（控制理论与控制工程专业论文）基于嵌入式的灌溉施肥系统的研究.pdf

摘要 摘要 精确灌溉施肥是一种将水肥供应通过灌溉结合起来的现代农业技术，它的主 要优点是施肥均匀、准确，可以有效提高水和肥的利用效率。为提高施肥质量和 效率，促进我国农业可持续发展，在北京市优秀人才项目( 2 0 0 6 1 d 0 2 0 0 5 0 0 4 2 ) 的支持下，研究开发了一套自动灌溉施肥系统。该系统可以根据用户的设置自动 调节灌溉施肥过程中肥料溶液的电导率和酸碱度，使其与植物的需要相适应，促 进植物根系对养分的吸收，提高作物的产量和质量。 根据系统需求完成了灌溉施肥系统的总体设计，灌溉施肥系统的管路系统主 要采用大流量文丘里、过滤器、电磁阀、高压水泵等组成。为了对施肥时间、施 肥过程中的电导率和p h 、施肥比例等相关参数进行实时监测和控制，设计了一 套通用的数据采集控制系统。该系统以m i n i a r m 工控模块为核心，以基于r s 4 8 5 总线通讯的数据采集控制模块为前端实现分布式的信息采集与控制任务。 采集控制模块以c 8 0 5 1 f 3 3 0 单片机为控制核心，主要功能是与核心模块以标 准的m o d b u s 协议通过r s - 4 8 5 总线进行通信，实现对电流、电压、状态量、频率 量的采集以及对开关量的控制。c 8 0 5 1 f 3 3 0 单片机内部硬件资源十分丰富，只需 要设计外围的接口电路和处理电路，通过软件编程即可实现全部要求的功能。 r s 一4 8 5 总线的可靠性对于本采集控制系统来说非常重要，因此在设计中对采集 控制模块的r s - 4 8 5 接口电路的通讯能力做了测试。 m i n i a r m 工控模块拥有丰富的硬件资源，只需设计相关的外围电路就可使 用。同时它内嵌p c o s i i 实时操作系统等丰富的软件资源，通过多任务编程， 完整的实现了人机界面显示、数据采集和存储、文件管理、设备控制、远程访问 等功能。 针对肥料溶液混合过程中电导率和酸碱度比较难控制的情况，借助于模糊控 制器的常规设计方法，分别设计了肥料溶液在线自动混合的电导率模糊控制器和 p h 模糊控制器。编写了模糊运算程序，计算出了电导率和p h 的模糊控制查询 表。为了对模糊控制算法进行验证，设计了灌溉施肥试验系统。在试验前使用标 准溶液对电导率传感器和p h 传感器进行了校准和测试，解决了电导率传感器和 p h 传感器互相影响的问题。在确定了控制周期后，在试验系统上对模糊控制算 法进行了试验。从试验结果来看，模糊控制器的控制效果较好，满足系统要求。 该自动灌溉施肥系统人机界面友好、功能强大、实用性强。设计的数据采集 控制系统，可方便的移植到其它应用系统中。 关键词：灌溉施肥嵌入式系统数据采集模糊控制m o d b u sr s 一4 8 5 总线 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep r e c i s i o nf e r t i g a t i o nw h i c hr e f e r st ot h es u p p l yo fw a t e ra n df e r t i l i z e r t h r o u g ht h ei r r i g a t i o n ，i t sa d v a n t a g e l i e si nf e r t i l i z i n gu n i f o r m l ya n da c c u r a t e l ya n dt h e u s ee f f i c i e n c yo fw a t e ra n df e r t i l i z e rc a nb ei m p r o v e d i no r d e rt oe n h a n c et h eq u a l i t y a n de f f i c i e n c yo ff e r t i l i z a t i o nt op r o m o t et h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fa g r i c u l t u r e ，a s e to fa u t o m a t i cf e r t i g a t i o ns y s t e mw a sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e ds u p p o r t e db yt h e b e i j i n ge x c e l l e n tt a l e n t ss u b s i d i z e dp r o j e c t t h ec o n d u c t i v i t ya n dp ho ff e r t i l i z e r s o l u t i o nc a nb ea u t o m a t i c l l ya d j u s t e di nt h ef e r t i l i z a t i o np r o c e s s ，a c c o r d i n gt ot h e c u r r