智能水肥一体化系统的应用研究

马伟顺，李合菊，孙锋申

（莱芜职业技术学院，山东　莱芜　271199）

智能水肥一体化系统的应用研究

马伟顺，李合菊，孙锋申

（莱芜职业技术学院，山东莱芜271199）

一体化水肥系统有着智能性，智能系统融汇了日常施肥及灌溉.相比于传统方式，一体性的智能水肥在最大范围内减低了耗费的肥料，节省人工劳动.同时，智能施肥还能防控偏多肥料烧毁植被的根茎，维持于充足的植被养料及水分.依照作物需求，灵活设定养分及水分最佳的比值.设定水肥规划，施肥及灌溉都应均匀，改进持久性的作物产能.针对水肥一体化，智能系统改进了日常施肥，有必要解析智能系统的真实运用.

水肥一体化；智能系统；具体应用

1　智能系统的价值

农业在快速进步，这种进程也耗费了更多水源.灌区正在拓展，然而也耗费更多可用的水源.从现有状态看，可供调配的水源并没能维持均衡，带来了较多浪费.在传统灌溉中，采纳了单一流程的灌溉方式.例如沟灌或大水漫灌，仅可调配40%现有的水源.日常的生产中，肥料总体性的利用实效并不很高，增添了额外的灌区污染.不良灌溉方式加速了板结，水体富营养性[2].

水肥一体化借助于滴灌方式，可调运水肥直至根茎位置.选取这种灌溉，调配水肥提升了实效性，缩减了耗费的总水源.与此同时，滴灌也可增添更高的总收益，粮食产能也在提升.水肥一体性的智能技术可拓展现存的覆盖面，拥有较强的信息实效.智能系统增添了同步性，可搜集多区域内的实时信息.在设置系统时，应能衡量综合性的灌溉调控及水肥测定.智能系统减低了总的功耗，组网可以拓展.这样做，摒除了有线的常用监测，更改初期的设计.系统在运转时，可测定各区段作物表现出来的湿度及温度特性.协调器还可解析各阶段内的灌溉信息，网络调控了水肥的调配.

2　设计系统构架

初期在设计时，智能系统可分成概要的如下部分：电气性的构件、核心的控制器、施肥灌溉配备的管路.本次在设计中，更注重于控制器特定的核心构件.详细来看，核心控制器包含了接口、核心性的最小系统、交互及存储装置、以太网配备的拓展接口.在系统构架内，核心的最小系统即MCU应被看成调控的中心；接口AI用作测定调配的肥料液体，可检测管路压力；接口DO可调控综合性的灌溉泵及电磁阀，同时配备了继电器组[3].存储卡SD可存储概要的灌区地形及历史性的灌区信息.

存储卡可拓展至4G总的容量，最长可存储五年内的灌区信息.针对于交互接口，配备了串口屏幕用作日常的信息互通.以太网也设定了接口，用于后续的灌溉拓展，实时显示了调配的系统状态.在各个灌区内，一体性的水肥系统都可实时搜集数值、传输灌溉信息.对于监测平台，增设了软件的组态王，实时发送综合性的灌区温湿度.经过监测以后，电磁阀可接收反馈回来的实时信息，系统由此而拥有了智能性.

3　智能调控的硬件

一体调控的智能水肥系统设有微控制器，配备了STM内核.日常在传输时，最高可达存储器1M总的字节.针对最大频率，测定为150MHz.系统外设很充足，符合了实时性的传输特性.针对串口设计，采纳了接口配备的串口屏，即USART规格的串口.初期在调试时，可选RS485特定的调试串口.采集芯片衔接于串口，实时输入了数值.SD卡也串联于串口，系统拥有着高层次的存储性.功率驱动可用作调控模块的继电器，这样做吻合了预设的系统性能.在外设设计中，以太网还可继续予以拓展.从总体硬件来看，系统设定了晶振、最小的MCU、调试口及复位装置、电源装置、配置的启动模式[4].

