（农业机械化工程专业论文）水肥耦合灌溉控制系统的研究.pdf

一一。、 华中农业大学学位论文独创性声明及! 。- 啊曼解争3 4 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 i i i i i i l u l l l l l i i i i i i i i i i i 学位论文题目：学位级别硕士 所在学院工程技术 水肥耦合灌溉控制系统的研究 ( 系)学院 农业机械化 学科专业导师姓名肖新棉学生姓名雷永富 工程 学位论文 是如需保密，解密时间2 0 0 9 年7 月1 0 日 是否保密 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料，指导教师对此进行了审定与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意 研究生签名：廖祆易 时间：矽勿年月步日 学位论文使用授权书 本人完全了解“华中农业大学关于保存、使用学位论文的规定”，即学生必须按 照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存提交论文的印刷版和电 子版，并提供目录检索和阅览服务，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存，汇 编学位论文本人同意华中农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论 文的全部或部分内容。 注：保密学位论文在解密后适用于本授权书 学位敝储娩移蚴钟始青杈碜 銎名日期：万年月侈一日签名日期：狐形锌6 月j - 日 华中农业人学硕卜学化论丈h 录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 研究水肥耦合灌溉的必要性1 1 2 水肥耦合灌溉及其控制的重要意义2 1 3 国内外研究进展。3 1 3 1 国外研究进展3 1 3 2 国内研究进展3 1 4 课题研究内容5 第二章系统的总体设计6 2 1 系统工作原理6 2 2 系统主要功能8 2 3 系统总体方案设计8 2 4 系统的性能指标9 2 5 传感器的选取1 0 2 6 单片机型号的选择1 1 2 7 模数转换芯片的选取1 2 2 8 数据存储器的扩展1 4 2 9 并行i o 口的扩展1 4 2 1 0 软件语言的选取1 5 第三章水肥耦合灌溉液自动混合模糊控制系统设计。1 6 3 1 水肥耦合液在线混合控制原理与特点1 6 3 1 1 控制系统工作原理1 6 3 1 2 控制系统特点1 6 3 2 模糊控制技术特点。1 7 3 3 模糊控制工作原理1 8 3 4 水肥耦合灌溉模糊控制器的设计1 9 3 4 1 模糊控制器结构的确定2 0 3 4 2 输入量和输出量的模糊化2 0 3 4 3 量化因子的确定2 1 3 4 4 模糊控制规则的设计2 3 3 4 5 模糊推理及输出量的反模糊化2 3 3 4 6 模糊控制表查询表的生成2 4 3 4 7 模糊控制过程2 7 第四章系统硬件设计2 9 4 1c p u 与存储器r a m 硬件接口电路设计2 9 4 2 时钟电路与复位电路的设计3 0 4 2 1 时钟电路3 0 4 2 2 复位电路3 1 4 3a d c 0 8 0 9 芯片与a t 8 9 c 5 1 单片机接口设计3 1 4 4 显示接口电路设计。3 3 4 5 超限报警电路设计。3 5 4 6 串口通讯接口电路设计3 6 4 7 抗干扰设计3 6 第五章系统软件设计3 8 5 1 主程序和中断服务程序模块3 8 5 2 数据采集模块3 9 5 2 1 采样周期的确定3 9 5 2 2 采样程序4 0 5 3 数据处理模块4 1 5 3 1 数据的滤波技术4 2 5 3 2 标度变换4 2 5 3 3b c d 转换4 3 5 4l e d 动态显示模块一4 4 5 5e c 、p h 值的调节监控程序设计4 4 5 6 串口通信模块。4 8 5 6 1 上位机监控系统界面设计4 8 5 6 2 上位机串行通信程序编制5 2 第六章实验分析5 8 6 1 实验设计及数据采集5 8 6 2 实验数据处理及分析5 9 第七章结论与讨论6 1 7 1 结 仑6 1 7 2 讨论6 2 参考文献6 3 至i 谢：。：6 7 附录6 8 攻读学位期问发表的学术论文7 3 华中农、l k 人学硕i 学 寸论史 摘嘤 摘要 自动控制技术的发展有力地促进了现代农业的发展。无论是应用于设施栽培中 还是应用在大田作物中的自动灌溉控制技术更是影响现代农业发展的热点。施肥与 灌溉同时进行即水肥耦合灌溉，不仅具有节水、节肥、节能、节省人力等优点，而 且还可大大提高作物产量和质量，同时减轻了施肥对环境的污染。