劉炳鑠，蘭 鵬，魏 珉，葛成愷，宋新財(cái)，孫豐剛

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東泰安271018；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院，山東泰安271018）

我國水資源總量豐富，但時(shí)空分布不均，人均占有量偏低。農(nóng)業(yè)灌溉用水在我國用水總量中占比巨大，每年農(nóng)業(yè)灌溉用水缺口達(dá)300億m3，水資源短缺嚴(yán)重。同時(shí)，我國化肥用量占世界總量的1/3 以上，施用量遠(yuǎn)高于其他國家，但利用率偏低。因此，水肥已成為影響我國農(nóng)業(yè)發(fā)展及生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要因素[1]。水肥一體化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)水肥同步管理和高效利用的現(xiàn)代化節(jié)水灌溉技術(shù)。綜合我國農(nóng)業(yè)灌溉施肥現(xiàn)狀，發(fā)展水肥一體化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)節(jié)水節(jié)肥、優(yōu)化生態(tài)環(huán)境的有效途徑，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必由之路[2]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者相繼對(duì)水肥一體化技術(shù)展開了研究并將其應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)之中，可有效節(jié)水節(jié)肥，提高水肥利用率，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)，提升農(nóng)作物的品質(zhì)和產(chǎn)量[3]。早在1984年，Phen C.等通過土壤濕度傳感器實(shí)時(shí)采集作物根部的土壤水分含量并與設(shè)定值相比較，據(jù)此來調(diào)控施肥灌溉[4]。Prabakaran G.等基于氣候參數(shù)和土壤墑情研制了一種作物模糊邏輯系統(tǒng)來實(shí)施灌溉施肥決策，提高了肥料利用率和作物產(chǎn)量[5]。近年來，我國也一直積極推進(jìn)水肥一體化技術(shù)的研究與應(yīng)用，并取得積極效果[6]。沈雪民等通過對(duì)臨界流量、最大流量、吸入量及水力損失等參數(shù)的計(jì)算分析，研制了早期文丘里施肥器[7]。 李加念等利用脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）技術(shù)對(duì)脈沖電磁閥進(jìn)行控制，通過改變文丘里施肥器進(jìn)出口壓力差，實(shí)現(xiàn)了對(duì)吸肥量的調(diào)控[8]。王新坤等研制了一種射流施肥泵，利用射流原理代替彈簧或機(jī)械式聯(lián)動(dòng)換向機(jī)構(gòu)，簡化了施肥泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[9]。胡昕宇等通過對(duì)恒定濃度和流量施肥的解析分析，搭建水肥流動(dòng)數(shù)學(xué)模型，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制壓差施肥罐進(jìn)行均勻施肥[10]。然而，傳統(tǒng)水肥一體化系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮對(duì)灌溉水、肥總量進(jìn)行控制，難以保證水肥混合的實(shí)時(shí)均勻性。為此，姜巖等設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體設(shè)備，根據(jù)EC/pH值變化對(duì)水肥進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)灌溉施肥[11]。呂途等根據(jù)EC/pH值的變化，設(shè)計(jì)了一種基于模糊PID（Proportion Integral Differential）控制的精準(zhǔn)配肥控制系統(tǒng)，可減少調(diào)速時(shí)間，提高調(diào)控精度[12]。精準(zhǔn)水肥一體機(jī)為實(shí)現(xiàn)對(duì)水肥的精準(zhǔn)調(diào)控，通常需要多種專門儀器對(duì)EC/pH值進(jìn)行測(cè)量及控制，并設(shè)置混合桶、壓力泵等設(shè)備，成本高，操控復(fù)雜，主要應(yīng)用于大中型規(guī)模農(nóng)場，而小規(guī)模農(nóng)場用戶卻難以承受。