e n tu s e rs e t t i n g s t h i sa p p l i c a t i o ne n a b l e st h ef e r t i l i z e rs u p p l yt om a t c hw i t hp l a n t n e e d s ，w h i c hr e s u l t si nh i g h e rc r o py i e l d sa n dr e d u c e de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nr i s k s o v e r a l ld e s i g nw a sc o m p l e t e di na c c o r d a n c ew i t hs y s t e mr e q u i r e m e n t s p i p e l i n e s y s t e mi sc o m p o s e db yt h eh i g h - v o l u m ev e n t u r , f i l t e r s ，s o l e n o i dv a l v e s ，h i g h p r e s s u r e ， e t c i no r d e rt om o n i t o r i n gf e r t i l i z e ra p p l i c a t i o nt i m e ，t h ec o n d u c t i v i t ya n dp h ，a n d o t h e rr e l a t e dp a r a m e t e r si nt h e p r o c e s so ff e r t i l i z a t i o n ，a s e to fc o m m o nd a t a a c q u i s i t i o nc o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e d t h ea c q u i s i t i o na n dc o n t r o ls y s t e mt a k e m i n i a r mi n d u s t r i a lc o n t r o lm o d u l ea sn u c l e u s ，a n dd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ea n d c o n t r o lm o d u l ea sf r o n t e n dt oi m p l e m e n tt h ed i s t r i b u t e di n f o r m a t i o nc o l l e c t i o na n d c o n t r o lt a s k s d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ea n dc o n t r o lm o d u l et a k ec 8 0 51 f 3 3 0s i n g l ec h i p m i c r o c o m p u t e ra sn u c l e u s ，a n dw a sc o n n e c t e dv i ar s 4 85b u sa n dc o m m u n i c a r e d w i t hc o r em o d u l eb a s e do nm o d b u sp r o t o c 0 1 d i f f e r e n tt y p e so fs i g n a ls u c ha s v o l t a g e ，c u r r e n t ，p u l s e f r e q u e n c ya n ds t a t u sc a nb ec o l l e c t e db yt h ea c q u i s i t i o n m o d u l e ，a n ds w i t c hs i g n a lc a nb ec o n t r o l l e db yt h ec o n t r o lm o d u l e t h ei n t e r n a l h a r d w a r er e s o u r c eo ft h ec 8 0 51 f 3 3 0i sv e r yr i c h t h e r e f o r eo n l yn e e das m a l l n u m b e ro fp e r i p h e r a li n t e r f a c ec i r c u i ta n dp r o c e s s i n gc i r c u i t ，t h ef u n c t i o n so ft h e s y s t e mr e q u i r e m e n t sc a l lb er e a l i z e dt h r o u g hs o f t w a r ep r o g r a m m i n g t h er e l i