1 绪论
1.1 研究背景与意义
我国是一个水资源缺乏的国家，农业灌溉用水约占总用水量的 60%，化肥用量占世界的 35%，平均单位面积化肥用量是世界平均的 4 倍，现代农业污染已占全部污染的 47%，因在农业中过度投入化肥所造成的生态环境污染已经制约我国现代农业发展(马常宝，2016)。同时，我国农业化肥的利用率低，仅为 30%，相比发达国家低20%，化肥滥用不仅造成资源浪费，还会造成土壤板结、作物减产等一系列问题(易文裕等, 2017)。水肥一体化灌溉系统是一套节水节肥，节省成本，减少温室气体排放，增加施肥效用的实用系统，是现代温室农业种植领域必配装置(吴松，2018；Jianling Li et al., 2018)。因此，发展水肥一体化技术是温室农业发展的必然选择，具有显著的经济和生态效益(张大为，2018)。国家大力支持水肥一体化技术在农业中的推广与应用，并出台多条支持性政策。2015 年，农业部接连颁布《到 2020 年化肥使用量零增长行动方案》、《到 2020 年农药使用量零增长行动方案》等政策。2018 年科技部也启动了“化学肥料和农药减施增效综合技术专项”项目。由此可见，“化肥、农药双减”是未来温室农业发展的必然趋势，为水肥一体化技术在农业中应用提供政策保障(杨文杰等，2019)。近些年来，现代控制技术、移动互联网技术等快速发展，智能开源开发板硬件芯片计算能力也得到不断升级，并与计算机技术融合，据统计，板级开源硬件已经形成三大主流平台，即 Arduino 平台(Arduino 板及其 Arduino IDE)、Beagle 板平台和树莓派(Raspberry Pi)板平台(何立民，2017)，为研发适合国内温室应用场景的水肥一体化自动化设备提供软硬件技术平台支撑。信息技术的发展将推动水肥一体化技术向智能化、自动化、信息化、精细化方向发展(葛成暄，2016；蒋再扬等，2019)。
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1.2 国内外水肥一体化设备研究现状
1.2.1 国外水肥一体化技术研究现状
国外水肥一体化技术起步较早，20 世纪 60 年代，以色列开始发展水肥一体化灌溉施肥技术并建立了全国输水系统，将其应用于温室作物、果树等灌溉施肥工程领域(A. Sivagami et al., 2019)。20 世纪 70 年代，澳大利亚、以色列、墨西哥、新西兰、美国及南非的滴灌施肥技术快速发展(许文其，2018)。20 世纪 80 年代，以色列研发了一种自动推进机械灌溉系统，该系统包括肥料罐、文丘里施肥器和水压驱动肥料注射器等施肥设备，并将计算机控制技术融入到系统，提高了养分分布的均匀度，作物吸收水肥的效率也得到进一步提升(李寒松等，2018)。现在，以色列超过 80%的灌溉土地使用滴灌方法，水的利用率高达 95%，氮肥的利用率在也在 80%之上，形成了庞大的产业集团，如 NETAFIM 滴灌技术设备公司(Megersa Girma et al., 2015；尹飞虎，2018)。美国水肥一体化技术相对以色列起步较晚，却是微灌技术推广应用面积最大的国家，滴灌面积约为 95 万 hm2，占全国总灌溉面积的 4.2%。美国农业巨头杜邦公司所生产的灌溉施肥设备在农业中被广泛应用(赵吉红，2015)。荷兰的水肥一体化技术也已趋于成熟，荷兰设施农业以大型温室或连栋温室为主，种植作物的品种稳定，便于运用大型水肥一体化设备进行统一的灌溉施肥。经过多年的积累发展，荷兰设施农业管理者对作物多年的数据进行了统计和分析，建立需肥模型，已经做到精准施肥，并建立了配套的消毒设备，形成了消毒、复配、环境控制相结合的营养液循环利用模式，代表性的公司有普瑞瓦，其在农业灌溉设备制造领域也有较大影响(丁怡然，2018)。目前，发达国家将计算机、微控制器、PH 值传感器、EC 值传感器相结合，并运用先进控制算法，实现对肥料用量的精准控制，已经形成设备生产、肥料配制、推广和服务的完善技术体系。
