水肥一体化远程施肥机控制系统设计与实现

钱治丞， 宋 博， 刘 勇,2， 曲 颂

(1.黑龙江大学 电子工程学院， 哈尔滨 150080；2.黑龙江东部节水设备有限公司 研发中心， 绥化 150020)

0 引 言

目前，我国传统的农业生产多采用大水漫灌、地表撒肥和穴施等方式，生产过程中农民凭借经验施肥造成的土壤板结、环境污染问题尤为严重，对肥料的有效利用率远低于其他农业大国[1-2]。在农业发达国家主要使用水肥一体化技术灌溉施肥，将水肥混合液通过低压管网输送给作物根部，同时,根据不同作物的需水肥特点，定时、定量和均匀地提供，实现水肥的高效利用[3]。近年来，随着物联网技术的快速发展，以及“智慧农业”概念的提出，许多先进的物联网技术运用到农业生产中，国内外研究人员研究的施肥机，取得了一些成果[4]。2017年， Joseph等设计一套施肥系统，该系统可以根据传感器采集的数据自动控制水泵的开启和关闭，设计了自动混肥系统，能够均匀搅拌肥料[5]。2018年，Rao等设计了一套基于物联网的水肥灌溉系统，该系统可以通过平台计算出作物需水量，并可以通过平台远程操控施肥机[6]。2019年，李欣倪等设计了基于Android平台的变量施肥控制系统，该系统通过手机APP可以查看和控制施肥机，大部分的施肥机实现了水肥一体化的功能，但在实际使用上没有针对我国农田电网实际使用情况进行设计，无法做到施肥量精准控制[7]。

随着劳动力短缺的现象越来越明显，农业用工成本也越来越高，农业向智能化、机械化发展是未来的趋势。施肥灌溉技术是农业发展的基础，其集约化程度会越来越高，对水肥的控制也会越来越精确。因此，需要发展智能农业装备来提高水肥控制精度，减少劳动力成本，增加作物效益，市场应用前景广阔。本文的远程施肥机控制系统以无线通信技术为基础，采用两种无线通信方案用于施肥机和平台连接，可以通过平台远程操控施肥机[8]，完成数据监测、开关量控制、施肥速度设置、水肥混合和水泵等指令控制，同时，针对施肥精度问题，采用PID控制无刷直流电机施肥泵精准施肥控制[9]，并进行定量施肥实验进行验证。

1 系统的总体设计

1.1 系统硬件组成

图1 系统硬件结构图Fig.1 Diagram of system hardware structure

水肥一体化远程施肥机控制系统采用意法半导体的STM32 32位ARM Cortex-M微处理器[10]，控制系统硬件电路主要有电源电路、微处理器电路、通信电路、控制电路、传感电路、电机驱动电路、继电器电路、保护电路和报警电路等功能模块，系统硬件结构图如图1所示。工业直流电源输入的24 V电压将被分别转换为11、5、3.8和3.3 V的直流电压，提供给电机驱动、霍尔信号、继电器、通信等电路系统；按键提供给调试人员和操作人员用于调试或改变系统工作状态；通信模块采用NB和4G模组替换方案和平台进行交互；触摸屏幕用于显示和本地控制施肥机；传感电路用于采集数据；继电器电路用于控制大功率水泵和混肥泵的启停；保护电路包括电机电流保护，过压、欠压保护和温度保护，防止电机在异常工作状态；电机驱动模块采用IR2110S场效应管驱动芯片以及N沟道MOS管IRFS3607设计三相逆变电路，来驱动无刷直流电机旋转；霍尔传感器接口用于读取当前电机位置信息，用于驱动电机旋转和计算电机转速；报警器在控制系统出现异常后，对外输出警示信号。

1.2 硬件设计

在STM32微处理器众多型号中，每个型号都有自己不同的特点，根据施肥机系统功能的复杂程度，本文选用的STM32F103增强型号中的一款STM32F103RCT6芯片作为施肥机控制系统的主控芯片。该芯的核心系统由主控芯片、晶振电路、复位电路、串口通信电路和下载器电路组成，微处理器电路图如图2所示。