為此，本文設(shè)計(jì)了一種具有精準(zhǔn)水肥調(diào)控功能的輕簡型水肥一體化系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)水肥精準(zhǔn)調(diào)控，首先利用流量傳感器來獲取實(shí)時(shí)水速，并設(shè)計(jì)了補(bǔ)償方案來修正傳感器測(cè)量誤差的影響。然后根據(jù)水肥比例要求及水速，利用脈寬調(diào)制方法來實(shí)時(shí)調(diào)控肥速。此外，系統(tǒng)無需對(duì)EC/pH值進(jìn)行測(cè)量與控制，并對(duì)硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行精簡設(shè)計(jì)，從而可降低系統(tǒng)設(shè)備的成本。結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的水肥一體化系統(tǒng)在不同水肥比例要求下實(shí)測(cè)精度可達(dá)98%。因此，本輕簡型水肥一體化系統(tǒng)具有水肥比例調(diào)控精度高、輕簡便捷、成本低廉、操作簡單、易于推廣等優(yōu)點(diǎn)，有助于達(dá)到高效節(jié)約水資源、提高肥料利用率的目的。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文針對(duì)小規(guī)模農(nóng)業(yè)灌溉施肥過程中的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了一款具有精準(zhǔn)水肥調(diào)控功能的輕簡水肥一體化系統(tǒng)，主要考慮因素如下：

（1）為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)水肥調(diào)控，水肥一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮將工作過程分為三個(gè)階段：濕潤階段、注肥階段、清洗階段。濕潤階段主要用于濕潤土壤、充盈管道，防止出現(xiàn)燒苗現(xiàn)象；注肥階段根據(jù)水速和標(biāo)準(zhǔn)水肥比例控制肥速，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)注肥，是系統(tǒng)核心控制功能；清洗階段進(jìn)行沖洗管道，防止化肥滯留在管道中。

（2）為便于操作，設(shè)置手動(dòng)和遠(yuǎn)距離操作兩種模式，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場合。

（3）為降低成本，設(shè)計(jì)中選用性價(jià)比高的硬件設(shè)備，整體設(shè)計(jì)輕簡化，滿足用戶對(duì)低成本的需求。

本文所設(shè)計(jì)的輕簡水肥一體化系統(tǒng)分為上位機(jī)、下位機(jī)和遠(yuǎn)程APP三部分，如圖1所示。上位機(jī)主要負(fù)責(zé)濕潤、注肥和清洗三個(gè)階段的控制。下位機(jī)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集水速、肥速數(shù)據(jù)，并傳遞給上位機(jī)，為各階段控制提供數(shù)據(jù)支撐。為便于操作，可選用觸摸屏或遠(yuǎn)程APP 輸入方式，其中遠(yuǎn)程APP 主要負(fù)責(zé)信息統(tǒng)計(jì)、日志查詢和無線控制，無線控制是APP 核心功能。在農(nóng)業(yè)施肥灌溉過程中，用戶根據(jù)實(shí)際情況輸入灌溉總水量、肥量后，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集注水、肥管道中的水、肥速，自動(dòng)完成濕潤、注肥、清洗三階段的調(diào)控。

圖1 控制系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of control system

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件控制部分如圖2所示，主要由上位機(jī)、下位機(jī)和電源模塊組成。上位機(jī)包括樹莓派、調(diào)速模塊、注肥泵、繼電器、電磁閥、蜂鳴器以及觸摸屏；下位機(jī)硬件由Arduino 微控制器、流量傳感器、HC?06 藍(lán)牙模塊組成；電源模塊包括220 V 轉(zhuǎn)5 V 電源適配器和220 V 轉(zhuǎn)24 V 直流電源模塊，分別為樹莓派及注肥泵供電。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Control system structure diagram

2.1.1 硬件選型

上位機(jī)中選擇3代B+型樹莓派作為控制核心，它是一款加載Linux 操作系統(tǒng)的微型計(jì)算機(jī)主板，不僅能實(shí)現(xiàn)基本的I/O引腳控制，還可完成復(fù)雜的任務(wù)管理與調(diào)度。調(diào)速模塊選用L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，該模塊能夠在6～26 V 的電壓范圍內(nèi)調(diào)節(jié)注肥泵的注肥速度，具有性價(jià)比高、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。注肥泵選用DY?S400SA 型號(hào)的直流泵，其額定電壓為24 V，最大工作流量為150 L/h。

