基于云平臺的智能水肥一體機控制系統研發

安勝鑫， 王曉麗， 薛寶松， 尹義蕾， 王會強， 饒晨曦， 郭海玲

（1. 河北潤農節水科技股份有限公司，河北 唐山 064100； 2. 河北省節水灌溉裝備產業技術研究院，河北 唐山 064100；3. 農業農村部規劃設計研究院，北京 100125； 4. 河北農業大學，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量與品質，但由于受技術和發展水平限制，我國傳統水肥管理普遍存在管理模式粗放、自動化程度低、水肥浪費嚴重的問題，尤其是在施肥方面，盲目過量施肥的現象更是普遍，不合理的水肥管理模式不但增加農業生產成本，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，水肥一體化技術的大面積推廣，不但有效提高了水肥利用率，降低了農業生產成本，同時也極大降低了盲目施肥對環境和地下水造成的污染，提質增效效果顯著，配套灌溉施肥設備也由最初的進口、仿制逐步發展到現在具備了自主研發的能力。近年來土地流轉、規模化種植和設施栽培的不斷發展，為高效水肥一體化技術發展提供了廣闊的市場空間，但由于我國水肥一體化技術起步較晚及受傳統水肥管理模式的影響，我國水肥一體化技術水平和配套施肥設備與國際先進水平相比仍存在較大差距，配套施肥設備自動化程度和肥液濃度調控精度低的問題尤為突出，難以滿足現代農業自動化、精準化、智能化的發展需求[2]。針對以上問題，開發出了一套智能水肥一體機控制系統，借助該系統可通過遠程和本地兩種相對獨立的模式實現對施肥配方、施肥程序及輪灌編組的控制，以及設備運行狀態監測等功能，有效提高了水肥利用率和田間水肥管理的自動化程度。

1 控制系統簡介及架構設計

智能水肥一體機是借助于智能控制系統將液體肥或可溶性固體肥按設定好的施肥配方和施肥程序均勻、穩定地輸送到作物根系活動區的施肥設備，主要由輸肥通路、混肥設備、量測系統及控制單元等模塊組成。系統運行時借助配套傳感器和量測設備可實時采集田間氣象、墑情及設備運行狀態信息，經分析處理后制定科學合理的水肥管理決策模型并借助控制單元配套電磁閥、攪拌泵等硬件設備進行調控，從而實現灌水施肥過程的定時、定量控制及肥液濃度的精準調控，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控制系統實現方案，該系統主要由云服務器、PLC 控制器、配套傳感器及田間電磁閥等設備組成，用戶借助于云管理平臺，可通過遠程和本地兩種相對獨立的控制模式實現對灌水施肥過程的控制及設備運行狀態的實時監測。遠程控制模式時需調用云管理平臺的接口，通過DTU 模塊實現與PLC 的通訊，在電腦端或手機APP 端設定輪灌編組及相關控制指令下發到PLC，實現對灌水施肥時間、施肥配方及輪灌編組等的控制。本地控制即直接通過現場操控施肥機的PLC 觸摸屏，實現對灌水施肥過程的調控，即使在田間無網絡的情況下，也可通過PLC 控制注肥閥、攪拌電機及田間配套電磁閥設備，實現對灌水施肥過程的調控[4-7]。其工作原理如圖1 所示，控制系統架構如圖2 所示。

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

圖2 智能水肥一體機控制系統架構Fig. 2 Control system architecture of intelligent water and fertilizer integrated machine

2 控制系統設計及云管理平臺開發

2.1 硬件設備配置

智能水肥一體機控制系統是將信息采集技術和自動控制技術相結合的自動化管理平臺，由于田間環境因素復雜，涉及的田間設備較多，若采用有線傳輸，不但影響田間耕作，設備故障或需要增加新設備時可能需重新布設電路，增加施工成本，因此采用無線通訊的設計方案[8-9]。控制系統主要由PLC 控制器、無線傳輸模塊、田間電磁閥、傳感器等硬件設備及配套云服務平臺組成，其中，云服務器和DTU 模塊之間可實現數據透傳，LoRa 網關和解碼器之間采用LoRa 通訊協議+自組網的方式通訊，DTU 模塊和LoRa 網關之間以PLC 為中繼，采用485 通訊方式進行信息傳輸，DTU與云服務器之間采用GPRS/3G/4G/5G 方式通訊，該通訊方式通訊穩定性好且設備數據傳輸覆蓋面廣，滿足田間應用需求。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 控制系統設計