与世界其他国家 如美国、以色列和加拿大等国相比，我国水肥耦合灌溉系统的自动化程度较低，自 动施肥灌溉的控制技术还处于研究阶段，基于此，本课题研究的水肥耦合自动灌溉 系统具有重要的现实意义和推广应用价值。 本课题针对国内水肥灌溉系统的实际需要，通过大量查阅国内外相关资料，对 水肥耦合灌溉液的自动监测、混合技术做了研究，以单片机理论为基础，并结合了 通信技术，设计了一套水肥耦合自动灌溉控制系统，实现根据需要对作物进行水肥 的实时耦合灌溉，而且本系统适用于某种作物的特定生长期，同时也可用于各种农 作物的灌溉中。系统以单片机a t 8 9 c 5 1 和p c 机为核心部件，采用了自动化的上、 下位机两级分布式的结构形式。下位机单片机系统完成对灌溉液检测信号的采集、 处理、显示以及对执行机构的控制并向上位机发送数据等功能，采用m c s 5 1 汇编 语言编制其运行程序。上位机经m a x 2 3 2 和r s 2 3 2 通过串行通信方式接收下位机 的检测信息并向其传输信息，采用v b 语言编程向用户提供友好的人机界面，用户 可根据需要方便地选取所需作物及作物的特定生长期，相应结果及其理论需要的 p h 、e c 值并可直观显示在控制信息主界面上，同时也可在界面内自主设置各参数 的报警上下限值，以增加系统的安全性。 本课题向作物提供的肥料是按一定要求混合在灌溉水中的水肥混合液，水肥混 合灌溉液的实时混合控制技术是本系统的关键技术，系统采用双输入单输出的模糊 控制方法，并用m a t l a b 的f u z z yl o g i c 工具箱对此模糊系统进行建模和分析，论 证系统的输入输出结构关系，使控制系统更具科学性。此外，用实验对水肥的耦合 关系进行了论证分析，确定灌溉优先调节因子，然后通过耦合调节实验，可根据流 体力学和水力学相关原理推出相应阀门的理论开启时间，为控制系统的设计提供理 论依据。 本系统成本低廉，结构灵活，操作简单，可扩展性强，只要稍加改变，即可增 加其他使用功能，具有广阔的丌发f j 景。 关键词：水肥灌溉；施肥控制；单片机；串行通信；模糊控制 牛中农业大学形! l 学化论史 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e d e v e l o p m e n t o fa u t o m a t i cc o n t r o l t e c h n o l o g y a c c e l e r a t e s g r e a t l y t h e d e v e l o p m e n to fm o d e ma g r i c u l t u r e t h ea u t o m a t i ci r r i g a t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g yi nn o t o n l yf a c i l i t i e sa g r i c u l t u r et e c h n o l o g y b u ta l s of i e l dc r o pt e c h n o l o g yi so n eo ft h eh o t s p o t s o ft h ed e v e l o p m e n to fm o d e ma g r i c u l t u r e i ti sw a t e r - f e r t i l i z e rc o u p l i n gi r r i g a t i o nw h i c h h a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha s ：w a t e r - s a v i n g ，f e r t i l i z e r - s a v i n g ，e n e r g y - s a v i n g ，l a b o r r e s o u r c e s - s a v i n g ，i m p r o v i n gq u a l i t ya n dy i e l d ，a l l e v i a t i n gc o n t a m i n a t i o nb o u g h to u tb y f e r t i l i z e r i nc o n t r a s tt oo t h e ra d v a n c e dc o u n t r i e sl i k et h eu s a , i s r a e l ，c a n a d ae ta 1 t h e d e g r e eo fa u t o m a t i o ni sl o wa n da u t o m a t i cw a t e r f e r t i