下位機(jī)中Arduino 微控制器選用基于ATmega328 的Arduino UNO 單片機(jī)，其具有便捷靈活、易于上手等優(yōu)點(diǎn)，可與樹莓派搭配使用。由于注水管道和注肥管道的口徑分別為63、25 mm，因此分別選擇YF?DN50?S 型號(hào)、YF?S201 型號(hào)的流量傳感器來監(jiān)測(cè)水流量和肥液流量，其中YF?DN50?S 流量傳感器測(cè)量量程為0～12 000 L/h，精度為±5%，YF?S201 流量傳感器測(cè)量量程為0～1 800 L/h，精度為±2%。

2.1.2 工作流程

上位機(jī)工作流程：樹莓派通過HDMI接口連接觸摸屏以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，用戶可通過觸摸屏輸入灌溉水量、肥量，并進(jìn)行相關(guān)信息顯示；通過I/O 口控制繼電器實(shí)現(xiàn)電磁閥開關(guān)；通過USB 通信方式接收下位機(jī)實(shí)時(shí)采集的水速、肥速數(shù)據(jù)；通過I/O 口控制調(diào)速模塊，改變注肥泵占空比，調(diào)控注肥速度；通過I/O口控制蜂鳴器來實(shí)現(xiàn)報(bào)警開啟時(shí)間。

下位機(jī)工作流程：Arduino 微控制器通過讀取數(shù)字信號(hào)獲取流量傳感器采集的脈沖頻率，并將其轉(zhuǎn)化為水速、肥速數(shù)據(jù)；通過USB 通信方式，將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)；通過TTL 協(xié)議控制HC?06 藍(lán)牙模塊，實(shí)現(xiàn)水肥一體機(jī)與手機(jī)APP 之間通信。

2.2 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示。首先，系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始化，并等待輸入總的灌溉水量和施用肥量。當(dāng)系統(tǒng)接收到用戶通過觸摸屏或遠(yuǎn)程APP 方式輸入的灌溉總水、肥量后，控制電磁閥打開，同時(shí)自動(dòng)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)水肥比，并結(jié)合所測(cè)實(shí)時(shí)水流量判斷期望肥液流量是否在可調(diào)控范圍內(nèi)。若在可控范圍內(nèi)，系統(tǒng)進(jìn)入濕潤階段控制，否則提示重新輸入。在濕潤階段，通過預(yù)設(shè)灌溉水量與所測(cè)水速來計(jì)算濕潤時(shí)間，控制注肥泵的開啟時(shí)間。注肥泵打開后，系統(tǒng)進(jìn)入注肥階段控制，通過動(dòng)態(tài)獲取實(shí)時(shí)水流量來調(diào)整肥液流量直至達(dá)到所設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)水肥比。然后，系統(tǒng)通過計(jì)算穩(wěn)速注肥時(shí)間，以穩(wěn)定肥液流量將肥液注入，完成后控制注肥泵關(guān)閉。最后，系統(tǒng)進(jìn)入清洗階段控制，計(jì)算清洗管道的時(shí)間，控制報(bào)警裝置啟動(dòng)及電磁閥關(guān)閉。

2.3 APP設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程APP 包括信息統(tǒng)計(jì)功能、日志查詢功能和遠(yuǎn)程控制功能。信息統(tǒng)計(jì)功能可對(duì)農(nóng)戶灌溉施肥數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，形成歷史統(tǒng)計(jì)記錄，為制定科學(xué)灌溉施肥策略提供數(shù)據(jù)參考依據(jù)。設(shè)計(jì)觀察灌溉施肥過程信息的日志查詢功能，方便農(nóng)戶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。無線控制功能利用藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)在水肥一體機(jī)一定范圍內(nèi)遠(yuǎn)程操控，無線控制功能界面如圖4所示。

3 系統(tǒng)灌溉施肥決策模型

系統(tǒng)下位機(jī)采集的水流量、肥液流量直接影響到上位機(jī)各階段調(diào)控的精準(zhǔn)性，為提高水肥混合比例的精度，降低流量傳感器測(cè)量誤差帶來的影響，本部分將對(duì)所測(cè)流量進(jìn)行修正補(bǔ)償。注肥階段可分為比例調(diào)控過程和穩(wěn)速注肥過程：比例調(diào)控過程根據(jù)灌溉水肥總量以及所測(cè)水速來實(shí)時(shí)調(diào)控注肥速度，直至滿足誤差需要；穩(wěn)速注肥過程通過計(jì)算注肥時(shí)間，以穩(wěn)定肥速注肥來進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