智能水肥一體機控制系統中，PLC 控制器是控制系統的核心部件，可實現相關信息及控制命令的上傳下達。PLC 控制器通過與施肥機配套的EC/pH 傳感器、流量計、液位傳感器、壓力傳感器等量測設備通訊，實現對灌水施肥過程及設備運行狀態信息的實時采集，經系統處理分析后，制定相應的決策模型并對水泵、攪拌電機、各輸肥通路注肥閥及田間電磁閥等執行機構發布控制指令，實現對灌水施肥過程的精準調控。其中，系統配套的壓力/流量傳感器、EC/pH 傳感器、DTU 模塊、LoRa 網關等均為支持RS485 通訊的設備，通過RS-485 通訊協議可直接與PLC 進行信息傳輸，從而實現田間水肥管理過程的遠程自動控制。PLC 控制系統架構如圖4 所示。

圖4 PLC 控制系統架構Fig. 4 Architecture of PLC control system

PLC 控制系統的主要功能是根據采集的田間及設備運行狀態信息，通過分析處理后對配套設備發布相應的控制指令，從而實現對灌水施肥過程的精準調控[10]。該智能水肥一體機控制系統主要面向大田應用，考慮到大田土壤環境的復雜性和不同作物在不同生長時期需水量各異，灌溉決策系統為一個復雜的隨機系統，在缺少大數據支撐條件下，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行了控制。另一方面，目前大田水肥一體化技術推廣應用中，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場值守，費時費力，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行了設計開發[11-12]。智能水肥一體機控制系統借助PLC 控制器主要實現以下功能。

（1）施肥比例調控。本控制系統采用基于脈寬調制（PWM）算法的控制方式，通過調整各施肥（藥）通路電磁閥的占空比實現對不同種肥液的比例調控，調控過程中通過EC 傳感器對混合好的肥液EC 值進行采集，當采集到的EC 值大于設定的上限值時，表明肥液濃度過大，此時PLC 會通過變頻器調節水源水泵，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期的水肥管理需求，系統最多可設置10 個不同的比例配方，從而提高肥液調控精度。

（2）灌溉施肥程序調控。智能水肥一體機與水泵、施肥通路控制閥、田間電磁閥等采用關聯控制模式，通過PLC 控制器對灌水施肥時間、灌水施肥條件、施肥配方、輪灌組等進行設定。當達到設定施肥時間或施肥條件后，一鍵開啟水源水泵、施肥機及田間電磁閥等，按設定好的施肥配方及輪灌編組進行水肥一體化配施。

（3）輪灌編組。借助于控制系統對灌區內的田間電磁閥進行分組并按順序進行控制：在PLC 分配特定數量的寄存器，每個寄存器的容量以能儲存一個灌區（一臺施肥機控制的灌溉面積）內的所有電磁閥n為宜，假設灌區內有m個輪灌單元，則有m個寄存器，每個寄存器用于存儲該輪灌單元內所有閥的選中狀態，若閥選中則為“1”，若未選中則為“0”。不同灌溉單元（即根據不同作物的需水規律劃定的能同時進行水肥一體化配施的區域）內的電磁閥選擇完成后，即為設定的輪灌編組。當水肥一體化配施時，發送“開啟/關閉”命令，即可一鍵控制該輪灌編組單元內所有電磁閥的啟閉，并按設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，從而控制整個灌水施肥過程，有效提高水肥管理的自動化程度。

（4）數據采集及存儲。數據采集包括田間信息及設備運行狀態信息兩大類，采集的信息一方面為系統水肥管理提供決策支持，另一方面關鍵數據在客戶端和HIMI 屏進行直觀顯示，便于用戶可視化管理。

（5）狀態反饋及報警功能。通過PLC 提前設定EC/pH、肥料桶液位、施肥機進出口壓力等參數的上下限值，并借助于配套傳感器對灌水施肥量、肥液濃度及混肥桶內液位高度等參數進行實時采集及反饋，當設備參數超出設定值時及時為用戶發送報警信息，便于用戶及時掌握灌水施肥狀況，確保系統運行的穩定性。