l i z e rc o u p l i n gc o n t r o lt e c h n o l o g yi s s t i l li ns t u d yp e r i o d ，t h u si ti sm e a n i n g f u lt oc o n d u c tt h ep r o j e c ts oa st os a t i s f yt h eu r g e n t r e q u i r e m e n t si no u rc o u n t r y b a s e do nc o n s u l t i n gp l e n t yo ft h er e l a t e di n f o r m a t i o nd o m e s t i ca n do v e r s e a s ，t h i s r e s e a r c hd e s i g n e da na u t o m a t i cw a t e r - f e r t i l i z e rc o u p l i n gi r r i g a t i o ns y s t e m ，w h i c hc a n c o n t r o la u t o m a t i c a l l yc o n c e n t r a t i o no fo r i g i n a li r r i g a t i o ns o l u t i o na n da p p l yf o ra l lo ft h e c r o p a n dt h e i rc o n c r e t eg r o w i n gs t a g eb ym c ut e c h n o l o g yw i t hc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y t h i ss y s t e mi sc o n s i s t e do fs l a v e c o m p u t e ra n ds u p e r - c o m p u t e ra n da d o p t s a t 8 9 c 51a n dp ca sk e yp a r t s o nt h es l a v e c o m p u t e rs y s t e m ，d a t as a m p l i n g ，d a t a p r o c e s s i n g ，d i s p l a y , o u t p u tc o n t r o l l i n g ，s e n d i n g i n f o r m a t i o nt ot h es u p e r - c o m p u t e r m e a n w h i l e ，t h ep r o c e d u r e sp r o g r a m m e d w i t hm c s 51a s s e m b l e l a n g u a g e t h e s u p e r - c o m p u t e r s y s t e mc o u l dd e t e c t d a t ai n f o r m a t i o na n dd e l i v e rt h ed a t ai n s e r i a l c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nap ca n dam c ut h r o u g ht h em a x 2 3 2c h i pr e a l i z e st of i n i s h v o l t a g ec o n v e r s i o na n dr s 2 3 2 v bh i g h - l e v e ll a n g u a g ei su s e dt ob u i l du pt h ef r i e n d l y m a i n m a c h i n ei n t e r f a c eo np c t h eu s e rc a ns e l e c tc o n v e n i e n t l yt h en e e d i n gc r o pa n d r e l a t e dg r o w i n gs t a g e ，a l s ow o u l ds e tt h er e l a t e da l a r mp a r a m e t e r sf o ri t ss e c u r i t y , w h i c h c o u l dd i s p l a yi nt h es y s t e mi n f o r m a t i o nm o n i t o r i n gm a i nw