首先，接口DO可显示实时性的控制信息，输出这种信息.DO衔接于继电器特定的电气位置，用作调控智能性的执行机构.在现存系统内，这类模块密切衔接了电磁阀，灌溉泵调控了液体流经的肥料通道.功率驱动器设定了较小的总功率，可拓展至开关较小功率的端子位置.电气部分被接入了装置，可实时调控各阶段内的强弱电.

其次，针对于人机交互，串口屏也设定了交互的途径.控制器及触摸屏应能随时交互，互通灌溉的信息.显示了实时的数据，人机交互代表了系统状态.此外，显示屏还可用作增设用户特定的某些参数.从硬件角度看，隔离模块及转换电平的模块都被归入硬件范围，由此也设计了一体性的交互接口[5].

该管线外输天然气气质每年定期进行分析。图7以2014年度为例，分别给出了上游集气总站和下游门站的H 2 S、CO2含量以及水露点等参数的变化情况。油田外输天然气为二类净化天然气，按照GB 17820-2012《天然气》的规定[18]，其ρ(H 2 S)应≤20 mg/m3，但从图7(a)可看出，集气总站出站时的H 2 S含量多次出现超标现象，最高超标可达11倍。而到下游门站含量恢复正常。CO2含量总体符合GB 17820-2012的规定，偶尔出现超标现象，但超标幅度不大(见图7(b))。

第三，接口AI可搜集并输入精准的模拟量，采集这类信息.从日常检测来看，这类接口可用作测定电压信号、经由的电流信号、热敏性的电阻值.经过独特的接口设计，单一接口可衔接于三类检测.依照拟定的说明，配置智能系统注重于设置接口.有源滤波器随时都可输入信号，转换芯片设定为ADC.例如：某公司配备了数模转换必备的接口装置，AI接口测定了各时段的输入信息，检测精确的压力.

4　系统配备的软件

一体水肥的控制装置可接受实时性的控制参数，用户输入了初期信息.灌溉控制配备了自动化，施肥及灌溉都可拟定自动的流程.与此同时，控制器还可记下概要性的灌区地貌，查询灌区信息.在初始化中，系统配备了主循环构件并且增设了执行标识.设置控制周期，则应依照给出来的标识位置，定时器自动予以设置.

4.1配套的智能软件

设置串口屏后，交互性的人机软件即可搜集精准的智能信息，增添了交互性的智能串口.控制器及配套的串口应能彼此交互，交互对象设定为设置的灌溉数据、显示的信息、用户自身的信息.控制器还可接收返回来的按键信息及触摸屏信息，控制器端发送了实时的串口数值.在本次设计中，筛选了两类灌溉控制，分别为定时及周时钟的模式[6].详细来看，在时钟模式下，用户可单独增设各星期内的灌溉参数；在定时模式下，各灌区都设有可供筛选的定时器，激活定时器而后即可启动施肥.设置参数包含：启动灌溉的精确时点、激活施肥的状态、启动的总次数.定时器也需要被激活，要参照于启动时间.

在调控水肥时，依照给出来的用户模式予以设置，筛选必备的控制策略.在这之后，用户还可增设配套性的后续设置.若当天就要激活，控制链表将会增设选出来的参数，而后进入模块处理.

4.2调配水肥的计算思路

智能模块可用作调控配肥，可准许增设必要的配方.在设定内容时，施肥配方包含预留的施肥通道、精确的配方内容、上限及设定值、针对激活的控制.此外，水肥调配还预设了最优的肥料及液体比值，增设了施肥下限.在各个灌区内，都应配备灌区控制.可选的策略包含定时及周时钟，拟定了各灌区专用性的配方号.

产生了参数后，启用自动性的配肥调控.具体来看，配肥可分成详尽的两类算法：闭环性的控制、相应的开环控制.EC特定的配方号关系到状态的激活：若激活了控制，则设定于闭环控制；若没能予以激活，应为开环控制.经过详细设置，灌溉算法可用于后续的执行.在配备灌溉策略时，先要衡量是否激活配肥；给出决策之后，即可增设控制性的配肥参数[7].

