輕簡水肥一體化系統設計與實現

劉炳鑠，蘭 鵬，魏 珉，葛成愷，宋新財，孫豐剛

（1.山東農業大學信息科學與工程學院，山東泰安271018；2.山東農業大學園藝科學與工程學院，山東泰安271018）

我國水資源總量豐富，但時空分布不均，人均占有量偏低。農業灌溉用水在我國用水總量中占比巨大，每年農業灌溉用水缺口達300億m3，水資源短缺嚴重。同時，我國化肥用量占世界總量的1/3 以上，施用量遠高于其他國家，但利用率偏低。因此，水肥已成為影響我國農業發展及生態環境保護的重要因素[1]。水肥一體化技術是實現水肥同步管理和高效利用的現代化節水灌溉技術。綜合我國農業灌溉施肥現狀，發展水肥一體化技術是實現節水節肥、優化生態環境的有效途徑，是現代農業發展的必由之路[2]。

近年來，國內外學者相繼對水肥一體化技術展開了研究并將其應用于現代農業之中，可有效節水節肥，提高水肥利用率，促進生態環境保護，提升農作物的品質和產量[3]。早在1984年，Phen C.等通過土壤濕度傳感器實時采集作物根部的土壤水分含量并與設定值相比較，據此來調控施肥灌溉[4]。Prabakaran G.等基于氣候參數和土壤墑情研制了一種作物模糊邏輯系統來實施灌溉施肥決策，提高了肥料利用率和作物產量[5]。近年來，我國也一直積極推進水肥一體化技術的研究與應用，并取得積極效果[6]。沈雪民等通過對臨界流量、最大流量、吸入量及水力損失等參數的計算分析，研制了早期文丘里施肥器[7]。 李加念等利用脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）技術對脈沖電磁閥進行控制，通過改變文丘里施肥器進出口壓力差，實現了對吸肥量的調控[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械式聯動換向機構，簡化了施肥泵的內部結構[9]。胡昕宇等通過對恒定濃度和流量施肥的解析分析，搭建水肥流動數學模型，可實現計算機控制壓差施肥罐進行均勻施肥[10]。然而，傳統水肥一體化系統在設計時主要考慮對灌溉水、肥總量進行控制，難以保證水肥混合的實時均勻性。為此，姜巖等設計了一種基于物聯網的水肥一體設備，根據EC/pH值變化對水肥進行調控，實現了精準灌溉施肥[11]。呂途等根據EC/pH值的變化，設計了一種基于模糊PID（Proportion Integral Differential）控制的精準配肥控制系統，可減少調速時間，提高調控精度[12]。精準水肥一體機為實現對水肥的精準調控，通常需要多種專門儀器對EC/pH值進行測量及控制，并設置混合桶、壓力泵等設備，成本高，操控復雜，主要應用于大中型規模農場，而小規模農場用戶卻難以承受。

為此，本文設計了一種具有精準水肥調控功能的輕簡型水肥一體化系統。為實現水肥精準調控，首先利用流量傳感器來獲取實時水速，并設計了補償方案來修正傳感器測量誤差的影響。然后根據水肥比例要求及水速，利用脈寬調制方法來實時調控肥速。此外，系統無需對EC/pH值進行測量與控制，并對硬件結構進行精簡設計，從而可降低系統設備的成本。結果表明，本文所設計的水肥一體化系統在不同水肥比例要求下實測精度可達98%。因此，本輕簡型水肥一體化系統具有水肥比例調控精度高、輕簡便捷、成本低廉、操作簡單、易于推廣等優點，有助于達到高效節約水資源、提高肥料利用率的目的。

1 系統總體設計

本文針對小規模農業灌溉施肥過程中的實際需求，設計了一款具有精準水肥調控功能的輕簡水肥一體化系統，主要考慮因素如下：

（1）為實現精準水肥調控，水肥一體化系統設計時考慮將工作過程分為三個階段：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，防止出現燒苗現象；注肥階段根據水速和標準水肥比例控制肥速，以實現精準注肥，是系統核心控制功能；清洗階段進行沖洗管道，防止化肥滯留在管道中。