i n d o w t h i ss y s t e mc o u l dp r o v i d et h ew a t e r - f e r t i l i z e rm i x t u r es o l u t i o nw i t hc e r t a i n c o n c e n t r a t i o nt ot h ec o r p sa c c o r d i n gt oa c t u a lr e q u i r e m e n t s t h e r e f o r e ，h o wt oc o n t r o lt h e m i x e ds o l u t i o ni st h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h es y s t e m t h u st h i ss y s t e ma d o p t e df u z z y l o g i cc o n t r o lt e c h n o l o g yo ft w o - i n p u to n e o u t p u tt 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 h 产巾农、i k 人学硕i 学化论艾 a b s l r a c t m e a n w h i l e ，t h i ss y s t e ma d o p t e df u z z yl o g i ct o o l b o xi nm a t l a bt om o d e la n da n a l y z e r e l a t i o nf o ra r g u i n gi n p u t & o u t p u t f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e ra n a l y z et h ew a t e r f e r t i l i z e r c o u p l i n gr e l a t i o n s h i pa n dr e a c hp r i o r i t ya d j u s t m e n tf a c t o rb ye x p e r i m e n t ，a n da r r i v ea t t h ec o r r e s p o n d i n gv a l v et h e o r e t i c a lo p e n i n gt i m ea c c o r d i n gt of l u i dm e c h a n i c sa n d h y d r o m e c h a n i c st h e o r i e sb yc o u p l i n ge x p e r i m e n t ，p r o v i d et h e o r yf o u n d a t i o nt o t h i s d e s i g no fc o n t r o l l e ds y s t e m t h i ss y s t e mh a sm a n yc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha s ：l o wc o s t ，g o o df l e x i b i l i t y , e a s i l y o p e r a t i o n ，e x t e n s i b l ea n ds oo n i tw i l lh a v eav a s t e rd e v e l o p m e n tv i s t a k e y w o r d s ： f e r t i g a t i o n ；f e r t i l i z a t i o nc o n t r o l ；m c u ( m i c r o - c o n t r o l l e ru n i t ) ；s e r i a l c o m m u n i c a t i o n ；f u z z yc o n t r o l i i i 1 产中农q p 人学硕f 学f t 论文 第一章绪论弟一早三百 v 匕 水是生命之源，是维持生态系统生存并支撑人类社会经济系统发展不可替代的 资源。然而，随着人类社会的发展，水资源危机已悄然降临到人们的周围，世界范 围的水问题同趋严重。目前，全世界占耕地面积1 6 的灌溉面积生产了占总产量4 0 的粮食。随着日益nj 屠1 的人口形势以及水资源紧缺，在世界大部分地区，用水问 题将很可能同7 0 年代的能源问题一样，成为最严峻的自然资源问题( 吴景社，1 9 9 4 ) 。 