轻简水肥一体化系统设计与实现

刘炳铄，兰 鹏，魏 珉，葛成恺，宋新财，孙丰刚

（1.山东农业大学信息科学与工程学院，山东泰安271018；2.山东农业大学园艺科学与工程学院，山东泰安271018）

我国水资源总量丰富，但时空分布不均，人均占有量偏低。农业灌溉用水在我国用水总量中占比巨大，每年农业灌溉用水缺口达300亿m3，水资源短缺严重。同时，我国化肥用量占世界总量的1/3 以上，施用量远高于其他国家，但利用率偏低。因此，水肥已成为影响我国农业发展及生态环境保护的重要因素[1]。水肥一体化技术是实现水肥同步管理和高效利用的现代化节水灌溉技术。综合我国农业灌溉施肥现状，发展水肥一体化技术是实现节水节肥、优化生态环境的有效途径，是现代农业发展的必由之路[2]。

近年来，国内外学者相继对水肥一体化技术展开了研究并将其应用于现代农业之中，可有效节水节肥，提高水肥利用率，促进生态环境保护，提升农作物的品质和产量[3]。早在1984年，Phen C.等通过土壤湿度传感器实时采集作物根部的土壤水分含量并与设定值相比较，据此来调控施肥灌溉[4]。Prabakaran G.等基于气候参数和土壤墒情研制了一种作物模糊逻辑系统来实施灌溉施肥决策，提高了肥料利用率和作物产量[5]。近年来，我国也一直积极推进水肥一体化技术的研究与应用，并取得积极效果[6]。沈雪民等通过对临界流量、最大流量、吸入量及水力损失等参数的计算分析，研制了早期文丘里施肥器[7]。 李加念等利用脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）技术对脉冲电磁阀进行控制，通过改变文丘里施肥器进出口压力差，实现了对吸肥量的调控[8]。王新坤等研制了一种射流施肥泵，利用射流原理代替弹簧或机械式联动换向机构，简化了施肥泵的内部结构[9]。胡昕宇等通过对恒定浓度和流量施肥的解析分析，搭建水肥流动数学模型，可实现计算机控制压差施肥罐进行均匀施肥[10]。然而，传统水肥一体化系统在设计时主要考虑对灌溉水、肥总量进行控制，难以保证水肥混合的实时均匀性。为此，姜岩等设计了一种基于物联网的水肥一体设备，根据EC/pH值变化对水肥进行调控，实现了精准灌溉施肥[11]。吕途等根据EC/pH值的变化，设计了一种基于模糊PID（Proportion Integral Differential）控制的精准配肥控制系统，可减少调速时间，提高调控精度[12]。精准水肥一体机为实现对水肥的精准调控，通常需要多种专门仪器对EC/pH值进行测量及控制，并设置混合桶、压力泵等设备，成本高，操控复杂，主要应用于大中型规模农场，而小规模农场用户却难以承受。

为此，本文设计了一种具有精准水肥调控功能的轻简型水肥一体化系统。为实现水肥精准调控，首先利用流量传感器来获取实时水速，并设计了补偿方案来修正传感器测量误差的影响。然后根据水肥比例要求及水速，利用脉宽调制方法来实时调控肥速。此外，系统无需对EC/pH值进行测量与控制，并对硬件结构进行精简设计，从而可降低系统设备的成本。结果表明，本文所设计的水肥一体化系统在不同水肥比例要求下实测精度可达98%。因此，本轻简型水肥一体化系统具有水肥比例调控精度高、轻简便捷、成本低廉、操作简单、易于推广等优点，有助于达到高效节约水资源、提高肥料利用率的目的。

1 系统总体设计

本文针对小规模农业灌溉施肥过程中的实际需求，设计了一款具有精准水肥调控功能的轻简水肥一体化系统，主要考虑因素如下：

（1）为实现精准水肥调控，水肥一体化系统设计时考虑将工作过程分为三个阶段：湿润阶段、注肥阶段、清洗阶段。湿润阶段主要用于湿润土壤、充盈管道，防止出现烧苗现象；注肥阶段根据水速和标准水肥比例控制肥速，以实现精准注肥，是系统核心控制功能；清洗阶段进行冲洗管道，防止化肥滞留在管道中。

（2）为便于操作，设置手动和远距离操作两种模式，以适应不同的应用场合。

（3）为降低成本，设计中选用性价比高的硬件设备，整体设计轻简化，满足用户对低成本的需求。

本文所设计的轻简水肥一体化系统分为上位机、下位机和远程APP三部分，如图1所示。上位机主要负责湿润、注肥和清洗三个阶段的控制。下位机负责实时采集水速、肥速数据，并传递给上位机，为各阶段控制提供数据支撑。为便于操作，可选用触摸屏或远程APP 输入方式，其中远程APP 主要负责信息统计、日志查询和无线控制，无线控制是APP 核心功能。在农业施肥灌溉过程中，用户根据实际情况输入灌溉总水量、肥量后，系统实时采集注水、肥管道中的水、肥速，自动完成湿润、注肥、清洗三阶段的调控。