a b i l i t yo f r s 一4 8 5b u si sv e r yi m p o r t a n tf o rt h e d a t a a c q u i s i t i o n c o n t r o l s y s t e m ，s o c o m m u n i c a t i o n sc a p a b i l i t yw e r et e s t e di nt h ed e s i g n t h ei n t e r n a lh a r d w a r er e s o u r c eo ft h em i n i a r mi n d u s t r i a lc o n t r o lm o d u l ei sv e r y r i c h t h e r e f o r eo n l yn e e das m a l ln u m b e ro fp e r i p h e r a li n t e r f a c ec i r c u i t ，t h es y s t e m w i l lw o r kp r o p e r l y a tt h es a m et i m e ，s y s t e ms o f t w a r eh a sav e r yr i c hr e s o u r c e ，s u c h a sp c o s i io p e r m m gs y s t e m t h r o u g hm u l t i t a s kp r o g r a m m i n g ，h u m a n - m a c h i n e i n t e r f a c ed i s p l a y , d a t aa c q u i s i t i o na n ds t o r a g e ，f i l em a n a g e m e n t ，d e v i c ec o n t r o l ， r e m o t ea c c e s sa n do t h e rf u n c t i o n sw e r er e a l i z e di nt h i ss y s t e m i i a b s t r a c t t h ec o n t r o ls y s t e mo fe c ( c o n d u c t i v i t y ) a n dp h ( a c i d i t y ) i san o n l i n e a rd e l a y s y s t e m ，a n di ti sv e r yd i f f i c u l tt of i n di t sm a t h e m a t i cm o d u l e t h e r e f o r e ，f u z z yl o g i c c o n t r o lt e c h n o l o g yh a sb e e np r o p o s e dt or e a l i z et h es y s t e mc o n t r o lf u n c t i o n f u z z y c o n t r o l l e ro fe ca n dp hw e r ed e s i g n e da n dt h e i rf u z z yc o n t r o lt a b l e sw e r eo b t a i n e d t h r o u g hf u z z yc o m p u t i n gp r o c e d u r e s 。b e f o r et h et e s t ，t h ec o n d u c t i v i t ys e n s o ra n dp h s e n s o rw e r ea d j u s t e d ，u s i n gas t a n d a r ds o l u t i o n t h em u t u a li n f l u e n c eb e t w e e n c o n d u c t i v i t ys e n s o ra n dp hs e n s o rw a ss o l v e d a f t e rd e t e r m i n i n gt h ec o n t r o lc y c l e ， f u z z yc o n t r o la l g o r i t h mw a st e s t e di nt h et e s ts y s t e m p r o v e db ye x p e r i m e n t ，t h ef u z z y c o n t r o l l e r sw e r eq u a l i f i e dt om e e tt h en e e do ft h es y s t e mr e q u i r e m e n t s t h ea u t o m a t i cf e r t i g a t i o n s y s t e mh a sa d v a n t a g e so ff r i e n d l ym a n m a c h i n e