图2 微处理器电路

为了实现施肥机的远程控制，本系统采用NB和4G通信模组两种方案连接云平台，施肥机主要工作地点在农场或偏远地区，NB信号不能实现全覆盖，在一些没有覆盖到或者信号质量不佳的地区，施肥机无法和云平台连接，经过查找资料发现4G信号基本实现全覆盖，进行测试表明在这种地方使用4G信号传输效果很好。由于4G模组成本高于NB模组，因此，只在NB信号不佳的种植区使用4G模组作为网络传输模块，该模组的主要作用是将施肥机系统各部分的工作状态和传感器采集到的数据传给云平台，并可以接收来自云平台下发的指令，控制施肥机执行相应的功能，通信电路如图3所示。

图3 通信电路

水泵作为施肥机将水肥溶液传输至灌溉管网的主要动力来源，它的工作电压是AC 220 V，需要通过继电器控制水泵。按键控制用来控制施肥机各个执行功能的开关，按键电路的稳定控制非常重要，所以采用电阻分压加上滤波电容的方式，使中间点电压稳定在3.3 V，保证按键电平的稳定，控制电路如图4所示。

图4 控制电路

由于交流施肥电机功率受电压波动较大，农田电网电压会受到周围大功率设备的影响，导致施肥量无法准确控制。无刷直流电机具有控制精度高、使用寿命长和维护费用低等优点，同时，没有换相电刷，对控制器产生的电磁干扰更小，所以本文采用无刷直流电机施肥泵。施肥泵控制系统主要采用三项逆变桥式驱动电路，由大功率MOSFET驱动芯片电路、驱动缓冲电路和高速光耦隔离电路组成，电路如图5所示。

图5 电机驱动电路

1.3 系统工作原理

水肥一体化远程施肥机控制系统以STM32单片机为核心，搭配远程通讯模块、触摸屏模块和施肥电机驱动模块，通过通讯模块连接上云平台后，远程查看和控制施肥机电磁阀的开关状态、施肥泵、混肥泵和水泵的启停，以及设置不同的施肥方案等，同时施肥机可以把监测到的状态发送给平台，用户可以在远程实时查看，也可以通过触摸屏幕本地查看和控制施肥机。

2 PID控制与软件设计

2.1 PID控制

PID控制是在工业生产过程中最普遍采用的控制方法，特别是在冶金、机械和化工等行业中得到广泛的应用。PID控制采用线性闭环控制方法，是由比例(P)、积分(I)和微分(D)构成的控制算法[13]。PID控制算法的原理是根据系统的误差通过比例、积分和微分计算，来获得控制器的输出量，经过执行机构，再给到被控对象进行控制，其控制原理图如图6所示[14]。

图6 PID控制原理图

将系统期望值r(t)与被控对象的实际输出值y(t)进行计算，得到系统的偏差：

e(t)=r(t)-y(t)

(1)

将偏差乘以比例、积分和微分的加权系数再相加，通过线性组合得到控制量，对被控对象进行控制，叫作PID控制器，PID控制的微分方程为[15]：

(2)

式中：u(t)为控制器的输出量；e(t)为给定值与反馈值的差；Kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。在数字控制系统中，采用求和代替积分，用差分代替微分的方式，对模拟PID进行离散化处理，得到数字式PID，也称位置式PID控制算法，其表达式为：

(3)

式中：e(k)为第k次采样时刻控制系统的偏差值；k为采样序列号；T为采样周期；u(k)为第k次采样时刻控制系统的控制量。采用位置式PID控制算法，积分项把每一次的误差都加在一起，随着采样次数越来越多，PID控制算法所需要的内存空间也越来越大，导致系统控制效率降低，并且一旦系统出现故障，可能会导致u(k)剧烈变化，甚至会产生严重的后果。

为了克服位置式PID控制算法的这个缺点，对位置式PID控制算法加以改进，通过递推原理，可得：

(4)

将式(3)与式(4)相减，可以得到增量式PID控制算法为：

Δu(k)=KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

(5)

