基于云平台的智能精量水肥灌溉控制系统设计

冯培存，魏正英，张育斌，张 磊，周 瑞

(西安交通大学 机械制造系统工程国家重点实验室，西安 710049)

当前，中国农业化肥年施用量已超过0.6 亿t，约占世界总消费量的 1/3，单位面积施肥量是世界平均水平的3倍左右，目前这种高消耗低产出的用肥方式不仅造成了资源的极大浪费，还会带来一系列环境污染的问题[1,2]。水肥一体化是当今世界公认的一项高效节水节肥农业新技术，主要根据土壤特性和作物生长规律，利用灌溉设备同时把水分和养分均匀、准确、定时定量地供应给作物。发达国家农业生产的经验表明，推广水肥一体化技术是实现农业可持续发展的关键[3]。近年来国内在农业智能灌溉控制系统的研究越来越多，设计开发的控制种类繁多，在大田和温室中的水肥精量控制系统的应用相对较少，此外，考虑到不同植物在不同的生长阶段对于不同肥素浓度的需求量是不同的，国内市场上的水肥设备控制精度相对不高，高端设备大多采用的是EC传感器来对混合肥料进行监测，并不能实现对N、P、K等单一肥素浓度配比的控制，随着物联网技术的发展，对设备的远程控制与监测提供了新的技术与手段。针对这种情况，本文设计了一套应用云平台、PLC及HMI技术的精量水肥灌溉控制系统，实现了精准的水肥配比需求。

1 智能精量水肥灌溉系统

考虑到不同种类、不同生长阶段的作物对于氮、磷、钾和酸碱度的需求不同，配比精确的肥液浓度对精量灌溉甚为重要，本系统设置4个通路来实现对N、P、K肥液浓度以及酸碱度的精量控制。以PLC为核心控制器，搭建的系统框架见图1，设计了信号采集模块、电磁阀开关控制模块、精量控制模块、人机交互模块以及远程监测控制模块。在信号采集模块，使用PLC高速计数器功能对脉冲流量计实现计数，压力、土壤湿度、盐分传感器和肥液EC、pH传感器通过模拟量输入至控制器。在电磁阀开关控制模块，利用PLC的输出点控制电磁阀开关量的通断，实现对不同肥料以及不同轮灌区域的灌溉控制。在精量控制模块，根据专家库数据，以及传感器的信息，结合流量控制算法，利用PLC模拟量输出功能对直流调速泵进行转速调节，进而实现对肥素浓度的控制。在人机交互模块，通过组态软件实现人机交互，包括灌溉控制、灌溉监测等。在远程监测控制模块中，基于Modbus RTU及TCP协议完成触摸屏与云平台的数据通讯与传输，进而实现电脑、手机、微信的多终端的监测与控制。结合精量水肥灌溉控制机的功能要求和机械设计原则[4]，设计制作的精量水肥灌溉设备实物图见图2。

图1 智能精量灌溉系统框架Fig.1 Architecture diagram of intelligent precision irrigation system

图2 精量水肥灌溉设备实物Fig.2 Physical map of water and fertilizer precision irrigation equipment

精量水肥灌溉机控制策略如下：

PID 控制器具有结构简单、稳定性良好及性能可靠等优点[6]。但是农业灌溉是一个大惯性、非线性和纯时延的系统，无法对其建立精确与统一的数学模型。模糊PID控制系统主要由参数可调整PID和模糊控制系统2部分组成。灰色预测模糊PID控制方法，一方面用PID的积分调节作用，减低稳态误差，提高精度，用模糊控制实时调节PID参数，增强适应能力；另一方面，用灰色预测控制，解决被控对象中的纯滞后环节，以提高控制效果[7]。

本控制系统采用的控制算法为西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室张育斌博士等人研究的灰色预测模糊PID灌溉控制算法[7]。在实际应用中，将流量传感器采集的肥路、水路的流量数据，输入到灰色预测模糊PID控制器中，经过系统处理，输出流量调节的模拟信号作用于泵，实现精量的水肥控制。