图1 控制系统工作原理图Fig.1 Working principle diagram of control system

2 系统设计与实现

2.1 硬件设计

系统硬件控制部分如图2所示，主要由上位机、下位机和电源模块组成。上位机包括树莓派、调速模块、注肥泵、继电器、电磁阀、蜂鸣器以及触摸屏；下位机硬件由Arduino 微控制器、流量传感器、HC−06 蓝牙模块组成；电源模块包括220 V 转5 V 电源适配器和220 V 转24 V 直流电源模块，分别为树莓派及注肥泵供电。

图2 控制系统结构图Fig.2 Control system structure diagram

2.1.1 硬件选型

上位机中选择3代B+型树莓派作为控制核心，它是一款加载Linux 操作系统的微型计算机主板，不仅能实现基本的I/O引脚控制，还可完成复杂的任务管理与调度。调速模块选用L298N 电机驱动模块，该模块能够在6～26 V 的电压范围内调节注肥泵的注肥速度，具有性价比高、可靠性强等特点。注肥泵选用DY−S400SA 型号的直流泵，其额定电压为24 V，最大工作流量为150 L/h。

下位机中Arduino 微控制器选用基于ATmega328 的Arduino UNO 单片机，其具有便捷灵活、易于上手等优点，可与树莓派搭配使用。由于注水管道和注肥管道的口径分别为63、25 mm，因此分别选择YF−DN50−S 型号、YF−S201 型号的流量传感器来监测水流量和肥液流量，其中YF−DN50−S 流量传感器测量量程为0～12 000 L/h，精度为±5%，YF−S201 流量传感器测量量程为0～1 800 L/h，精度为±2%。

2.1.2 工作流程

上位机工作流程：树莓派通过HDMI接口连接触摸屏以实现人机交互，用户可通过触摸屏输入灌溉水量、肥量，并进行相关信息显示；通过I/O 口控制继电器实现电磁阀开关；通过USB 通信方式接收下位机实时采集的水速、肥速数据；通过I/O 口控制调速模块，改变注肥泵占空比，调控注肥速度；通过I/O口控制蜂鸣器来实现报警开启时间。

下位机工作流程：Arduino 微控制器通过读取数字信号获取流量传感器采集的脉冲频率，并将其转化为水速、肥速数据；通过USB 通信方式，将数据发送给上位机；通过TTL 协议控制HC−06 蓝牙模块，实现水肥一体机与手机APP 之间通信。

2.2 程序设计

系统程序设计流程如图3所示。首先，系统上电后进行初始化，并等待输入总的灌溉水量和施用肥量。当系统接收到用户通过触摸屏或远程APP 方式输入的灌溉总水、肥量后，控制电磁阀打开，同时自动计算标准水肥比，并结合所测实时水流量判断期望肥液流量是否在可调控范围内。若在可控范围内，系统进入湿润阶段控制，否则提示重新输入。在湿润阶段，通过预设灌溉水量与所测水速来计算湿润时间，控制注肥泵的开启时间。注肥泵打开后，系统进入注肥阶段控制，通过动态获取实时水流量来调整肥液流量直至达到所设定的标准水肥比。然后，系统通过计算稳速注肥时间，以稳定肥液流量将肥液注入，完成后控制注肥泵关闭。最后，系统进入清洗阶段控制，计算清洗管道的时间，控制报警装置启动及电磁阀关闭。

2.3 APP设计

远程APP 包括信息统计功能、日志查询功能和远程控制功能。信息统计功能可对农户灌溉施肥数据进行统计，形成历史统计记录，为制定科学灌溉施肥策略提供数据参考依据。设计观察灌溉施肥过程信息的日志查询功能，方便农户监测系统的工作状态。无线控制功能利用蓝牙技术实现在水肥一体机一定范围内远程操控，无线控制功能界面如图4所示。

3 系统灌溉施肥决策模型

系统下位机采集的水流量、肥液流量直接影响到上位机各阶段调控的精准性，为提高水肥混合比例的精度，降低流量传感器测量误差带来的影响，本部分将对所测流量进行修正补偿。注肥阶段可分为比例调控过程和稳速注肥过程：比例调控过程根据灌溉水肥总量以及所测水速来实时调控注肥速度，直至满足误差需要；稳速注肥过程通过计算注肥时间，以稳定肥速注肥来进行精准控制。

图3 系统程序设计流程图Fig.3 Flow chart of system program design

图4 无线控制功能界面Fig.4 Wireless control function interface

3.1 流量修正

实时、精准的获取水流量和肥液流量是实现精准水肥控制的前提。单位流量与流量传感器反馈的脉冲频率之间满足：

式中：Q为单位流量，L/h；F为流量传感器反馈的脉冲频率；K为常数，其取值由流量传感器型号决定，本系统中YF−S201流量传感器中K取7.5，YF−DN50−S流量传感器中K取0.2。单位流量Q可根据脉冲频率F及常数K通过公式（1）式计算得到。

然而由于流量传感器的非理想性，测量流量与真实流量之间存在误差，影响水肥调控精度。为此，对流量进行补偿修正为，此时式（1）可调整为：

式中：N修为流量修正系数。

N修可通过多次试验根据测量流量与实际流量之比来获得，具体为：用容器盛装一定体积的水肥混合液，设置注肥泵在特定占空比下工作，统计注肥泵抽完水肥混合液所耗用的时间。第i次试验的实际平均流量为：