2.3 云管理平臺開發

為實現對灌水施肥過程的遠程自動控制，開發了一套智能水肥一體機云管理平臺，系統采用PHP 語言開發和B/S 架構體系，并配有MySQL 數據庫與應用程序，便于管理和快速訪問平臺數據[13-15]。平臺軟件端架構按其功能可分為物理感知層、本地管理層、遠程決策層和命令執行層4 個層級。物理感知層是通過不同的傳感器對田間氣象信息和設備運行狀態信息進行實時采集，并將采集到的信息及時上傳至云服務器，經處理分析后為用戶了解設備運行狀態及制定水肥管理決策提供數據支撐。本地管理層是連接遠程決策層與命令執行層和感知層的橋梁，不僅可以將執行層的運行狀態及感知層采集的信息上傳至遠程客戶端，還可以將遠程決策層發出的指令下發至命令執行層。遠程決策層主要實現對感知層獲取的信息及本地管理層上傳的設備運行信息進行分析，并做出科學合理的水肥管理決策。命令執行層主要用于執行系統的各項調控命令，實現對灌水施肥量、灌水施肥時間及施肥配方等的精準調控。借助云管理平臺，用戶可通過電腦、平板、手機等客戶端查看設備運行狀態、管理設備數據、設置運行參數等，從而實現對灌水施肥過程的遠程控制。主要控制界面如圖5 所示。

圖5 智能水肥一體機控制界面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控制系統的功能和穩定性，于2021 年10 月在公司智慧農業研發實驗基地開展了相關性能測試試驗。研發實驗基地占地3.57 hm2，水源水井配套水泵、變頻柜、首部過濾器及施肥機各1 臺，智能水肥一體機性能測試區內配置有18 個1 寸脈沖電磁閥，劃分為3 個輪灌組，每個輪灌組6 個電磁閥，為滿足實際應用需求主要對施肥配方調控及田間電磁閥控制指令有效性兩項指標進行測試，如圖6 所示[16]。

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

（1）施肥配方調控測試。智能水肥一體機的運行穩定性和調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為研究對象，對其施肥配方調控精度進行了測試。 試驗時隨機設定了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，并按設定的施肥配方順序循環測試。測試時調節系統工作壓力達到智能水肥一體機額定工作壓力（0.6 MPa），穩定約5 min 后，每間隔2 min 通過施肥管路配套轉子流量計讀取各個施肥通路吸肥量并記錄，取3 次測量的平均值即為施肥機單通路吸肥量。試驗結果如表1 所示。

表1 施肥配方調控測試結果Tab. 1 Results of fertilization formula regulation test

實測結果表明，實測配方比例與設定配方比例存在一定的偏差，但偏差較小，滿足實際應用需求。分析認為，造成施肥配方存在微小偏差的主要原因是由于施肥機的輸肥通路采用基于文丘里原理的水射器進行吸肥，吸肥過程中采用PWM 算法控制施肥通路電磁閥狀態時會對水流流態產生一定的影響，使得輸肥管路里的肥液處于非均勻流狀態從而產生一定偏差。

（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對田間電磁閥控制指令的有效性，測試過程中設置了手動控制和自動控制兩個處理。測試時調節系統工作壓力達到智能水肥一體機額定工作壓力（0.6 MPa），穩定約5 min 后，針對不同控制模式分別開展了20 次測試試驗，每次控制指令控制一個輪灌組內6 個電磁閥的啟閉。測試結果如表2 所示。

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

實測結果表明，測試過程中有少數命令已下發，但設備未響應，分析認為主要是由于戶外應用造成個別通信數據丟包，對指令有效性造成了一定影響，但系統配套的狀態反饋功能可及時識別出未響應的指令，反饋準確率達到98.3%以上，基本可確保設備穩定、有效運行。

4 結論

針對目前我國水肥一體化技術推廣應用中普遍存在的管理模式粗放、自動化程度低、水肥浪費嚴重等問題，借助于無線通訊技術、自動控制技術及傳感器技術等現代技術開發了一套基于云平臺的智能水肥一體化控制系統，借助該系統，用戶可通過遠程和本地兩種相對獨立的模式實現對施肥配方、施肥程序及輪灌編組等進行調控。相較傳統水肥管理模式節省人工80%以上，實測結果表明，系統控制指令的有效性高達98%以上，有效提高了田間水肥管理的自動化程度和精細化水平，符合現代農業的發展需求。