基于云平台的智能水肥一体机控制系统研发

安胜鑫， 王晓丽， 薛宝松， 尹义蕾， 王会强， 饶晨曦， 郭海玲

（1. 河北润农节水科技股份有限公司，河北 唐山 064100； 2. 河北省节水灌溉装备产业技术研究院，河北 唐山 064100；3. 农业农村部规划设计研究院，北京 100125； 4. 河北农业大学，河北 保定 071000）

0 引言

水肥作为影响作物生长的两大因素，其管理合理与否直接影响作物的产量与品质，但由于受技术和发展水平限制，我国传统水肥管理普遍存在管理模式粗放、自动化程度低、水肥浪费严重的问题，尤其是在施肥方面，盲目过量施肥的现象更是普遍，不合理的水肥管理模式不但增加农业生产成本，过量施用的化肥还会对土壤和地下水等造成污染[1]。近年来，水肥一体化技术的大面积推广，不但有效提高了水肥利用率，降低了农业生产成本，同时也极大降低了盲目施肥对环境和地下水造成的污染，提质增效效果显著，配套灌溉施肥设备也由最初的进口、仿制逐步发展到现在具备了自主研发的能力。近年来土地流转、规模化种植和设施栽培的不断发展，为高效水肥一体化技术发展提供了广阔的市场空间，但由于我国水肥一体化技术起步较晚及受传统水肥管理模式的影响，我国水肥一体化技术水平和配套施肥设备与国际先进水平相比仍存在较大差距，配套施肥设备自动化程度和肥液浓度调控精度低的问题尤为突出，难以满足现代农业自动化、精准化、智能化的发展需求[2]。针对以上问题，开发出了一套智能水肥一体机控制系统，借助该系统可通过远程和本地两种相对独立的模式实现对施肥配方、施肥程序及轮灌编组的控制，以及设备运行状态监测等功能，有效提高了水肥利用率和田间水肥管理的自动化程度。

1 控制系统简介及架构设计

智能水肥一体机是借助于智能控制系统将液体肥或可溶性固体肥按设定好的施肥配方和施肥程序均匀、稳定地输送到作物根系活动区的施肥设备，主要由输肥通路、混肥设备、量测系统及控制单元等模块组成。系统运行时借助配套传感器和量测设备可实时采集田间气象、墒情及设备运行状态信息，经分析处理后制定科学合理的水肥管理决策模型并借助控制单元配套电磁阀、搅拌泵等硬件设备进行调控，从而实现灌水施肥过程的定时、定量控制及肥液浓度的精准调控，有效提高水肥利用率和田间管理的自动化程度[3]。

本研究提出了一种基于云平台的智能水肥一体机控制系统实现方案，该系统主要由云服务器、PLC 控制器、配套传感器及田间电磁阀等设备组成，用户借助于云管理平台，可通过远程和本地两种相对独立的控制模式实现对灌水施肥过程的控制及设备运行状态的实时监测。远程控制模式时需调用云管理平台的接口，通过DTU 模块实现与PLC 的通讯，在电脑端或手机APP 端设定轮灌编组及相关控制指令下发到PLC，实现对灌水施肥时间、施肥配方及轮灌编组等的控制。本地控制即直接通过现场操控施肥机的PLC 触摸屏，实现对灌水施肥过程的调控，即使在田间无网络的情况下，也可通过PLC 控制注肥阀、搅拌电机及田间配套电磁阀设备，实现对灌水施肥过程的调控[4-7]。其工作原理如图1 所示，控制系统架构如图2 所示。

图1 智能水肥一体机工作原理Fig. 1 Working principle of intelligent water and fertilizer integrated machine

图2 智能水肥一体机控制系统架构Fig. 2 Control system architecture of intelligent water and fertilizer integrated machine

2 控制系统设计及云管理平台开发

2.1 硬件设备配置

智能水肥一体机控制系统是将信息采集技术和自动控制技术相结合的自动化管理平台，由于田间环境因素复杂，涉及的田间设备较多，若采用有线传输，不但影响田间耕作，设备故障或需要增加新设备时可能需重新布设电路，增加施工成本，因此采用无线通讯的设计方案[8-9]。控制系统主要由PLC 控制器、无线传输模块、田间电磁阀、传感器等硬件设备及配套云服务平台组成，其中，云服务器和DTU 模块之间可实现数据透传，LoRa 网关和解码器之间采用LoRa 通讯协议+自组网的方式通讯，DTU 模块和LoRa 网关之间以PLC 为中继，采用485 通讯方式进行信息传输，DTU与云服务器之间采用GPRS/3G/4G/5G 方式通讯，该通讯方式通讯稳定性好且设备数据传输覆盖面广，满足田间应用需求。无线通讯模块如图3 所示。