而我国是农业大国，农业用水占总用水量的6 4 6 ( 2 0 0 4 年统计) ，但农业用水效 率平均却不到5 0 ( 崔毅，2 0 0 5 ) 。所以大力发展高效节水型农业是一个世界性的 课题将显示其越来越重要的作用。 1 1 研究水肥耦合灌溉的必要性 当前，占世界人口总量4 0 的8 0 个国家缺水，其中2 6 个国家严重缺水。我国 有2 8 1 万亿m 3 的水资源总量，全世界排第6 位，但人均水资源量仅为世界平均水 平的1 4 ，排在世界人均占有水资源量的第1 0 9 位，是世界上人均占有水资源最贫 乏的1 3 个国家之一( 许迪，2 0 0 2 ) 。目前，我国农业用水占年总用水量的8 0 ，而 且我国每年缺水近4 0 0 亿m 3 ，农业缺水就占3 4 。随着区域经济的发展，农业用水、 工业用水和城市供水间的矛盾将会加剧，农业用水的比例势必要削减，农业用水将 显得更加紧张。而农业用水的9 0 是农田灌溉用水，用传统的灌溉方式，农田灌溉 水的利用效率仅为世界先进发达国家的5 0 左右( 穆天亮，2 0 0 0 ) 。因此必须发展 先进高效的灌溉技术，有效提高灌溉水的利用效率。 同时在农业生产中，除了对作物要进行水的补给，还必需要进行必要的养分补 给，即施用各种营养肥料。而我国是世界肥料消耗大国，但化肥的利用率较低，损 失相当严重，在我国大田生产中，用传统的施肥方式，氮肥利用率仅为3 0 - 5 0 ( 吴建富等，2 0 0 3 ) ，如此低的肥料利用率不仅降低了农业生产产量，而且造成了资 源和能源的大量浪费，引发了一系列的环境问题。所以在农业生产中，有效提高肥 的利用率，达到优产、优质的效果。 在面临大力提倡节约型社会的今天，就农田灌溉，不仅要有效地利用降水资源， 而且要发展高效的节水灌溉技术。研究与发展水肥耦合灌溉技术，不仅可以有效合 理地利用水资源和肥料，同时也提高了水肥综合利用率，充分发挥它们的最大效益。 第一章绪论 1 2 水肥耦合灌溉及其控制的重要意义 耦合是物理学的一个概念，它是指两个( 或两个以上的) 体系或运动形式之间， 通过各种相互作用而彼此影响的现象。水肥耦合则是物理学概念的借用。它是指农 田生态系统中，水分和肥料二因素或水分与肥料中的氮、磷、钾等因素之间的相互 作用对作物生长的影响及其利用效率( 文宏达等，2 0 0 2 ) 。 众所周知，温、光、水、肥、气是作物生长的五大要素，其中水分和养分( 肥) 是作物生长必需的两大要素，适宜的水分条件和合理的养分供应是作物高产优质的 基本保证。水分胁迫，养分缺乏及其二者供应的不同步性，是制约我国农业生产发 展的关键因素。因此，以肥调水，以水促肥，水肥耦合成为解决农业问题的共识。 水肥耦合灌溉是肥料随同灌溉水一同进入田间的一种灌溉方式，是施肥技术 ( f e r t i l i z a t i o n ) 和灌溉技术( i r r i g a t i o n ) 相结合的一项新技术，是精确施肥与精确 灌溉相结合的产物。即滴灌、地下滴灌等在灌水的同时，按照作物生长各个阶段对 养分的需要和气候条件等准确将肥料补加和均匀施在根系附近，被根系直接吸收利 用。灌溉施肥是定量供给作物水分和养分及维持土壤适宜水分和养分浓度的有效方 法( d a s b e r g a n db r e s l e r ，1 9 8 5 1 g o l d b e r ge ta 1 ，1 9 7 6 ) 。通过合理统筹地运用这两 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。采用水肥耦合 灌溉技术可以很方便地调节灌溉水中营养物质的浓度和数量，大幅度提高化肥利用 率；如甘蔗水肥混合滴灌施肥氮的利用率达7 5 8 0 ，常规施肥只有4 0 ( n gk e e a n dd e v i l l e ，1 9 9 4 ) ；提高作物的产量和质量，提高养分的有效性，减轻施肥对环境 的污染( a l v aa n dp a r a m a s i v a m ，1 9 9 8 a ：a l v ae ta 1 ，1 9 9 8 b ) ；同时还可以大幅度节 省时间、运输、劳动力及燃料等费用，实施精确施肥。水肥耦合灌溉的原则是根据 作物的吸收规律提供养分和水分，需要多少提供多少( 李冬光等，2 0 0 2 ) 。 随着水资源的同趋紧张，世界各国都在积极探索行之有效的节水途径和措施( 汪 懋华，1 9 9 9 ) 。传统得灌溉模式灌溉效率低，而且资源浪费严重。采用水肥耦合灌溉 自动控制模式，不仅具有节省水、肥、能量、人力等优点，同时通过灌溉控制器可 以针对某种作物的特定生长期进行适时、适量地灌水、施肥，提高作物产量和质量， 并可基本消除在灌溉过程中人为因素造成的不利影响，提高操作的准确性。