（2）為便于操作，設置手動和遠距離操作兩種模式，以適應不同的應用場合。

（3）為降低成本，設計中選用性價比高的硬件設備，整體設計輕簡化，滿足用戶對低成本的需求。

本文所設計的輕簡水肥一體化系統分為上位機、下位機和遠程APP三部分，如圖1所示。上位機主要負責濕潤、注肥和清洗三個階段的控制。下位機負責實時采集水速、肥速數據，并傳遞給上位機，為各階段控制提供數據支撐。為便于操作，可選用觸摸屏或遠程APP 輸入方式，其中遠程APP 主要負責信息統計、日志查詢和無線控制，無線控制是APP 核心功能。在農業施肥灌溉過程中，用戶根據實際情況輸入灌溉總水量、肥量后，系統實時采集注水、肥管道中的水、肥速，自動完成濕潤、注肥、清洗三階段的調控。

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

2 系統設計與實現

2.1 硬件設計

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

圖2 控制系統結構圖Fig.2 Control system structure diagram

2.1.1 硬件選型

上位機中選擇3代B+型樹莓派作為控制核心，它是一款加載Linux 操作系統的微型計算機主板，不僅能實現基本的I/O引腳控制，還可完成復雜的任務管理與調度。調速模塊選用L298N 電機驅動模塊，該模塊能夠在6～26 V 的電壓范圍內調節注肥泵的注肥速度，具有性價比高、可靠性強等特點。注肥泵選用DY?S400SA 型號的直流泵，其額定電壓為24 V，最大工作流量為150 L/h。

下位機中Arduino 微控制器選用基于ATmega328 的Arduino UNO 單片機，其具有便捷靈活、易于上手等優點，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、YF?S201 型號的流量傳感器來監測水流量和肥液流量，其中YF?DN50?S 流量傳感器測量量程為0～12 000 L/h，精度為±5%，YF?S201 流量傳感器測量量程為0～1 800 L/h，精度為±2%。

2.1.2 工作流程

上位機工作流程：樹莓派通過HDMI接口連接觸摸屏以實現人機交互，用戶可通過觸摸屏輸入灌溉水量、肥量，并進行相關信息顯示；通過I/O 口控制繼電器實現電磁閥開關；通過USB 通信方式接收下位機實時采集的水速、肥速數據；通過I/O 口控制調速模塊，改變注肥泵占空比，調控注肥速度；通過I/O口控制蜂鳴器來實現報警開啟時間。

下位機工作流程：Arduino 微控制器通過讀取數字信號獲取流量傳感器采集的脈沖頻率，并將其轉化為水速、肥速數據；通過USB 通信方式，將數據發送給上位機；通過TTL 協議控制HC?06 藍牙模塊，實現水肥一體機與手機APP 之間通信。

2.2 程序設計

系統程序設計流程如圖3所示。首先，系統上電后進行初始化，并等待輸入總的灌溉水量和施用肥量。當系統接收到用戶通過觸摸屏或遠程APP 方式輸入的灌溉總水、肥量后，控制電磁閥打開，同時自動計算標準水肥比，并結合所測實時水流量判斷期望肥液流量是否在可調控范圍內。若在可控范圍內，系統進入濕潤階段控制，否則提示重新輸入。在濕潤階段，通過預設灌溉水量與所測水速來計算濕潤時間，控制注肥泵的開啟時間。注肥泵打開后，系統進入注肥階段控制，通過動態獲取實時水流量來調整肥液流量直至達到所設定的標準水肥比。然后，系統通過計算穩速注肥時間，以穩定肥液流量將肥液注入，完成后控制注肥泵關閉。最后，系統進入清洗階段控制，計算清洗管道的時間，控制報警裝置啟動及電磁閥關閉。

2.3 APP設計

遠程APP 包括信息統計功能、日志查詢功能和遠程控制功能。信息統計功能可對農戶灌溉施肥數據進行統計，形成歷史統計記錄，為制定科學灌溉施肥策略提供數據參考依據。設計觀察灌溉施肥過程信息的日志查詢功能，方便農戶監測系統的工作狀態。無線控制功能利用藍牙技術實現在水肥一體機一定范圍內遠程操控，無線控制功能界面如圖4所示。

3 系統灌溉施肥決策模型

系統下位機采集的水流量、肥液流量直接影響到上位機各階段調控的精準性，為提高水肥混合比例的精度，降低流量傳感器測量誤差帶來的影響，本部分將對所測流量進行修正補償。注肥階段可分為比例調控過程和穩速注肥過程：比例調控過程根據灌溉水肥總量以及所測水速來實時調控注肥速度，直至滿足誤差需要；穩速注肥過程通過計算注肥時間，以穩定肥速注肥來進行精準控制。

圖3 系統程序設計流程圖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

實時、精準的獲取水流量和肥液流量是實現精準水肥控制的前提。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，其取值由流量傳感器型號決定，本系統中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可根據脈沖頻率F及常數K通過公式（1）式計算得到。