图3 无线通讯模块Fig. 3 Wireless communication module

2.2 PLC 控制系统设计

智能水肥一体机控制系统中，PLC 控制器是控制系统的核心部件，可实现相关信息及控制命令的上传下达。PLC 控制器通过与施肥机配套的EC/pH 传感器、流量计、液位传感器、压力传感器等量测设备通讯，实现对灌水施肥过程及设备运行状态信息的实时采集，经系统处理分析后，制定相应的决策模型并对水泵、搅拌电机、各输肥通路注肥阀及田间电磁阀等执行机构发布控制指令，实现对灌水施肥过程的精准调控。其中，系统配套的压力/流量传感器、EC/pH 传感器、DTU 模块、LoRa 网关等均为支持RS485 通讯的设备，通过RS-485 通讯协议可直接与PLC 进行信息传输，从而实现田间水肥管理过程的远程自动控制。PLC 控制系统架构如图4 所示。

图4 PLC 控制系统架构Fig. 4 Architecture of PLC control system

PLC 控制系统的主要功能是根据采集的田间及设备运行状态信息，通过分析处理后对配套设备发布相应的控制指令，从而实现对灌水施肥过程的精准调控[10]。该智能水肥一体机控制系统主要面向大田应用，考虑到大田土壤环境的复杂性和不同作物在不同生长时期需水量各异，灌溉决策系统为一个复杂的随机系统，在缺少大数据支撑条件下，难以建立起与作物水肥需求耦合的水肥管理决策模型，因此本研究主要对施肥比例和施肥程序进行了控制。另一方面，目前大田水肥一体化技术推广应用中，配套田间阀门大多仍依赖人工控制，灌水施肥过程中需专人现场值守，费时费力，为提高田间水肥管理的自动化程度，借助PLC 控制器对轮灌编组功能进行了设计开发[11-12]。智能水肥一体机控制系统借助PLC 控制器主要实现以下功能。

（1）施肥比例调控。本控制系统采用基于脉宽调制（PWM）算法的控制方式，通过调整各施肥（药）通路电磁阀的占空比实现对不同种肥液的比例调控，调控过程中通过EC 传感器对混合好的肥液EC 值进行采集，当采集到的EC 值大于设定的上限值时，表明肥液浓度过大，此时PLC 会通过变频器调节水源水泵，在确保施肥比例不变的前提下，增大灌溉水的流量，降低肥液浓度，反之亦然。为满足不同作物不同时期的水肥管理需求，系统最多可设置10 个不同的比例配方，从而提高肥液调控精度。

（2）灌溉施肥程序调控。智能水肥一体机与水泵、施肥通路控制阀、田间电磁阀等采用关联控制模式，通过PLC 控制器对灌水施肥时间、灌水施肥条件、施肥配方、轮灌组等进行设定。当达到设定施肥时间或施肥条件后，一键开启水源水泵、施肥机及田间电磁阀等，按设定好的施肥配方及轮灌编组进行水肥一体化配施。

（3）轮灌编组。借助于控制系统对灌区内的田间电磁阀进行分组并按顺序进行控制：在PLC 分配特定数量的寄存器，每个寄存器的容量以能储存一个灌区（一台施肥机控制的灌溉面积）内的所有电磁阀n为宜，假设灌区内有m个轮灌单元，则有m个寄存器，每个寄存器用于存储该轮灌单元内所有阀的选中状态，若阀选中则为“1”，若未选中则为“0”。不同灌溉单元（即根据不同作物的需水规律划定的能同时进行水肥一体化配施的区域）内的电磁阀选择完成后，即为设定的轮灌编组。当水肥一体化配施时，发送“开启/关闭”命令，即可一键控制该轮灌编组单元内所有电磁阀的启闭，并按设定好的轮灌组顺序和启闭条件，依次顺序控制各轮灌组的电磁阀，从而控制整个灌水施肥过程，有效提高水肥管理的自动化程度。

（4）数据采集及存储。数据采集包括田间信息及设备运行状态信息两大类，采集的信息一方面为系统水肥管理提供决策支持，另一方面关键数据在客户端和HIMI 屏进行直观显示，便于用户可视化管理。

（5）状态反馈及报警功能。通过PLC 提前设定EC/pH、肥料桶液位、施肥机进出口压力等参数的上下限值，并借助于配套传感器对灌水施肥量、肥液浓度及混肥桶内液位高度等参数进行实时采集及反馈，当设备参数超出设定值时及时为用户发送报警信息，便于用户及时掌握灌水施肥状况，确保系统运行的稳定性。