可见水 肥耦合灌溉控制技术大大有利于灌溉过程的科学管理和先进灌溉技术的推广，有利 于我国广大农村劳动力的转移和农村经济结构的调整，同时也满足了生产发展的需 要，实现了社会的可持续发展( 林志宁，2 0 0 2 ：m c g r a we ta i ，1 9 9 5 ) 。 2 。产中农q k 人学硕 ，学f 节论文 1 3 国内外研究进展 1 3 1 国外研究进展 公元前4 0 0 年前，在雅典人们用城市下水道的污水对菜园和柑桔园进行灌溉施 肥，是灌溉施肥的最初形式。1 9 5 8 年首次报道了通过了喷灌系统施用商品肥料。微 灌技术最早于1 8 6 0 年由德国人发明，但发展十分缓慢。第二次世界大战后，随着塑 料工业和化肥工业的发展，水肥耦合施肥微灌技术有了显著的进展，到6 0 年代末已 成为一种新型的灌溉技术( s n e h ，1 9 9 5 ) 。 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 ( 朱兆良，2 0 0 3 ) ，通过监测土壤水分来确定是否打开灌水阀门( r o b e r t ，1 9 9 9 ) 。 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，既能监测土壤水分信息和养分信息，还能进行自动报警( 张定祥等，2 0 0 2 ) 。 比较有代表性的是澳大利亚研制成功的m i c r o w 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( 马骏，2 0 0 5 ) 。随着控制技术、传 感器技术的发展，1 9 9 8 年意大利j a c u c c i 等人( 张晓辉和李汝萃，2 0 0 2 ) 研制出了一。 h y d r a 灌溉管理专家系统，是一套集灌溉、施肥于一体的自动化控制系统，系统 可以根据实时监测到的大田作物需水量的情况，自动进行灌溉施肥，及时提供作物 的水、肥需要量，以满足作物的生长需要( 赵姚阳，2 0 0 3 ) 。以色列也开发出了现代 诊断式控制器，这种控制器可以通过传感器采集信息，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，然后通过计算机中的一些模型来处理信息，作出灌溉计划 ( w a n ge ta 1 ，2 0 0 0 ) 。目前，以色列微灌面积占到灌溉面积的8 0 ，而且7 5 8 0 的灌溉地采用水肥灌溉施肥方式( s n e h ，1 9 9 5 ) 。美国水肥耦合灌溉面积占微 灌面积的6 5 ( 张源沛，2 0 0 0 ) 。这种方法不仅用于田间施肥，而且用于温室基质 无土栽培作物施肥( s o n n e v e l d ，1 9 9 5 ) 。 1 3 2 国内研究进展 随着中国现代化进程的加快，农业结构的调整、以及我国加入w t o 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，采取简单可行的实用性广的节水灌溉施肥控制措施及相应的机 3 第一审绪论 械设备，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，而且还具有巨大的社会和经济效益( a l em i ，1 9 9 8 ) 。 目前我国在环境自动控制技术方面的研究主要集中于湿度的控制，对于水、肥 的研究相当少。而且传统的灌溉和施肥模式，在确定作物灌溉量和施肥量时，基本 上是依据个人经验而定，无法精确地作出判断，就同一地区同一作物来说这种经验 又依个人对其把握的程度的不同和个人差异性的存在而作出的决策也是不同的。而 且传统的灌溉和施肥模式自动化程度极低，基本上属于粗放的人工操作，即使对于 给定的量，在操作中也无法进行有效的控制。现在，我国现代化设施栽培中采用的 先进的灌溉设备几乎都是从设施栽培技术发达的欧美国家引进，系统成本较高( 顾寄 南和毛罕平，1 9 9 9 ) 。 我国在自动化灌溉与施肥控制系统的研制开发中，以中国农业机械化研究院联 合多家单位研制的2 0 0 0 型温室自动灌溉施肥系统最为突出。该系统结合我国温室的 环境和实际使用特点，以积木分布式系统结构原理，解决了计算机适时闭环控制、 动态监测、施肥泵混合等关键技术问题。该系统在大连、北京等地己经投入使用， 从系统运行情况来看，该系统有很好的控制效果，取得了一定的经济效益和社会效 益( b i r r e l la n dh a m m e l ，2 0 0 0 ；z h ue ta 1 ，2 0 0 3 ) 。天津市水利科学研究所研制的温 室滴灌施肥智能化控制系统主要用于现代温室、日光温室作物的滴灌水肥灌溉液施 肥，环境监测的智能控制，采用世界先进的可编程序控制器和触摸屏控制技术、性 能可靠、功能齐全、操作简单，控制系统的控制流量为1 5 m 3 h ，控制规模为1 - 2 h m 2 ， 能控制2 4 路阀门，系统有人工干预灌溉、施肥功能，定时、定量灌溉、施肥功能， 还有条件控制灌溉、施肥功能( 景东升，1 9 9 4 ) 。