i n t e r f a c e ，p o w e r f u lf u n c t i o n ，a n dh i g hp e r f o r m a n c e - p r i c er a t i oe t c a n dt h ea c q u i s i t i o n a n dc o n t r o ls y s t e mc a nb ee a s i l yt r a n s p l a n t e dt oo t h e ra p p l i c a t i o n so ft h es y s t e m k e yw o r d s ：f e r t i g a t i o n ，e m b e d d e ds y s t e m ，d a t aa c q u i s i t i o n ，f u z z yc o n t r o l ，m o d b u s ， r s 一4 8 5b u s i i i 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：一 年月日 第一章概述 1 1 灌溉施肥技术介绍 第一章概述 灌溉施肥( f e r t i g a t i o n ) 是将施肥( f e r t i l i z a t i o n ) 与灌溉( i r r i g a t i o n ) 结合 在一起的一项农业技术，它是借助压力灌溉系统，在灌溉的同时将由固体肥料 或液体肥料配兑而成的肥液一起输入到作物根部土壤的一种方法( n e i l s e ne ta 1 1 9 9 8 ) 。灌溉施肥技术可以明显提高灌溉水和肥料的利用率、促进作物增产、 改善产品品质、减少田间作业用工。这项技术适用于设施栽培、无土栽培、果 树栽培以及干旱沙漠地区等多种栽培条件。由于可以根据作物的营养需求规律， 有效地控制施肥量、施肥时间和灌水量，避免了化肥淋洗造成土壤和地下水污 染，以及过量施肥和灌溉带来的土壤板结等问题。 随着水资源的日趋紧张，世界各国都在积极探索行之有效的节水途径和措 施。2 0 世纪8 0 年代末期，西方等国由于农业生产的高度现代化，农业机械己 开始向自动化方向发展，但能源浪费、资源枯竭等因素迫使科研人员开始着手 考虑新的农业生产方式，如生态农业、高效农业。其目的就是利用有限资源， 在对农业现状进行分析的基础上，通过对农业生产的微观处理，改粗放型农业 为精细农业，精确的投入和管理以节约能源，改善生态环境，提高农业生产水 平( d o u g h e r t ye ta 1 2 0 0 7 ；朱兆良，2 0 0 3 ；汪懋华，1 9 9 9 ) 。由于对肥料用量的 控制越来越精确，最初需要手工来调节肥料罐的进流量和出流量，后来应用机 械化设备来自动控制水和肥料的同步供应。在一些发达国家，如以色列、美国、 加拿大，传感器技术和自动化控制技术发展比较成熟，己开发了智能化程度和 控制精度较高的智能灌溉施肥系统，而且得到了广泛应用。 进入2 1 世纪，传统农业正向现代农业转化，精确农业是具有超前性的农业 高新技术，它代表着国际农业发展的新趋势。精确灌溉与施肥是伴随精确农业 的产生而产生，并伴随着精确农业的发展而发展的，精确灌溉不仅可以大大提 高农田水的利用率( 达8 0 9 0 ) ，提高水对农业的增产率( 达2 0 4 0 ) ， 还可以提高水分的生产效率( 张承林等，2 0 0 6 ) 。肥是打开水土系统生产效能 的钥匙，运用精确农业施肥技术，可以提高肥料对土壤、作物的针对性和准确 性，又可提高作物吸收养分的能力，实现精确灌溉与施肥将对农业可持续发展 起到重要作用。 农业在追求作物的最高产量、最佳品质和最低生产成本的同时也要保持可 持续发展。实现这个目标的前提是要有一个最优且平衡的水分和养分的供应。 第一章概述 环境、土地和水资源的保护也是我们需考虑的另一个重要方面。通常要根据作 物对养分的需求来供应养分。精准灌溉施肥技术，一种将水肥供应通过灌溉结 合起来的现代农业技术，不但可实现产量的最大化，同时它对环境所产生的污 染也达到最小。与传统的农业操作方式相比，精确灌溉施肥技术具有无可比拟 的有点。它将灌溉与施肥有机结合，合理统筹运用这两项技术，达到以肥调水， 以水促肥，发挥精确灌溉施肥的最大功效。采用灌溉施肥技术可以方便地调节 灌溉水中营养物质的数量和浓度，使其与植物的需要和气候条件相适应，可以 大幅度提高化肥利用率，提高养分的有效性，促进植物根系对养分的吸收，提 高作物的产量和质量，减轻对环境的污染( 李伏生等，2 0 0 0 ) 。 1 2 国内外研究现状和发展趋势 1 2 1 国外研究状况 国外一些发达国家，如美国、以色列和加拿大等国，运用先进的电子技术、 计算机和控制技术，在灌溉施肥自动控制技术方面起步较早，并且日趋成熟。 这些国家从最早的水利控制、机械控制，到后来的机械电子混合协调式控制， 到当前应用广泛的计算机控制、神经网络控制等，控制精度和智能化程度越来 越高，可靠性越来越好，操作也越来越简便( d u m a n s k ie t a 1 1 9 8 3 ；r o b e r r t1 9 9 9 ) 。 