圖3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程圖Fig.3 Flow chart of system program design

圖4 無線控制功能界面Fig.4 Wireless control function interface

3.1 流量修正

實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的獲取水流量和肥液流量是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)水肥控制的前提。單位流量與流量傳感器反饋的脈沖頻率之間滿足：

式中：Q為單位流量，L/h；F為流量傳感器反饋的脈沖頻率；K為常數(shù)，其取值由流量傳感器型號(hào)決定，本系統(tǒng)中YF?S201流量傳感器中K取7.5，YF?DN50?S流量傳感器中K取0.2。單位流量Q可根據(jù)脈沖頻率F及常數(shù)K通過公式（1）式計(jì)算得到。

然而由于流量傳感器的非理想性，測(cè)量流量與真實(shí)流量之間存在誤差，影響水肥調(diào)控精度。為此，對(duì)流量進(jìn)行補(bǔ)償修正為，此時(shí)式（1）可調(diào)整為：

式中：N修為流量修正系數(shù)。

N修可通過多次試驗(yàn)根據(jù)測(cè)量流量與實(shí)際流量之比來獲得，具體為：用容器盛裝一定體積的水肥混合液，設(shè)置注肥泵在特定占空比下工作，統(tǒng)計(jì)注肥泵抽完水肥混合液所耗用的時(shí)間。第i次試驗(yàn)的實(shí)際平均流量為：

式中：Vi代表水肥混合液體積，L；Ti為抽完水肥混合液所用時(shí)間，h。

3.2 基于脈寬調(diào)制技術(shù)的比例調(diào)控過程

基于“肥隨水走”原則，在注肥階段灌溉水量滴灌完成時(shí)，肥液也應(yīng)該恰好全部注入，因此系統(tǒng)需要精準(zhǔn)調(diào)控水肥比例。在比例調(diào)控過程中，系統(tǒng)以初始PWM 占空比啟動(dòng)注肥泵，下位機(jī)實(shí)時(shí)獲取水流量、肥液流量后傳遞給上位機(jī)。上位機(jī)判斷實(shí)際水肥比是否在標(biāo)準(zhǔn)水肥比的誤差范圍內(nèi)。標(biāo)準(zhǔn)水肥比計(jì)算方法為：

式中：A為標(biāo)準(zhǔn)水肥比；V水為灌溉總水量，L；V肥為灌溉總肥量，L；α為注肥階段灌溉水量占灌溉總水量的百分比。水肥比例誤差判斷方法為：

式中：Q水為修正后的水流量，L/h；Q肥為修正后的肥液流量，L/h；β為誤差允許范圍系數(shù)。

在水流量Q水穩(wěn)定時(shí)，若水肥流量比小于(1 ?β)A，則表示肥液流量Q肥過大，需減小PWM 占空比來降低肥液流量，直至實(shí)際水肥流量比滿足誤差需要，比例調(diào)控過程完成。同理，若水肥流量比大于(1+β)A，則表示肥液流量Q肥過小，系統(tǒng)通過增大PWM占空比來提高肥液流量，直至調(diào)速完成。

3.3 基于時(shí)間控制的穩(wěn)速注肥過程

注肥時(shí)間包含比例調(diào)控過程所用的時(shí)間和穩(wěn)速注肥過程所用的時(shí)間。

式中：T總為注肥時(shí)間，s；T調(diào)為比例調(diào)控時(shí)間，s，由系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行精確獲?。籘穩(wěn)為穩(wěn)速注肥時(shí)間，s。

比例調(diào)控過程完成后，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)速注肥過程，該過程中占空比保持不變，通過控制穩(wěn)定注肥時(shí)間來實(shí)現(xiàn)肥量精準(zhǔn)注入。穩(wěn)速注肥時(shí)間T穩(wěn)為：