在实际的控制系统中，PID控制是根据系统的实际需要来选择，虽然微分环节可以更好地预测误差的变化趋势，减少超调，但是微分项的存在使得整个系统对于高频干扰过于敏感，而在施肥机工作的实际工作环境高频干扰非常严重，如果使用微分项会降低系统的稳定性。所以，在本系统中选择使用增量式PI控制器对施肥泵速度进行闭环控制。

2.2 软件实现

软件设计运用了模块化的编程思想，采用C语言独立编写每个模块程序，最后再进行整体测试。根据施肥机功能要求，施肥机首先初始化单片机，然后判断联网模组类型并进行初始化，连接上云平台后，定时检测平台有无数据下发，并对数据进行处理，执行相应操作，同时定时上传施肥机各功能状态和传感器的数据，施肥机软件流程图及施肥泵流程图如图7所示。

(a) 施肥机软件流程图

(b) 施肥泵流程图

3 系统试验

3.1 试验目的

以搭载水肥一体化远程施肥机控制系统的施肥机为试验对象，测试触摸屏和远程平台操控界面上的开关对施肥机电磁阀开关、水泵、施肥泵和混肥泵的控制能力。同时,将施肥机采集到的数据显示在屏幕和平台上，判定定量施肥能否达到要求和施肥机各项功能运行的稳定性。

3.2 试验条件

对设计的水肥一体化远程施肥机控制系统进行试验，地点为黑龙江省绥化市东部节水公司。控制系统实物图和设备整体连接图如图8所示。其中进水管连接施肥机进水管道，出水口连接水肥混合出水管道，施肥机配备3个装有混肥泵的300 L肥液桶，用于混合稀释、肥液存储，施肥机的施肥泵采用无刷直流电机，在吸肥管道上安装浮子流量计，用于实时观测肥液流量，在出水管道上安装EC和pH传感器，用于检测肥液浓度。

(a) 控制系统实物图

3.3 试验方法

(1) 平台通信试验： 试验中，待控制系统初始化完成后，通过平台查看施肥机采集的数据，控制各继电器开关、施肥泵启停和其他功能选择，实时查看设备的响应、运行情况。

(2) 本地控制试验： 控制系统初始化完成后，通过触摸屏查看施肥机数据，控制施肥机执行各种功能，通过按键触发紧急停止功能，查看设备响应情况。通过定时启停的方式来进行本地自动控制，检验自动控制的可行性。

(3) 精量施肥试验： 在MCGS组态屏上输入理论施肥量，控制系统控制对应电磁阀开启，用量杯测量实际施肥量，选择5 L作为测试理论值，记录5次吸肥量值，取平均值和理论值进行对比，并计算误差。

3.4 结果分析

施肥机监测的数据均能实时显示到触摸屏和平台上，本地控制电磁阀、水泵、施肥泵和混肥泵响应很快，远程控制有较小延迟，基本达到本地控制的效果；在自动运行模式下，设定多种施肥方式，施肥机在设定的时间可以自动启动和停止施肥；在手动模式下可以设定施肥速度和施肥通道的开关。对施肥泵的性能测试发现，实际输出量与理论值的差值很小，偏差范围在可接受范围内，因偏差引起的肥料浓度变化可以忽略。综合考虑，施肥泵性能符合施肥机设计标准，能够满足精量施肥的作业要求。触摸屏控制如图9所示，定量施肥量测试结果如表1所示。

图9 触摸屏控制图

表1 定量施肥量测试

4 结 论

设计了水肥一体化远程施肥机控制系统，将水肥一体化技术与物联网技术、远程控制技术相结合，提高了施肥机功能的多样性，满足当代农业发展需求。在控制系统选择上，采用STM32微处理器可以实现复杂的控制功能，在成本上相比于PLC更加便宜，对于工业干扰问题通过硬件和软件进行处理。通过控制系统中两种通信模组，可以使施肥机工作在不同地区，使得平台远程控制更稳定，解决了传统施肥机只能本地操控的局限性，使灌溉施肥更加方便，降低劳动力。研究表明：系统的响应速度、运行稳定性和施肥量都可以准确控制，肥料的利用效果显著提升，可以在实际的农业生产中使用。