真正的计算机控制灌溉起源于以色列，最初的灌溉控制器是一个简单的定 时器，这可以看作是灌溉与施肥自动化控制的第一阶段。随着电子技术和计算 机技术的发展，出现了简单的灌溉控制器，它将灌水和施肥同步进行，既能检 测土壤水分信息和养分信息，同时当某些参数超限或出现机械故障时，系统还 能进行自动报警( 张定祥等，2 0 0 2 ) 。 随着控制技术和传感器技术的发展以色列开发出了现代诊断式控制器，这 种控制器可以把以前不可能采集的信息通过不同的传感器来获得，通过i n t e m e t 网、远程控制、g s m 等来实现数据传输，然后用计算机中的一些模型来处理信 息，做出灌溉施肥计划。以色列拥有世界上生产农业计算机控制系统的主导企 业爱尔达一样利( e l d a r - s h a n y ) 自控技术公司，他们开发了一系列可编程控制器。 e l g a l - a g r o 大型农用灌溉计算机控制系统，能够通过不同的通讯方式从任何距 离自动和精确的实施灌溉、施肥过程。近年来，美国的瓦尔蒙物公司和a r s 公 司共同开发出一种可实现农田自动灌溉的红外湿度计，只要把这种湿度计安装 在灌溉系统上，每6 秒钟就可读取一次植物页面湿度数据，当植物需要水时， 湿度计就会通过计算机发出灌溉指令及时启动灌溉系统，实施自动灌溉。加拿 2 第一章概述 大、澳大利亚、日本、韩国等国家和地区也都成功的开发了灌溉与施肥自动化 控制系统，比较有代表性的是澳大利亚研制成功的m i c r o m a s t e r 系列产品， 该系统采用分布式布置，可与上位机双向通信，用微机对其进行编程操作和对 其子控制器进行控制，并能用微机随时监控灌溉系统的工作状况( 刘继芬等， 2 0 0 4 ：张晓辉等，2 0 0 2 ) 。 在2 0 世纪多种数值模拟计算机技术发展成熟的基础上，运用智能科学和人 工智能计算技术构造与农田灌溉中的作物一水一土融合模型( i r r i g a t i o n i n t e l l i g e n tm o d e l ，i i m ) ，用来解决灌溉原理中的作物一水一土关系仿真问题。i i m 吸收了传统的物理模型和数据模型的优点，在形成复合模型的基础上，融入智 能化技术，进而发展形成具有模拟过程和模拟结果的彩显仿真的智能化模拟模 型，并具有智能故障诊断识别能力，数据智能挖掘潜力，形成科学智能问题， 被认为是今后最后前途的发展方向( 鲁燕等，2 0 0 4 ；王克林，李文祥，2 0 0 0 ) 。 1 2 2 国内研究状况 当前计算机控制技术在我国众多领域获得了前所未有的广泛应用，许多部 门从传统的以人为主的管理方式进入了以计算机控制技术为手段的自动化监控 与调度的先进管理模式。但在灌溉施肥领域内，我国的自动化程度与发达国家 相比差距较大，真正大规模的灌溉施肥计算机监控系统的应用并不多见。 毛慎建、张文革等人在智能化灌溉控制器研制中，介绍了以8 0 3 1 单片机为 核心的全自动化灌溉与施肥控制器，该控制器可以按照任意设定周期进行灌溉 控制，也可以根据检测到的土壤水分状况进行闭环控制，能够控制多路灌溉系 统进行多种方式灌溉( 毛慎建等，1 9 9 5 ) 。朱张青、曹成茂在多用途节水灌溉 控制系统研制中，介绍了一种以单片机控制为核心，能够适应多种作物的节水 灌溉控制系统，该系统研制时充分考虑各种作物的特点，综合选择与灌溉施肥 控制密切相关的三个因素作为综合控制对象( 朱张青，2 0 0 1 ) 。李锐，袁军等人 研制了灌溉及施肥控制系统，采用单片机作为主控制器，主要检测施肥过程中 的电导率( e c ) 和酸碱度( p h ) ，并把模糊控制应用于施肥过程的控制( 李锐等， 2 0 0 1 ) 。程月华，毛罕平等人在营养液供给控制系统中，将p i d 算法应用到对电 导率和酸碱度的控制中( 程月华等，2 0 0 2 ) 。国内的精确灌溉施肥产品虽然也 解决了一部分关键的问题，但是与国外同类产品相比还有很大的差距( 杨仁全 等，2 0 0 5 ) 。 1 2 3 发展趋势 3 第一章概述 由于对于作物灌溉施肥过程的控制是一个大延迟，非线性复杂系统，采用 传统的控制方法很难得到满意的结果。近年来由于人工智能的发展，使得人工 智能技术在灌溉施肥中的应用显示出广阔的前景，其中包括用专家系统、模糊 逻辑系统、神经网络来预测和建模。灌溉施肥控制器使用这些智能技术能够及 时准确的预测环境参数，同时调节这些参数使其更适合作物的生长( z h uy a n e t a 1 2 0 0 3 ) 。 1 3 研究目的和意义 随着我国区域经济的发展，工业用水，城市用水和农业用水间的矛盾加剧。 国民经济的发展势必要消减农业用水的比例。同时中国是个农业大国，2 6 亿多 亩农作物，每年需播撒化肥近亿吨。我国是世界上化肥使用量最多的国家，在 当季肥料利用率中，氮肥为3 0 - - - 5 0 ，磷肥为1 0 - - - 一2 5 ，钾肥为5 0 。随 着科技和经济的快速发展，传统的灌溉和施肥方式暴露出了越来越多的弊端。 常常由于过量灌溉和施肥造成水肥流失而引起的地下水质差和土壤板结，水源 的化学污染、系统的管网化学腐蚀、农药过量施用等问题( 武志杰，1 9 9 7 ) 。 