式中：N穩(wěn)為穩(wěn)速注肥時(shí)間調(diào)整系數(shù)，其確定方法為：利用設(shè)備進(jìn)行多次施肥灌溉實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)注肥時(shí)間和利用秒表所計(jì)量的實(shí)際注肥時(shí)間，分別計(jì)算出均值，實(shí)際平均注肥時(shí)間與系統(tǒng)平均注肥時(shí)間之比即為比例系數(shù)N穩(wěn)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，肥液流量大于100 L/h時(shí)，N穩(wěn)值取1；當(dāng)肥液流量小于等于100 L/h時(shí)，N穩(wěn)值取0.78。

4 系統(tǒng)安裝與試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 系統(tǒng)安裝

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)具有輕巧、簡易、易攜帶以及安裝方便等特點(diǎn)。設(shè)備實(shí)物圖如圖5所示，整體結(jié)構(gòu)采用控制系統(tǒng)與管道系統(tǒng)上下分層結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)固定在絕緣防水箱體外殼內(nèi)部，管道系統(tǒng)固定在鋁合金支架中，箱體外殼置于支架之上。安裝時(shí)只需將主管路的進(jìn)水管口與灌溉水管連接，水肥混合液出口與滴灌設(shè)備連接，將水肥一體機(jī)的旁支管路的吸肥管插入到營養(yǎng)肥液桶，連接好電源，即可完成輕簡水肥一體機(jī)的組裝工作。

圖5 設(shè)備實(shí)物圖Fig.5 Physical equipment diagram

4.2 控肥精度試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)通過設(shè)置不同比例的總水量和總肥量，記錄調(diào)速完成后的水流量、肥液流量及注肥階段所用的時(shí)間，并測(cè)算出計(jì)算誤差與實(shí)際誤差，其結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)中總水量在1 000～2 400 L范圍內(nèi)以200 L間隔進(jìn)行取值，總肥量固定為10 L，在不同水肥比例下對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中設(shè)置濕潤、注肥和沖洗三階段所需水量比為20%：60%：20%，即注肥階段灌溉水量占灌溉總水量的百分比α為0.6。當(dāng)注肥階段開啟后，系統(tǒng)進(jìn)入比例調(diào)控過程，以70%的初始占空比啟動(dòng)注肥泵，分別獲取水流量、肥液流量，通過公式（6）判斷是否在標(biāo)準(zhǔn)水肥比A的誤差范圍內(nèi)，其中，誤差允許范圍系數(shù)β設(shè)置為0.2。若不在，則以3%的PWM 占空比調(diào)整，直至實(shí)時(shí)水肥比達(dá)到誤差要求。比例調(diào)控過程結(jié)束后，記錄調(diào)速完成后的水流量與肥液流量，其比值與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)水肥比接近，可見，在不同水肥比例要求下，系統(tǒng)可對(duì)肥液流量進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控。之后，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)速注肥過程，通過式（8）計(jì)算出穩(wěn)定注肥時(shí)間，以固定肥速將剩余肥液注入到管路中，注肥時(shí)間結(jié)束后，記錄剩余肥量。在多次不同灌溉總量下的實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)肥液流量與注肥時(shí)間推導(dǎo)出的計(jì)算誤差最大為3.2%，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后記錄肥液剩余量均少于0.2 L，即實(shí)際誤差在2%以內(nèi)。因此，本輕簡水肥一體化系統(tǒng)水肥比例調(diào)控精度高，調(diào)速快，運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿足小規(guī)模農(nóng)業(yè)施肥灌溉的需求。

表1 不同灌溉總量下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data under different irrigation amount

5 結(jié) 論

本文所設(shè)計(jì)的輕簡水肥一體化系統(tǒng)主要針對(duì)小規(guī)模農(nóng)業(yè)灌溉施肥應(yīng)用中的高精度及低成本需求展開，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)水肥比和測(cè)量水速，利用PWM 技術(shù)調(diào)整肥速實(shí)現(xiàn)水肥比例調(diào)控。進(jìn)一步對(duì)傳感器所測(cè)流量及水肥比例調(diào)控過程進(jìn)行修正優(yōu)化，降低測(cè)量誤差的影響，提高水肥調(diào)控精度。本系統(tǒng)具有精準(zhǔn)控水控肥、輕簡、易操作、成本低等優(yōu)點(diǎn)，最終可實(shí)現(xiàn)節(jié)水節(jié)肥、提高水肥利用率、增加農(nóng)作物產(chǎn)量的目的。