2.3 云管理平台开发

为实现对灌水施肥过程的远程自动控制，开发了一套智能水肥一体机云管理平台，系统采用PHP 语言开发和B/S 架构体系，并配有MySQL 数据库与应用程序，便于管理和快速访问平台数据[13-15]。平台软件端架构按其功能可分为物理感知层、本地管理层、远程决策层和命令执行层4 个层级。物理感知层是通过不同的传感器对田间气象信息和设备运行状态信息进行实时采集，并将采集到的信息及时上传至云服务器，经处理分析后为用户了解设备运行状态及制定水肥管理决策提供数据支撑。本地管理层是连接远程决策层与命令执行层和感知层的桥梁，不仅可以将执行层的运行状态及感知层采集的信息上传至远程客户端，还可以将远程决策层发出的指令下发至命令执行层。远程决策层主要实现对感知层获取的信息及本地管理层上传的设备运行信息进行分析，并做出科学合理的水肥管理决策。命令执行层主要用于执行系统的各项调控命令，实现对灌水施肥量、灌水施肥时间及施肥配方等的精准调控。借助云管理平台，用户可通过电脑、平板、手机等客户端查看设备运行状态、管理设备数据、设置运行参数等，从而实现对灌水施肥过程的远程控制。主要控制界面如图5 所示。

图5 智能水肥一体机控制界面Fig. 5 Control interface of intelligent water and fertilizer integrated machine

3 性能测试与分析

为测试基于云平台的智能水肥一体机控制系统的功能和稳定性，于2021 年10 月在公司智慧农业研发实验基地开展了相关性能测试试验。研发实验基地占地3.57 hm2，水源水井配套水泵、变频柜、首部过滤器及施肥机各1 台，智能水肥一体机性能测试区内配置有18 个1 寸脉冲电磁阀，划分为3 个轮灌组，每个轮灌组6 个电磁阀，为满足实际应用需求主要对施肥配方调控及田间电磁阀控制指令有效性两项指标进行测试，如图6 所示[16]。

图6 智能水肥一体机性能测试Fig. 6 Performance test of intelligent water and fertilizer integrated machine

（1）施肥配方调控测试。智能水肥一体机的运行稳定性和调控精度直接影响田间水肥管理的有效性，为此以三通路施肥机为研究对象，对其施肥配方调控精度进行了测试。 试验时随机设定了1∶1∶1（50%∶50%∶50%）、1∶2∶3（30%∶60%∶90%）、2∶2∶3（40%∶40%∶60%）的3 种施肥配方，并按设定的施肥配方顺序循环测试。测试时调节系统工作压力达到智能水肥一体机额定工作压力（0.6 MPa），稳定约5 min 后，每间隔2 min 通过施肥管路配套转子流量计读取各个施肥通路吸肥量并记录，取3 次测量的平均值即为施肥机单通路吸肥量。试验结果如表1 所示。

表1 施肥配方调控测试结果Tab. 1 Results of fertilization formula regulation test

实测结果表明，实测配方比例与设定配方比例存在一定的偏差，但偏差较小，满足实际应用需求。分析认为，造成施肥配方存在微小偏差的主要原因是由于施肥机的输肥通路采用基于文丘里原理的水射器进行吸肥，吸肥过程中采用PWM 算法控制施肥通路电磁阀状态时会对水流流态产生一定的影响，使得输肥管路里的肥液处于非均匀流状态从而产生一定偏差。

（2）田间电磁阀控制指令有效性测试。为测试智能水肥一体化控制系统对田间电磁阀控制指令的有效性，测试过程中设置了手动控制和自动控制两个处理。测试时调节系统工作压力达到智能水肥一体机额定工作压力（0.6 MPa），稳定约5 min 后，针对不同控制模式分别开展了20 次测试试验，每次控制指令控制一个轮灌组内6 个电磁阀的启闭。测试结果如表2 所示。

表2 智能灌溉控制指令有效性测试结果Tab. 2 Effectiveness test results of intelligent irrigation control instruction

实测结果表明，测试过程中有少数命令已下发，但设备未响应，分析认为主要是由于户外应用造成个别通信数据丢包，对指令有效性造成了一定影响，但系统配套的状态反馈功能可及时识别出未响应的指令，反馈准确率达到98.3%以上，基本可确保设备稳定、有效运行。

4 结论

针对目前我国水肥一体化技术推广应用中普遍存在的管理模式粗放、自动化程度低、水肥浪费严重等问题，借助于无线通讯技术、自动控制技术及传感器技术等现代技术开发了一套基于云平台的智能水肥一体化控制系统，借助该系统，用户可通过远程和本地两种相对独立的模式实现对施肥配方、施肥程序及轮灌编组等进行调控。相较传统水肥管理模式节省人工80%以上，实测结果表明，系统控制指令的有效性高达98%以上，有效提高了田间水肥管理的自动化程度和精细化水平，符合现代农业的发展需求。