自动灌溉施肥系统的主要工作原理是：通过高精度的e c ( 电导率) 、p h ( 酸 碱度) 传感器采集栽培植物的土壤和输肥管道肥料成分的资料，传输到采集控 制器中。控制器根据不同作物要求的e c 、p h 值与采集到的值相比较，通过控 制施肥泵自动调节的施肥速率和肥料溶液的配比，从而形成闭环测控系统( 李凯 等，2 0 0 1 ) 。国外已经研制了多种性能先进、工作可靠的自动灌溉施肥系统，如 由以色列研制的f e r t i g a 自动灌溉施肥机和欧洲的u u t r i j e t 自动灌溉施肥机等。 但是由于进口设备价格昂贵，成本较高，不符合我国操作习惯，很难在国内推 广。因此国内急需价格低廉，自动化程度较高的灌溉及施肥控制系统。 经过多年的发展，国外灌溉施肥控制器已趋于成熟，系列化，但价格昂贵， 国内虽然引进一些，但多数是在农业示范区，科研单位以及各大高校。虽然国 外生产的灌溉施肥控制系统性能优越，但没有考虑我国特殊的自然、气候、土 地资源、农民经济状况等因素，因而国外引进的灌溉施肥控制设备在国内应用 并不普及。国内也有相关自动灌溉施肥系统，但只能对施肥过程实现简单的控 制，自动化程度不高，实用性不强。随着中国现代化进程的加快，农业结构调 整、以及我国加入w t 0 等因素，对农业灌溉施肥自动化技术的要求会越来越高， 在我国可根据国情和各地经济和技术发展的实际情况，采取简单可行的灌溉施 肥控制系统，大力发展可靠、实用、成本低、操作简便的节水灌溉施肥控制器， 不仅具有广阔的市场，而且具有巨大的社会和经济效益( 夏敬源，2 0 0 6 ) 。 4 第一章概述 针对我国灌溉施肥系统自动程度不高，实用性不强的现状，以能够在实际 生产中应用为目标，针对灌溉自动化与肥料溶液混合控制技术进行深入研究。 利用传感器技术、自动控制技术、信息采集与处理技术，研发基于m i n i a r m 工控模块的嵌入式施肥灌溉控制系统，该系统能够对施肥过程中的施肥浓度及 施肥比例以及施肥时间进行精确控制，同时易于安装、操作方便，价格低廉。 如果该系统能够在农业自动化生产中广泛的应用，这对于提高我国农产品产量， 节约产品成本，减小环境污染有重要意义。 1 4 主要的研究内容 自动灌溉施肥系统一般主要包括四部分：水源、中心控制组件、管网系统 和灌水器。其中中心控制组件包括水泵、过滤器、灌溉泵、压力和流量监测设 备、压力保护装置、施肥设备和自动化控制设备。管网系统包括各级主支管道， 各种口径的管道控制阀门，排污设备，田间枢纽，毛管等( 李冬光等，2 0 0 2 ) 。 本研究重要设计中心控制组件部分，集中利用计算机技术及自动化控制技术实 现自动灌溉和施肥。 在国外已成熟的灌溉施肥产品中，自动灌溉施肥系统的实现方案有多种。 它们主要组成部分大致相同，主要有主控器、水泵、灌溉网络、过滤器、肥料 液混合装置、各种传感器、电磁阀及其它监控水路压力及流量的装置等，但在 实现自动灌溉营养液混合的方案上各有特色。系统吸肥方式有泵注方式、文丘 里式、压差式、水驱动混合注入式等( l ij i u s h e n ge ta 1 2 0 0 7 ) 。自动灌溉施肥系 统产品一般采用上述某种吸肥方式吸肥，肥料溶液与水在混合灌中混合，再由 水泵把混合后的溶液注入灌溉主管，检测主管灌溉水流中营养液浓度作为给控 制器的反馈值，实现溶液的浓度和酸碱度的在线混合和控制。 本课题根据实际应用需要，结合先进的微灌技术，研究可移动的旁路式灌 溉施肥系统。可以根据用户设置的灌溉与施肥方案或根据不同作物的需求，实 现对肥料溶液浓度的在线自动混合控制以及自动灌溉施肥。本课题的研究包括 以下几个方面的内容： 1 研究开发应用于灌溉施肥系统的数据采集控制系统。该系统以m i n i a r m 工控模块为核心，以数据采集控制模块为前端。前端可实现对电压、电流、脉 冲频率、状态量等各种类型信号的采集和开关量控制，与核心模块之间以标准 的m o d d b u s 协议通过r s 4 8 5 总线实现通讯。通过系统硬件扩展和软件开发，系 统可完整地实现数据采集、存储、显示等，满足各种设施环境的智能控制与管 理。 5 第一章概述 2 研究将用于施肥过程中的电导率和酸碱度的模糊控制算法。由于肥料溶 液在施肥过程中是在线混合的，即混合系统是一个实时的，大延迟的，有不确 定因素的复杂系统，系统的滞后和惯性都很大，因此对于肥料溶液e c ( 电导率) 和p h ( 酸碱度) 控制的传递函数很难确定。而控制系统的执行机构是只有两种 工作状态的开关电磁阀，用传统控制方法不易得到较好的控制结果，因此本系 统选用模糊逻辑控制方法，提高施肥过程中的控制精度。 3 研发水肥一体化自动灌溉施肥系统。该系统由管路子系统和采集控制子 系统两个部分组成。管路子系统采用大流量文丘里注肥器和高压水泵，通过传 感器和电磁阀与采集控制子系统连接。共有四路注肥器，其中三路用来向管道 中注入肥料溶液，另外一路通过向管道中注酸液来调节肥料液的酸碱度。通过 工业e c p h 传感器检测混合后溶液的电导率( e c ) 和酸碱度( p h ) 作为给控 制器的反馈，根据用户设置，应用模糊控制算法自动控制水泵和电磁阀的启停， 实现精确的灌溉施肥。 