他们虽然已经研制并投入使用，但 成本较高，普及性较弱。 可见，我国研制的灌溉施肥系统还很少且尚未普及，用于大田作物还未开发( 石 玉林等，2 0 0 1 ；毛慎建等，1 9 9 5 ) 。要保证作物的良好生长，实现高效生产，必须发 展施肥与灌溉自动控制技术。国内在这方面还没有一套成熟实用及科学的产品，灌 溉及施肥系统的自动化程度还很低，更没有智能型的自动灌溉系统。现有的多数是在 农业示范区，科研单位以及各大高校中。从国外引进的不但但价格昂贵，也没有考 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 控制器在国内应用并不普及。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。 4 卢中农q p 人学硕i 学位论文 1 4 课题研究内容 本课题主要是针对我国灌溉系统自动化程度低的问题，尤其是水肥混合灌溉液 按照不同浓度自动混合与施肥控制技术不足的问题，根据国内高效农业发展的实际 需要，设计一套用单片机实现的水肥耦合自动灌溉控制系统，该系统根据不同作物 或同一作物不同作物或同一作物不同生长期所需的水肥量自动进行水肥耦合灌溉， 同时可以通过用户界面输入控制指令、监控系统工作等。整套系统能够完成水肥耦 合灌溉的自动测量和控制。为此，本课题主要研究内容有： 1 系统硬件设计 完成电源、存储器扩展、a d 转换、显示输出、声鸣报警、信号放大等电路设 计。 2 系统软件设计 完成主程序、数据采集、数据处理、数据显示、输出控制、数据通讯等模块的 设计。 p ， ， 3 模糊控制器设计 水肥耦合灌溉液混合控制系统是本自动灌溉控制系统的重要组成部分，其工作 状况将直接影响到对作物的灌溉效果及生长状况。根据设计要求与现场情况可知此 系统是一个实时的、大延迟的、存在诸多不确定因素的复杂系统，系统的滞后和惯 性都很大，精确的传递函数很难确定，用传统控制方法不易得到较好的控制效果。 而模糊逻辑控制不依赖于系统精确数学模型，又适合复杂系统的控制，同时可以输 出的控制指令能够控制电磁阀在一个控制周期内的开关比例，解决了电磁阀流量不 能连续控制的问题。因此，水肥混合液在线混合控制系统采用模糊控制方法实现水 肥混合液自动混合控制。 4 水肥耦合灌溉试验设计 通过实验，先分析i j n n v , 对p h 值和加酸对e c 值( 其具体含义详见第1 0 页) 的 影响，然后根据其不同的影响程度，确定优先调节因子，最后据此对肥液( e c 值) 和酸液( p h 值) 进行耦合调节，最终可以得到各个因子满足要求时对应原液的量， 然后可根据流体力学和水力学相关原理可以求出相应因子对应阀门的开启时间，为 本控制系统的设计提供理论依据。 第：帝系统总体设计 第二章系统的总体设计 本文对现代农业生产技术中的自动灌溉控制系统进行研究与开发。目的是设计 并实现一套可以用于农业生产中的实时灌水与施肥的水肥耦合灌溉自动控制系统。 本系统的硬件由下位机m c s 5 1 单片机系统和上位机p c 机组成。下位机主要完成 数据的采集、模数转换、数据实时显示、预处理和控制执行机构；上位机主要完成 系统参数和控制参数的设定、数据分析、处理、显示等任务。 2 1 系统工作原理 微灌，与传统的灌溉方式不同，它是通过微灌管网将灌溉水直接输送到农田， 并在管道上运用各种灌水器，或喷，或滴，或渗，使灌溉水直接进入作物根部土壤， 是一种先进的节水灌溉技术。 目前，不论是大田作物还是设施栽培中，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，而是可以采用水肥耦合 微灌技术直接将水肥混合灌溉液通过灌溉水提供给作物。借助这种方法，用户可以 根据不同作物的不同生育阶段营养需要，结合当地的自然条件、水质条件等，配制 各种养料成分与浓度的混合灌溉液，更有效的培育作物( 李锐，2 0 0 2 ) 。不同作物， 在不同生长阶段，对施肥时灌溉液中肥料的浓度有不同要求。在作物所能承受范围 内，灌溉液的肥料浓度与其电导率( e c ) 存在一一对应关系，由于e c 值测量较为 方便，故一般用灌溉液的e c 值表示其肥料浓度。此外，作物对灌溉液的p h 值也有 一定要求，需加p h 调节液进行调节。可见，本论文中“施肥 、“混肥”所指的“肥”， 不仅指肥料，还指p h 调节液。灌溉液的p h 要求值一般为5 5 6 5 ( 李锐，2 0 0 2 ) 之间的某一值。由于肥料一般或呈碱性，或溶于水后，在作物所能承受的浓度范围 内p h 大于农艺要求，故施肥时，往往加酸，在本论文中，“p h 调节液”一般指酸。 