2 系统总体方案设计
2.1 系统整体设计
轻简水肥一体化控制系统在整体设计上以低成本、简单易操作、精准控肥、可维护性强为原则，解决其他轻简水肥一体化设备(如文丘里施肥装置等)在灌溉施肥作业中所存在的水肥配比和控肥精度低问题。系统设计目标是控制整套系统成本，降低系统操作上的复杂度，精准调控水肥比例和精准控制施肥量。整套系统由上位机(基于树莓派开发的调节控制系统)、下位机(基于 Arduino 开发的数据采集系统)、远程控制 App所组成，实现实时调控水肥比例、自动化精准灌溉施肥的功能。
2.1.1 温室灌溉施肥需求分析
设计系统之前，须明确温室农户灌溉施肥需求，温室农户灌溉施肥流程为温室土壤环境润湿、施肥、清洗管道。其中施肥过程中，主管道通水，已配置好的肥液从旁支管道注入，在主管道中以预定比例均匀混合后通过滴灌管路施用到温室作物，实现精准灌溉施肥作业，灌溉施肥过程中，须精准控制施肥量。具体灌溉施肥需求为：
(1)灌溉施肥之前，首先灌溉一定量的水，充盈滴灌管路，并对温室土壤环境进行预润湿，使作物更好吸收营养肥液中营养成分。
(2)灌溉施肥过程中，肥液注入到主管道后与主管道中的水以设定比例混合后，经滴灌设备精准施用到作物，此过程需精准调控水肥比例和精准控制施肥量，即所需的水量灌溉结束后，配置的肥液也恰好注完。
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2.2 系统关键技术
系统中采用的关键技术包括树莓派处理器控制技术、Arduino 微控制器控制技术、PWM 实时调控技术、单神经元 PID 控制算法和 App 远程控制技术，综合运用这些技术，实现轻简水肥一体控制系统的润湿时间控制功能、水肥比例调控功能、施肥阶段时间控制功能和清洗阶段时间控制功能。
2.2.1 树莓派处理器控制技术
树莓派 3B 处理器是系统的核心控制部件，通过树莓派上板载外设(GPIO、I2C 等)实现对硬件模块的控制，系统的人机交互硬件控制模块、调速控制模块、直流隔膜泵、蜂鸣器报警装置均由树莓派直接控制，实现人机交互功能、水肥比例调控和控制施肥量功能。灌溉施肥过程中，所设计润湿时间控制算法、调控水肥施用比例算法、施肥时间控制算法和清洗时间控制算法均被树莓派处理器调用，实现对水肥精量控制。系统通过树莓派处理器控制技术实现灌溉施肥过程中水肥比例精准调控和施肥量精准控制。
2.2.2 Arduino 微控制器控制技术
Arduino 微控制器是系统用于采集水速和肥速的核心部件，系统灌溉施肥各个控制环节均需要精准的水速和肥速数据，Arduino 可根据设定的数据采样周期，采集霍尔流量传感器所反馈的脉冲数量，通过设计的流量控制算法，将采集周期内的脉冲数量转为精准的水速和肥速数据，水速和肥速的精确性直接影响系统控制精度。同时，Arduino 微控制器通过控制 HC-06 模块，建立与 App 数据通信，实现系统的远程控制功能。系统通过 Arduino 微控制器控制技术及流量控制算法，采集精准的水速和肥速数据，并通过 Arduino 实现远程控制功能。
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3 系统控制理论与算法设计 ........................... 14
3.1 系统控制过程 ................................... 14
3.2 流量控制算法 ............................. 14
4 单神经元自适应PID控制策略 ......................................... 19
4.1 单神经元PID原理 ....................................... 19
4.2 单神经元自适应PID调控策略 ............................ 20