6 第二章灌溉施肥系统总体设计 第二章灌溉施肥系统总体设计 2 1 系统工作原理 微灌系统，不同于传统的灌溉方法即直接用水泵将灌溉水输送田间，让水 分自己渗透到土壤里或人工浇灌在作物上，而是通过微灌管网将灌溉水输送到 田间或温室中，并在管道上运用各种微灌器，或喷，或滴，或渗，使灌溉水直 接进入作物根部土壤，完成灌溉的目的。 在现代设施农业中，由于微灌技术的产生和发展，可以不再采用传统的施 肥方法向作物提供生长发育所需要的养分，而是可以采用水肥微灌技术直接将 肥料溶液通过灌溉水提供给作物，这种方法能够更高效、科学的进行施肥。借 助这种方法，栽种者可以根据不同作物的不同生育阶段的营养需要，以及根据 不同气候、水质等条件，配制各种养料成分与浓度的营养液，更有效的培育作 物。水肥灌溉是将要施加的养分，如氮、磷、镁和其它微量元素，溶于水，形 成高浓度的肥料母液，在需要施加营养液时，便将肥料母液混合到灌溉水中， 再配以防止营养液碱性过高而添加的酸液，形成一定浓度的营养液，通过微灌 溉系统管网输送给作物，实现灌溉施肥( j o n a t h a ne ta 1 2 0 0 5 ) 。因此，现代灌溉 系统还包括营养液混合控制系统，实现在灌溉的同时完成施肥任务。 灌溉施肥系统原理图如图2 1 所示，由灌溉系统和肥料溶液混合系统两部 分组成。灌溉系统主要由灌溉泵、稳压阀、控制器、过滤器、各灌溉区域管网， 以及灌溉电磁阀等构成。灌溉系统中，过滤器用来保证灌溉水清洁而不会使杂 物堵塞管路，稳压阀使灌溉管道中压力保持稳定，安装在灌溉支路上的电磁阀 用来控制水流是否流向该灌溉区域。灌溉系统工作时，当某种作物需要灌溉时， 只要控制器输出控制指令，打开通向该作物的灌溉支路上的电磁阀就可以完成 灌溉。而某一时刻，某一灌溉区域是否实施灌溉，则由系统控制器根据用户设 定的程序来决定。 肥料溶液混合系统由控制器、混合罐、各个肥料罐、酸液罐、施肥器、电 磁阀、传感器以及混合泵组成。肥料罐用来装肥料溶液，酸液罐用来装酸液。 施肥器和水泵一起用来把肥料溶液和酸液注入到主管道中。肥料溶液、酸液、 水在主管道中混合后流入混合罐进行充分混合。传感器用来检测混合罐中溶液 的电导率和酸碱度。电磁阀用来控制吸肥管路的通断。当混合罐中的溶液浓度 达到要求时，混合泵通过灌溉管路把混合溶液输送的指定的施肥区域。 营养液混合控制系统启动后，来自主管道的灌溉水注入到混合罐中，同时 7 第二章灌溉施肥系统总体设计 打开吸肥管路上的电磁阀，使肥料溶液和酸液在吸肥器和水泵的作用下注入到 混合罐中。在肥料溶液中，主要检测电导率( e c ) 和酸碱度( p h ) 。所以肥料溶 液混合控制系统的目标就是按用户设定，实时控制混合溶液中的电导率和酸碱 度。系统工作时，根据传感器采集到的e c 和p h ，由程序控制水泵和电磁阀的 开启或关闭，使混合后溶液的电导率和酸碱度稳定在用户的设定值上。 灌溉泵 2 2 系统设计要求 2 2 1系统主要功能 图2 1 灌溉施肥系统原理图 系统有手动和自动两种工作方式。在手动工作方式下，由用户通过控制开 关实施灌溉或施肥。在自动工作方式下，系统根据用户的设置，自动运行灌溉 施肥程序。系统采用3 2 0 x 2 4 0 彩色液晶实时显示系统运行情况，比如传感器检 测值，用户的设置等，采用触摸屏接收用户的输入。因此系统的人机界面友好， 用户设置方便。根据用户的设置，系统可以实现按时间灌溉施肥，按比例灌溉 施肥，以及按设定e c 和p h 灌溉施肥。系还有实时报警功能，当出现异常时比 如肥料罐中没有溶液，系统会停止运行灌溉施肥程序，向用户报警并等待用户 处理。 8 第二章灌溉施肥系统总体设计 灌溉施肥程序就是用户根据作物生长的需要设置的灌溉和施肥方案。系统 允许用户同时设置多个灌溉施肥程序，最多可以设置3 0 组。每个灌溉施肥程序 包括开始施灌溉施肥时间，停止灌溉施肥时间，灌溉施肥采用的肥料配方( 肥 料配比或营养液浓度等) 。这些设置决定了作物的灌溉施肥方案。系统按照用户 的设置，自动、有序地实现灌溉和施肥，完成所有的灌溉施肥程序组。 系统提供了通过网络远程访问的接口，用户通过浏览器就可以查看系统的 当前设置，以及系统的实时运行情况。并且可以实时修改系统参数，便于用户 调整灌溉施肥方案。同时系统提供了数据存储功能，可以把灌溉施肥过程中传 感器的实时数据存储在f l a s h 上，用户只需要插入u 盘就可以把这些数据拷 出。 2 2 2 系统性能要求 灌溉施肥系统应该具备在各种可能的环境下保持正常工作的能力，如温度 ( 一1 0 7 0 0 c ) 。 系统的安全性：要保证重要数据，如系统设置、灌溉施肥程序设置等，不 因电源电压下降、掉电等原因丢失。 系统的可靠性：尽量降低认为因素导致系统无法正常工作。如用户在设置 灌溉施肥程序时，设定值不合理。一般情况下系统都能自动纠正并发出警告。 系统抗干扰能力：控制系统应满足电磁兼容性能要求，既要考虑供电电源 的电压波动对系统工作的影响，又要考虑电源和数字电路对模拟输入的影响。 同时系统应满足实时性要求，主要考虑响应时间、a i d 的转换速度、采样 间隔、控制算法的运算时间等。 在满足性能和功能要求的基础上，还要考虑系统的成本和性价比。 2 3 系统总体设计 自动灌溉施肥系统由灌溉控制和肥料溶液混合控制两部分组成。灌溉控制 由主水泵，控制器，过滤器，各灌区域灌溉管网，灌溉电磁阀等构成。