水肥灌溉是将要施加的养分( 如氮、磷、钾和其他微量元素) 溶于水，形成高浓度 的混合灌溉母液，在需要施加水肥混合灌溉液时，便将水肥混合液混合到灌溉水中， 再配以防止水肥混合灌溉液碱性过高而添加的酸液或是过低而添加的碱液，形成一 定浓度的营养液，通过微灌系统管网输送给作物，实现施肥灌溉。 本课题研究的自动灌溉控制系统构成如图2 1 所示：由自动灌溉控制和水肥灌 溉液混合控制两部分组成。灌溉控制由主水泵，稳压阀，控制器，过滤器，各灌溉 区电磁阀等构成。水肥灌溉液混合控制系统由控制器，混合罐，肥料罐，酸液罐， 6 控制添加水肥灌溉液母液和酸液的电磁阀，施肥泵，电导率和酸度传感器等构成。 灌溉系统工作时主水泵打开，稳压阀使溉管道中的水流保持稳定的水压。在每 个灌溉支路上装有一对电磁阀，当某种作物需要灌溉时，只要控制中心输出控制指 令，打开该作物的灌溉支路上的电磁阀，灌溉水就可以输送到该灌区，通过灌水器 ( 如微喷头、滴灌器等) 完成作物的灌溉。如图2 1 所示，若通过传感器监测只需 灌水时，则启动系统，打开主水泵，并启动注水电磁阀直接用于灌溉，通过湿度传 感器的在线实时监测，确定灌溉时间。当监测需要水肥耦合灌溉，水肥耦合灌溉液 混合控制系统启动后，来自主管道的部分灌溉水注入到混合罐中，同时打开肥料和 酸液注入通道的电磁阀，使所需肥料和酸液注入到混合罐中。在水肥耦合灌溉液混 图2 - 1 自动灌溉系统构成 f i g 2 - 1s t r u c t u r eo f a u t o m a t i ci r r i g a t i o ns y s t e m 第节系统总体设计 合中，标志水肥灌溉液浓度的指标是混合后水肥灌溉液的电导率( e c 值) 和酸碱度 ( p h 值) 。所以水肥灌溉液混合控制系统的目标就是按系统营养浓度设定值，实时控 制混合后水肥灌溉液的电导率( e c 值) 和酸碱度( p h 值) 。系统工作时按照电导率( e c 值) 和酸碱度( p h 值) 传感器采样值，由控制程序给出肥料与酸液电磁阀的开启或 关闭的控制指令，使混合后水肥灌溉液达到要求。整个系统的协调及控制均由灌溉 控制器来完成。 2 2 系统主要功能 根据设计的要求，系统的主要功能应包括： 1 1 系统启动后，自动运行，按灌溉程序自动灌溉； 2 1 根据用户设定的灌溉程序，实现多路灌溉电磁阀的实时灌溉控制； 3 ) 水肥灌溉液自动混合控制：系统按照水肥灌溉液浓度指标溶液电导率 e c 与酸碱度p h 的设定值，自动检测并混合水肥灌溉液； 4 ) 实时报警功能：当系统出现在线异常或超出限度，立即报警，停止运行各 种灌溉动作，等待操作者指令，增加其安全性； 5 ) 提供上位机系统：实现上下位机的通信，同时用户可以根据实际需要，方便 地选取自己所需要的作物及其生长期，相应结果及其理论需要得p h 、e c 值并可直观显示在控制信息主界面上，同时可在在界面内自主设置各参数 的报警上下限值，以增加系统的安全性。 2 3 系统总体方案设计 根据系统功能及设计要求，系统采取上下位机结构，上位机由p c 机实现，下 位机由单片机实现。上下位机之间采用r s 2 3 2 串口通信，数据实时传输。 系统包括自动灌溉与水肥灌溉液自动混合两部分，同时也是有机的一体。它们 的控制都由单片机进行的。其控制的部件主要有：主水泵的开关，灌溉电磁阀的开 关等。在系统需要灌溉时，由单片机向水泵发送开启指令，灌溉结束时，发送关闭 指令。水肥灌溉液自动混合控制系统工作时，根据e c 、p h 传感器的采样信息，根 据相应的规则由控制算法得到相应的控制指令，该指令控制肥料与酸液电磁阀的开 关，完成水肥灌溉液的混合工作。其中下位机又是由相应的传感器( 如e c 传感器、 p h 值传感器等) 、a t 8 9 c 5 1 单片机系统、模拟量输入输出通道、开关量输出通道所 组成。下位机既可以独立完成各种信息的采集、预处理及存储任务，又可接受从上 位机传送的控制参数设置，实时启动主水泵、肥液电磁阀和酸液电磁阀等控制设备， 8 产巾农q k 人学硕i 。学1 节论文 从而按不同需要调控以满足用户的需要。监控系统工作过程如下： 数据采集模块实现对对水肥耦合灌溉时的p h 值、e c 值等的在线测量。数据采 集模块通过传感器把各种测量因子非电量转换成电量，通过调理电路把电信号线性 化，放大滤波为0 5 伏的标准信号，传送给单片机；单片机实现对灌溉参数的控制， 当灌溉参数中某因子超出设置的适宜参数范围时，系统将自动关闭控制设备，并发 出相应的报警鸣笛声；通讯模块主要实现单片机与微机之间的数据通讯。微机串口 采用r s 2 3 2 标准，单片机串行输出为t t l 标准，通过一定的电路实现标准的双向 转换。同时上位机可以根据用户的需要，设置各种灌溉因子参数的设置，如适宜p h 值、e c 值范围等参数。 图2 - - 2 系统结构 f i g 2 - 2t h ef r a m eo ft