xiàng)調(diào)控命令，實(shí)現(xiàn)對灌水施肥量、灌水施肥時(shí)間及施肥配方等的精準(zhǔn)調(diào)控。借助云管理平臺，用戶可通過電腦、平板、手機(jī)等客戶端查看設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、管理設(shè)備數(shù)據(jù)、設(shè)置運(yùn)行參數(shù)等，從而實(shí)現(xiàn)對灌水施肥過程的遠(yuǎn)程控制。主要控制界面如圖5 所示。

圖5 智能水肥一體機(jī)控制界面Fig. 5 Control interface of intelligent water and fertilizer integrated machine

3 性能測試與分析

為測試基于云平臺的智能水肥一體機(jī)控制系統(tǒng)的功能和穩(wěn)定性，于2021 年10 月在公司智慧農(nóng)業(yè)研發(fā)實(shí)驗(yàn)基地開展了相關(guān)性能測試試驗(yàn)。研發(fā)實(shí)驗(yàn)基地占地3.57 hm2，水源水井配套水泵、變頻柜、首部過濾器及施肥機(jī)各1 臺，智能水肥一體機(jī)性能測試區(qū)內(nèi)配置有18 個(gè)1 寸脈沖電磁閥，劃分為3 個(gè)輪灌組，每個(gè)輪灌組6 個(gè)電磁閥，為滿足實(shí)際應(yīng)用需求主要對施肥配方調(diào)控及田間電磁閥控制指令有效性兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測試，如圖6 所示[16]。

圖6 智能水肥一體機(jī)性能測試Fig. 6 Performance test of intelligent water and fertilizer integrated machine

（1）施肥配方調(diào)控測試。智能水肥一體機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性和調(diào)控精度直接影響田間水肥管理的有效性，為此以三通路施肥機(jī)為研究對象，對其施肥配方調(diào)控精度進(jìn)行了測試。 試驗(yàn)時(shí)隨機(jī)設(shè)定了1∶1∶1（50%∶50%∶50%）、1∶2∶3（30%∶60%∶90%）、2∶2∶3（40%∶40%∶60%）的3 種施肥配方，并按設(shè)定的施肥配方順序循環(huán)測試。測試時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作壓力達(dá)到智能水肥一體機(jī)額定工作壓力（0.6 MPa），穩(wěn)定約5 min 后，每間隔2 min 通過施肥管路配套轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀取各個(gè)施肥通路吸肥量并記錄，取3 次測量的平均值即為施肥機(jī)單通路吸肥量。試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 施肥配方調(diào)控測試結(jié)果Tab. 1 Results of fertilization formula regulation test

實(shí)測結(jié)果表明，實(shí)測配方比例與設(shè)定配方比例存在一定的偏差，但偏差較小，滿足實(shí)際應(yīng)用需求。分析認(rèn)為，造成施肥配方存在微小偏差的主要原因是由于施肥機(jī)的輸肥通路采用基于文丘里原理的水射器進(jìn)行吸肥，吸肥過程中采用PWM 算法控制施肥通路電磁閥狀態(tài)時(shí)會對水流流態(tài)產(chǎn)生一定的影響，使得輸肥管路里的肥液處于非均勻流狀態(tài)從而產(chǎn)生一定偏差。

（2）田間電磁閥控制指令有效性測試。為測試智能水肥一體化控制系統(tǒng)對田間電磁閥控制指令的有效性，測試過程中設(shè)置了手動控制和自動控制兩個(gè)處理。測試時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作壓力達(dá)到智能水肥一體機(jī)額定工作壓力（0.6 MPa），穩(wěn)定約5 min 后，針對不同控制模式分別開展了20 次測試試驗(yàn)，每次控制指令控制一個(gè)輪灌組內(nèi)6 個(gè)電磁閥的啟閉。測試結(jié)果如表2 所示。

表2 智能灌溉控制指令有效性測試結(jié)果Tab. 2 Effectiveness test results of intelligent irrigation control instruction

實(shí)測結(jié)果表明，測試過程中有少數(shù)命令已下發(fā)，但設(shè)備未響應(yīng)，分析認(rèn)為主要是由于戶外應(yīng)用造成個(gè)別通信數(shù)據(jù)丟包，對指令有效性造成了一定影響，但系統(tǒng)配套的狀態(tài)反饋功能可及時(shí)識別出未響應(yīng)的指令，反饋準(zhǔn)確率達(dá)到98.3%以上，基本可確保設(shè)備穩(wěn)定、有效運(yùn)行。

4 結(jié)論

針對目前我國水肥一體化技術(shù)推廣應(yīng)用中普遍存在的管理模式粗放、自動化程度低、水肥浪費(fèi)嚴(yán)重等問題，借助于無線通訊技術(shù)、自動控制技術(shù)及傳感器技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)開發(fā)了一套基于云平臺的智能水肥一體化控制系統(tǒng)，借助該系統(tǒng)，用戶可通過遠(yuǎn)程和本地兩種相對獨(dú)立的模式實(shí)現(xiàn)對施肥配方、施肥程序及輪灌編組等進(jìn)行調(diào)控。相較傳統(tǒng)水肥管理模式節(jié)省人工80%以上，實(shí)測結(jié)果表明，系統(tǒng)控制指令的有效性高達(dá)98%以上，有效提高了田間水肥管理的自動化程度和精細(xì)化水平，符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求。