5 系统设计与实现 ............................................ 28
5.1 控制系统设计 ................................... 28
5.2 系统硬件设计 ............................... 28
6 系统安装与试验验证
6.1 轻简水肥一体化控制系统安装
6.1.1 施肥管路组装
如图 37 所示，系统施肥管路设计采用旁通注入管道直接混合型。旁支管路的进肥口安装过滤器，防止肥液中未充分溶解的肥料渣阻塞施肥管道。施肥过程中隔膜泵抽取肥液，将营养肥液注入到主管道。隔膜泵出肥口一侧，安装霍尔流量传感器，用于测量肥速，并安装防倒吸阀门，防止发生倒吸现象。水和肥液在主管道的进水口混合。主管道进水口一侧安装霍尔流量传感器，用于测量水速，霍尔流量传感器内部转子转动对水肥混合液起到一定搅拌作用。主管道的水肥混合液出口一侧安装过滤装置，除去水肥混合液杂质，可接滴灌设备对温室作物进行灌溉施肥。
具体施肥流程为：隔膜泵的吸肥管口负责从肥液罐中吸取肥液，隔膜泵的另一侧管路接旁支管路，旁支管路接入主管路。营养肥液从隔膜泵一侧管路进入，流经隔膜泵。系统控制单元根据主管路流量传感器所测的水速，调控隔膜泵功率，控制肥速，使水和肥液以预期比例混合。
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7 总结与展望
7.1 总结
本文通过分析国内外水肥一体化设备的研究现状，针对国内其他简易施肥设备配肥精度低问题，设计一套按预定水肥比例为基准，实时调控水肥比例，精准控制施肥量的轻简水肥一体控制系统，系统具备成本低廉、操作轻简、易于维护等特点。通过调研温室农户的灌溉施肥需求，设计系统整体灌溉施肥方案，确立了系统灌溉施肥控制流程，开展对实现系统方案的关键技术研究。根据系统总体设计方案，设计灌溉施肥过程中的控制算法，其中在调节水肥比例过程中，采用 PWM 实时调控水肥比例算法和单神经元自适应 PID 算法调控水肥比例。基于系统设计方案、控制算法，进行系统硬件控制设计与软件设计，并设计了适合温室农民操作的远程控制 App，实现轻简水肥一体控制系统。在温室环境中对设计的控制算法进行验证，基于 PWM 实时调控水肥比例算法的控制系统所调控的水肥比例与标准水肥比例误差低于 0.6，控肥精度误差低于 5%，控制肥量误差小于 1L。系统以单神经元 PID 控制算法调控水肥比例，以水量和肥量比例为 500:15 为例，在 8S 时，水肥比例与标准水肥比例之间误差达到系统控制要求，之后，系统根据水速变化，微调肥速，使水肥比保持在可控制范围之内。本系统相对优势如下：
(1)所设计的轻简水肥一体控制系统与文丘里管、压差施肥罐等轻简水肥一体化设备相比，本套设备通过对施肥过程水肥混合比例监测，精准调控水肥混合比例，控肥精度高。与大型水肥一体化设备相比，在整体成本上，通过设计控制硬件控制系统，
降低系统整体成本；在操控方式上，设计了贴合农民使用的按键方式，只需输入水量和肥量即可；在外观设计上通过优化施肥管路，减小水肥一体机的体积。
(2)设计一款操作步骤精简，输入内容贴合农民知识范畴的 App，农户可通过 App在一定距离范围内一键操控轻简水肥一体化控制系统功能。通过 App 也可查看灌溉施肥过程中的信息，方便农户控制和管理温室灌溉施肥作业。
(3)设计流量控制算法、PWM 实时调控算法和施肥时间算法，在流量控制算法中加入调整系数 N ，并设计确立调整系数方法，对传感器误差进行纠正，可获取精准水速和肥速数据。PWM 实时调控算法经过试验验证，水肥配比与标准水肥比例误差在 0.6范围内。施肥时间算法中加入误差系数2N ，设计确立误差系数的方法，对累积误差进行补偿，经试验验证：控肥精度误差低于 5%，控肥量误差低于 1L。
参考文献（略）