式中：Vi代表水肥混合液体积，L；Ti为抽完水肥混合液所用时间，h。

3.2 基于脉宽调制技术的比例调控过程

基于“肥随水走”原则，在注肥阶段灌溉水量滴灌完成时，肥液也应该恰好全部注入，因此系统需要精准调控水肥比例。在比例调控过程中，系统以初始PWM 占空比启动注肥泵，下位机实时获取水流量、肥液流量后传递给上位机。上位机判断实际水肥比是否在标准水肥比的误差范围内。标准水肥比计算方法为：

式中：A为标准水肥比；V水为灌溉总水量，L；V肥为灌溉总肥量，L；α为注肥阶段灌溉水量占灌溉总水量的百分比。水肥比例误差判断方法为：

式中：Q水为修正后的水流量，L/h；Q肥为修正后的肥液流量，L/h；β为误差允许范围系数。

在水流量Q水稳定时，若水肥流量比小于(1 −β)A，则表示肥液流量Q肥过大，需减小PWM 占空比来降低肥液流量，直至实际水肥流量比满足误差需要，比例调控过程完成。同理，若水肥流量比大于(1+β)A，则表示肥液流量Q肥过小，系统通过增大PWM占空比来提高肥液流量，直至调速完成。

3.3 基于时间控制的稳速注肥过程

注肥时间包含比例调控过程所用的时间和稳速注肥过程所用的时间。

式中：T总为注肥时间，s；T调为比例调控时间，s，由系统时钟进行精确获取；T稳为稳速注肥时间，s。

比例调控过程完成后，系统进入稳速注肥过程，该过程中占空比保持不变，通过控制稳定注肥时间来实现肥量精准注入。稳速注肥时间T稳为：

式中：N稳为稳速注肥时间调整系数，其确定方法为：利用设备进行多次施肥灌溉实验，统计系统注肥时间和利用秒表所计量的实际注肥时间，分别计算出均值，实际平均注肥时间与系统平均注肥时间之比即为比例系数N稳。经试验验证，肥液流量大于100 L/h时，N稳值取1；当肥液流量小于等于100 L/h时，N稳值取0.78。

4 系统安装与试验验证

4.1 系统安装

系统整体结构具有轻巧、简易、易携带以及安装方便等特点。设备实物图如图5所示，整体结构采用控制系统与管道系统上下分层结构，控制系统固定在绝缘防水箱体外壳内部，管道系统固定在铝合金支架中，箱体外壳置于支架之上。安装时只需将主管路的进水管口与灌溉水管连接，水肥混合液出口与滴灌设备连接，将水肥一体机的旁支管路的吸肥管插入到营养肥液桶，连接好电源，即可完成轻简水肥一体机的组装工作。

图5 设备实物图Fig.5 Physical equipment diagram

4.2 控肥精度试验验证

试验通过设置不同比例的总水量和总肥量，记录调速完成后的水流量、肥液流量及注肥阶段所用的时间，并测算出计算误差与实际误差，其结果如表1所示。试验中总水量在1 000～2 400 L范围内以200 L间隔进行取值，总肥量固定为10 L，在不同水肥比例下对本系统进行验证。实验中设置湿润、注肥和冲洗三阶段所需水量比为20%：60%：20%，即注肥阶段灌溉水量占灌溉总水量的百分比α为0.6。当注肥阶段开启后，系统进入比例调控过程，以70%的初始占空比启动注肥泵，分别获取水流量、肥液流量，通过公式（6）判断是否在标准水肥比A的误差范围内，其中，误差允许范围系数β设置为0.2。若不在，则以3%的PWM 占空比调整，直至实时水肥比达到误差要求。比例调控过程结束后，记录调速完成后的水流量与肥液流量，其比值与设定的标准水肥比接近，可见，在不同水肥比例要求下，系统可对肥液流量进行精准调控。之后，系统进入稳速注肥过程，通过式（8）计算出稳定注肥时间，以固定肥速将剩余肥液注入到管路中，注肥时间结束后，记录剩余肥量。在多次不同灌溉总量下的实验中，根据肥液流量与注肥时间推导出的计算误差最大为3.2%，实验结束后记录肥液剩余量均少于0.2 L，即实际误差在2%以内。因此，本轻简水肥一体化系统水肥比例调控精度高，调速快，运行稳定，能够满足小规模农业施肥灌溉的需求。

表1 不同灌溉总量下的实验数据Tab.1 Experimental data under different irrigation amount

5 结 论

本文所设计的轻简水肥一体化系统主要针对小规模农业灌溉施肥应用中的高精度及低成本需求展开，根据标准水肥比和测量水速，利用PWM 技术调整肥速实现水肥比例调控。进一步对传感器所测流量及水肥比例调控过程进行修正优化，降低测量误差的影响，提高水肥调控精度。本系统具有精准控水控肥、轻简、易操作、成本低等优点，最终可实现节水节肥、提高水肥利用率、增加农作物产量的目的。