肥料溶 液混合控制系统由采集控制器，混合罐，各个肥料罐，酸液罐及吸肥泵，文丘 里吸肥器，电磁阀，p h 传感器，e c 传感器，液位传感器等构成。由于灌溉控 制系统相对比较简单，现在已经很广泛的应用到农业生产中。 研发的自动灌溉施肥系统属于肥料溶液混合控制系统。为了更好利用现有 的灌溉网络，节省资源，简化设计，自动灌溉施肥系统采用旁路式设计。通过 施肥程序的设置，可以与灌溉系统实现集成。两者配合使用即可完成灌溉施肥 9 第二章灌溉旖肥系统总体设计 任务，减少用户的重复投资，减小使用成本。设计的肥料溶液混合控制系统的 总体结构图如图2 2 所示。如绿色管道上的箭头表示水流的流动方向。入口是 灌溉网络向施肥机提供的接口，通过电磁阀l 和电磁2 来控制是否要施肥。当 电磁阀1 关闭，电磁阀2 打开时，由灌溉主水泵过来的水通过电磁阀2 直接流 到农田灌溉网，而不会和肥料混合。 图2 2 肥料溶液混合控制系统的总体结构图 当需要施肥时，打开电磁1 ，关闭电磁阀2 ，此时水流会通过电磁阀l ，再 经过文丘里吸肥管与各种肥料溶液混合均匀后通过加压泵流到农田灌溉网。当 文丘里管中有水流流动时会在电磁阀处产生负压，肥料会通过电磁阀流入混合 管道( 李百军，2 0 0 1 ) 。由于肥料溶液有一定的腐蚀性，故选水泵选用防腐型施 肥专用立式离心泵，文丘里也选用防腐防酸型的。系统中用到的文丘里实物如 图2 3 所示。在测试中发现，进水口的压力在2 0 - 5 0 米水头时( 1 m p a = l o o m 水头) ，文丘里管道才会吸肥。压力过大或过小都不会吸肥。加压泵出口压力 是3 0 - - , 6 0 米扬程，流量是8 m 3 h 。当系统正常工作时，每路文丘里最大吸肥能 力为8 l m i n ，通过流量调节器可以调节每路文丘里管的吸肥流量。 1 0 第二章灌溉施肥系统总体设引 图23 文丘里实物图 在施肥时为了实现对各种肥料溶液的自动混合和配比，每路吸肥管都通 过电磁阀来控制。电磁阀选用直流2 4 v 开关阀，成本低且性能可靠，易于控制。 为了防止管路中压力不稳的情况，在每一路吸肥或吸酸管路中增加了流星调节 器，通过流量调节器可以在一定的范围内调节每路的流量。流量调节器的最大 流量受该路文丘里管吸肥的最大量的限制。肥料溶液中一般都有杂质，为了防 止这些杂质堵塞管路，在吸肥管路前端都加了过滤器。吸肥管路的实物图如图 24 所示。由图中可以看出，肥料溶液通过软管接到过滤器，经过过滤之后再 接到流量调节器上，虽后通过电磁阀进入主管道和水混台。 圈2 4 吸肥管路实物图 肥料溶液的浓度往往通过其电导率，即e c 值来反映，故控制灌溉液的e c 第二章灌溉施肥系统总体设计 值即可控制肥料浓度，另外作物在不同的生长阶段对灌溉液的p h 值也有一 定的要求。为了将其控制在有利于作物生长的范围之内，还需要向灌溉液中加 入口h 值调节液。为了调节混合肥料溶液的酸碱度，还有一路吸肥管用来吸酸， 也是通过电磁阀来控制。控制系统根据用户设置的施肥浓度和检测到的e c f p r i 值，控制每路电磁阀的开关时间以使混合溶液的肥料浓度保持在给定的范围内 ( w a n gc h e r t ge ta t2 0 0 7 ；s a w a se ta l 1 9 9 9 ) 。 检测池是用来检测肥料混台溶液的e c 和p h 值的，为了对混合溶液中的 e c 和p h 实时检测检测池为封闭容器混台溶液能够在检测池中流动。设计 的检测池如图25 所示。由图中可以看出，检测涟从一个端口进入检测池，当 溶液装满后从另外一个端口流出。在施肥过程中，检测池中的溶液是一直流动 的。这样可以实时检测混合溶液的e c 和p h 。 图25 检测池实物图 放置在肥料桶底部的液位开关可阻用米监测桶内是否还有溶液。当桶内没 有溶液时，控制系统会关闭该吸肥管路上的电磁阎并向用户发出报警。e c 、p h 传感器是控制系统的检测元件。根据系统设计要求，这两种传感器要实现在线 榆测，以满足肥料溶液在线混合的需要。同时，为满足控制系统的性能要求， 传感器的反应时问要快，成本尽量低。系统中用到的传感器如图2 6 所示。在 图中，从左到右，依次是渡位开关、液位传感器、e c 电极、p h 电极。 第二章灌溉施肥系统总体设计 24 本章小结 圈26 传感器实物图 本章首先介绍了自动灌溉及施肥系统的工作原理、主要功能。根据要求， 完成了灌溉施肥系统的总体设计和设各的选型，并且比较详细的介绍了各个部 件的功能和用途。在下面几章中将会详细介绍数据采集控制系统的设计、模糊 控制算法的设计以及试验系统的隋况。该系统总体设计合理，运行可靠，系统 功能和性能指标能够满足设计要求。 夕 叠纩一 第三章数据采集控制系统硬件设计 第三章数据采集控制系统硬件设计 在施肥过程中，需要在线检测肥料溶液的酸碱度和电导率以及灌溉压力、 管道流量等，然后根据这些参数来控制电磁阀和水泵的运行达到自动灌溉施肥 的目的。 目前，常用的数据采集控制系统都是为某一实际应用而设计的，通用性和 扩展性差、数据存储能力不足，价格昂贵。因此设计了种通用的数据采集控 制系统，并且已经应用到自动灌溉施肥系统中，能够满足稳定性，实时性以及 大容量的数据存储的要求。该数据采