然而由于流量傳感器的非理想性，測量流量與真實流量之間存在誤差，影響水肥調控精度。為此，對流量進行補償修正為，此時式（1）可調整為：

式中：N修為流量修正系數。

N修可通過多次試驗根據測量流量與實際流量之比來獲得，具體為：用容器盛裝一定體積的水肥混合液，設置注肥泵在特定占空比下工作，統計注肥泵抽完水肥混合液所耗用的時間。第i次試驗的實際平均流量為：

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間，h。

3.2 基于脈寬調制技術的比例調控過程

基于“肥隨水走”原則，在注肥階段灌溉水量滴灌完成時，肥液也應該恰好全部注入，因此系統需要精準調控水肥比例。在比例調控過程中，系統以初始PWM 占空比啟動注肥泵，下位機實時獲取水流量、肥液流量后傳遞給上位機。上位機判斷實際水肥比是否在標準水肥比的誤差范圍內。標準水肥比計算方法為：

式中：A為標準水肥比；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。

在水流量Q水穩定時，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，直至實際水肥流量比滿足誤差需要，比例調控過程完成。同理，若水肥流量比大于(1+β)A，則表示肥液流量Q肥過小，系統通過增大PWM占空比來提高肥液流量，直至調速完成。

3.3 基于時間控制的穩速注肥過程

注肥時間包含比例調控過程所用的時間和穩速注肥過程所用的時間。

式中：T總為注肥時間，s；T調為比例調控時間，s，由系統時鐘進行精確獲取；T穩為穩速注肥時間，s。

比例調控過程完成后，系統進入穩速注肥過程，該過程中占空比保持不變，通過控制穩定注肥時間來實現肥量精準注入。穩速注肥時間T穩為：

式中：N穩為穩速注肥時間調整系數，其確定方法為：利用設備進行多次施肥灌溉實驗，統計系統注肥時間和利用秒表所計量的實際注肥時間，分別計算出均值，實際平均注肥時間與系統平均注肥時間之比即為比例系數N穩。經試驗驗證，肥液流量大于100 L/h時，N穩值取1；當肥液流量小于等于100 L/h時，N穩值取0.78。

4 系統安裝與試驗驗證

4.1 系統安裝

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

圖5 設備實物圖Fig.5 Physical equipment diagram

4.2 控肥精度試驗驗證

試驗通過設置不同比例的總水量和總肥量，記錄調速完成后的水流量、肥液流量及注肥階段所用的時間，并測算出計算誤差與實際誤差，其結果如表1所示。試驗中總水量在1 000～2 400 L范圍內以200 L間隔進行取值，總肥量固定為10 L，在不同水肥比例下對本系統進行驗證。實驗中設置濕潤、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。當注肥階段開啟后，系統進入比例調控過程，以70%的初始占空比啟動注肥泵，分別獲取水流量、肥液流量，通過公式（6）判斷是否在標準水肥比A的誤差范圍內，其中，誤差允許范圍系數β設置為0.2。若不在，則以3%的PWM 占空比調整，直至實時水肥比達到誤差要求。比例調控過程結束后，記錄調速完成后的水流量與肥液流量，其比值與設定的標準水肥比接近，可見，在不同水肥比例要求下，系統可對肥液流量進行精準調控。之后，系統進入穩速注肥過程，通過式（8）計算出穩定注肥時間，以固定肥速將剩余肥液注入到管路中，注肥時間結束后，記錄剩余肥量。在多次不同灌溉總量下的實驗中，根據肥液流量與注肥時間推導出的計算誤差最大為3.2%，實驗結束后記錄肥液剩余量均少于0.2 L，即實際誤差在2%以內。因此，本輕簡水肥一體化系統水肥比例調控精度高，調速快，運行穩定，能夠滿足小規模農業施肥灌溉的需求。

表1 不同灌溉總量下的實驗數據Tab.1 Experimental data under different irrigation amount

5 結 論

本文所設計的輕簡水肥一體化系統主要針對小規模農業灌溉施肥應用中的高精度及低成本需求展開，根據標準水肥比和測量水速，利用PWM 技術調整肥速實現水肥比例調控。進一步對傳感器所測流量及水肥比例調控過程進行修正優化，降低測量誤差的影響，提高水肥調控精度。本系統具有精準控水控肥、輕簡、易操作、成本低等優點，最終可實現節水節肥、提高水肥利用率、增加農作物產量的目的。