4.3闭环及开环两类的程序

针对于配肥控制，系统拟定了如下参数：施肥的时间、灌区编号、配方编号、需要灌溉的总肥料量.开环控制增设了液体及肥料的精确比值，还需依照选定的肥料通道，详尽调配综合性的通道总数.吸肥的速度也可调节，给出特定的控制周期.例如：接收了控制参数，特定灌区对应了这一参数.在施肥处理中，就要预设如下的各步骤：若堆空间没能被填满，则可始终确保参数的接收；然而，在选定的某一阶段内，还需符合一致的配方编号.在这时，运算得出的参数总和表征了精准的输出时间.若达到了设定好的控制参数，则删掉链表固有的这一点.反复执行操作，直至清除了链表.

与之相对，闭环控制预设了EC的肥液比值，用于智能调控.PID算法拟定了增量的标准形式，在某一时点即可代表隐含的偏差值.针对系统输出，给出了可选的精确算法，同时给出了位置式.软件在实现时，保留了最近几次录入的系统偏差.初期筛选参数时，要依照根本的机理予以建模.可选取整定方法，先期预设为零的参数.经过了预设后，再去拟定最合适的采样周期.应当注意的是：若增设了单一的比例控制，则增加比例直至引发了振动，记下这一时点的系数.在这种基础上，可设置于70%总的参数比值[8].此外，还要调控现存的积分参数，直至获取最佳的响应.可微调PID，直到确保性能是最佳的.

5　应用中的要点

设置的智能性节点拥有较低功耗、较强的自愈性、自组网的特性.软硬件配备的节点内设了路由及协调器.在各个时段内，都可接收并发出精准的水肥比值.芯片设置了内核，拟定了通信协议.这样的基础上，更便利了无线性的水肥信息收发.未来的尝试中，还可增设拓扑类的树状架构，路由节点可用作传递专门性的水肥数据.设定了自组网，协调器可传递现有的水肥信息.在这时，协调器拥有全功能的各类构件，节点传递了路由参数.RS232衔接于监控中心，这样即可吻合串口传输[9].

一体化水肥灌溉优选滴灌的途径，调控的流量不可太快，也不应该过多.针对这种需求，可增设调控性的电磁阀.在混合池内，综合调配了多样的肥料.系统内置粉态及液态两类阀门，电磁阀可设定为某一型号.选购的电磁阀要拥有耐腐蚀的优良特性，慎重防控肥料阻塞管路.依托自身重力，倒入肥料而后混合.

6　结语

从灌溉现状看，灌区可供调配的水肥仍没能均衡，这种状态下也耗费了偏多的灌区水源.与此同时，若没能妥善调用肥料，则增添了额外更多的肥料耗费，也没能提升至最佳的施肥实效.采纳水肥一体化，滴灌至根茎处的养分可直达作物，减低了耗费的资源且拥有最优的施肥效率.未来的实践中，还应摸索并归纳珍贵的一体化施肥经验，从根本入手提升系统的智能性.

〔1〕孙宜田,李青龙,孙永佳，等.基于模糊控制的水肥药一体化系统研究[J].农机化研究,2015（08）:203-207.

〔2〕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（04）:14-19+63.

〔3〕邓晓栋,张文清,翁绍捷.基于ZigBee的水肥一体化智能灌溉系统设计[J].湖北农业科学,2015（54）:690-692+696.

〔4〕郭强,汤璐,郭佳，等.基于STM32的智能水肥一体化控制系统的设计[J].工业控制计算机,2015（04）:38-39+42.

〔5〕钟勇法,张富民.设施葡萄智能水肥一体化技术试验研究[J].河北林业科技,2015（04）:35-37.

〔6〕李锋,陈学东,张建华.基于组态技术枸杞水肥一体化智能控制系统设计[J].宁夏农林科技,2015（56）:85-87+2.

〔7〕张华.智能水肥一体化试验示范以及应用技术[J].福建农业科技,2012（09）:70-71.

〔8〕邓晓栋,翁绍捷.基于Android平台的智能水肥灌溉系统设计[J].广东农业科学,2014（09）:203-206.

〔9〕赵金胜.大田物联网水肥一体化技术[J].农业与技术,2016（36）:34-35.

S275

A

1673-260X（2016）09-0040-02

2016-05-08

基于STM32的水肥一体化控制系统（2015jsky04）