2 智能控制组态软件设计

客户端控制软件整个工作流程图见图3(选用嵌入式一体触摸屏)。HMI上电之后，系统进行初始化，进入登陆界面，选 择功能模块。系统主要分为施肥模式、灌溉施肥监控、施肥参数、灌溉专家库、数据查询、数据导出、灌溉施肥报警等模块。在施肥之前，作业人员根据现场的情况输入所使用的N、P、K等肥料母液的浓度，在系统上电之后，系统默认处于手动施肥模式，作业人员可以单独或者同时控制几路肥泵的开闭，实现手动施肥。在自动施肥模式下，系统会根据用户选定的植物及其生长期，从专家库中确定本次灌溉所要求的相应肥料配比以及EC值、pH值范围，系统会按照施肥参数，根据水路的流量来调节水泵的转速，确保按照植物需求的水肥配比自动进行施肥灌溉。此外，在灌溉及施肥进行中，HMI会对整个过程进行实时的监测，当一些指标不在设定的范围内时，会自行执行报警策略，并会弹出窗口以及发出声响提醒用户。比如，当水路的灌溉流量小于一定的阈值时，系统会自动停止运行并提示水路异常，消除报警后可继续灌溉。在系统监控界面，会实时显示已灌溉量和目标值，以及流量的实时值，监控界面非常直观地显示出灌溉及施肥的进程。当灌溉量及施肥量达到设定值，系统会自动关闭电磁阀、水泵及肥泵，完成整个灌溉过程，并将数据保存到历史数据库中。在历史数据模块，用户可以查看已完成的灌溉数据以及灌溉的日志。在数据导出模块，用户可以将一定时间段的灌溉施肥数据以Excel表格的形式导出到U盘中，便于查阅分析。控制系统软件界面设计见图4。

图3 控制软件流程Fig.3 Flow chart of control software

图4 控制系统软件界面 Fig.4 Software interface of control system

3 云平台控制软件设计

如今，伴随出农业互联网概念，物联网技术在农业领域应用越来越广泛，通过农业物联网技术，将灌溉设备中数据信息进行传输共享，形成传感器网络，完成现代远程灌溉控制显得很为重要。

设计了基于云平台的远程灌溉控制系统，将实时的灌溉数据上传至服务器云平台，远程监测控制原理图见图5。可以利用电脑、手机等终端设备进行实时监测与控制，实现灌溉系统的手动、自动运行和网络化管理功能的智能切换，以满足不同灌溉场合和控制区域的灌溉控制需求。同时，通过设定触发器，一旦监控的数据超出一定的范围，客户端或者微信会自动推送报警信息，便于用户尽快做出相应的决策。

一方面，传感器采集到的信息，如土壤信息、作物信息、气象信息、环境信息等，可以直接通过基于WIFI或者GPRS无线传输技术上传至云平台，供用户实时监测。另一方面，也可以将灌溉过程中的数据通过触摸屏与云平台的通讯实现传输，同时可以通过云端将人机控制指令作用于触摸屏，从而实现对灌溉开关量的控制。通过云平台账号，可以对历史灌溉数据进行查询，为数据分析与挖掘提供数据基础。电脑或手机端的监控及控制界面及K肥电磁阀开闭历史数据查询见图6。

图5 基于云平台的远程监测及控制原理Fig.5 Schematic diagram of remote monitoring and control based on cloud platform

4 总结与展望

研究开发了智能精量水肥灌溉设备，设计了以PLC为控制核心的精量水肥灌溉控制系统，利用流量传

图6 云平台远程监控及控制界面及K肥电磁阀开闭历史记录Fig.6 Software interface of remote monitoring and control based on cloud platform and historical data of K fertilizer solenoid valve

感器，在普通PID控制策略的基础上应用了灰色预测模糊PID灌溉控制算法来实现对单一肥素浓度的精量化配比控制，融合EC、pH传感器技术形成循环反馈，实现自动、精量化施肥。开发了一套客户端智能控制组态软件，可实现人机互动、灌溉监控、数据存储、数据查询、数据导出等功能。采用基于WIFI或GPRS的数据无线传输技术实现了水肥设备与云平台的数据传输，具有电脑、手机、微信多终端的灌溉数据监测和开关量控制的功能，实现了设备的信息化、无线化、智能化。该设备可实现水肥一体化精量施肥灌溉，利用物联网云平台技术实现用户灌水及施肥等数据的采集与记录，为后续的数据分析与挖掘提供基础，推动农业的现代化发展。

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[1] 赵秉强.传统化肥增效改性提升产品性能与功能[J].植物营养与肥料学报,2016,22(1):1-7.

[2] 王艳语，苗俊艳.世界及我国化肥施用水平分析[J].磷肥与复肥, 2016,31(4):22-23.

[3] 高祥照,杜 森,钟永红,等.水肥一体化发展现状与展望[J].中国农业信息,2015,(4):14-19.

[4] 谢友柏．产品的性能特征与现代设计[J]．中国机械工程,2000,11(Z1):26-32．

[5] 刘 现,林营志,李传辉.基于PLC的自动灌溉控制系统设计[J].中国农学通报,2017,33(3):160-164.

[6] 王 蕾, 宋文忠. PID控制[J]. 自动化仪表,2004,25(4):1-6.

[7] 张育斌,魏正英,马胜利,等.灰色预测模糊PID灌溉控制技术开发[J].中国农村水利水电, 2016,(2):5-8.

[8] 张育斌,魏正英,简 宁,等.水肥精量配比灌溉系统设计[J].农机化研究,2017,39(12):107-111.