水肥精准控制系统研究

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现阶段,我国农业水肥灌施方式主要以大水漫灌,肥料粗施为主,落后的灌施方式导致生态环境破坏严重。在现代农业技术不断进步和发展的前提下,结合我国农业发展的实际情况,提高农业水肥利用率和施肥精准性成为研究热点。本文依托温室设施农业,对水肥精准耦合及温室水肥灌施情况进行研究,结合物联网相关技术设计了一套具有低成本、高精度、易操作、可远程控制等优点的水肥精准控制系统。其主要研究内容包括如下四个部分:(1)为研究影响管道内水肥耦合效果的因素,本文基于计算流体力学理论对混肥角度、混肥管径和水肥注速比三个因素对水肥耦合过程的影响进行数值模拟研究,根据仿真结果和数据分析不同因素的影响大小,为后续设计系统控制方案及混肥管路提供理论基础。结果表明,水肥注速比对水肥耦合效果影响较大。同时,结合用户需求分析,确定水肥精准控制系统整体设计方案,包括系统控制原理、控制模式及控制流程,并介绍了系统所用的关键技术,同时对系统方案做可行性分析。(2)为实现水肥配比的精准调控,在详细分析农业水肥灌施特点的基础上,本文设计了一种基于PSO和BP神经网络优化的PID水肥控制模型。通过MATLAB进行系统仿真,与传统PID模型对比,该改进PID模型在调控时间以及超调量控制方面具有更优的表现。(3)根据系统总体设计方案,对水肥精准控制系统进行设计与实现。系统由上位机和下位机组成。上位机以联发科MT8753开发板为主控制器,其搭载Android操作系统,通过Java语言开发系统应用程序,用于输出水肥灌施过程(管道润湿、水肥同施、管道清洗)的控制指令和实现数据可视化。下位机以STM32开发板为核心,用于控制流量传感器采集管路水肥速度值,并通过Wi Fi通信方式与上位机进行数据交互。与此同时,本文也对数据通信协议与移动端App进行设计和开发,方便用户进行远程控制。(4)为验证水肥精准控制系统的实际表现,本文在实验室搭建了混肥管路和系统电路,并对系统通信可靠性、传感器数据准确性、PWM占空比与吸肥速度关系以及系统控制效果等进行了系统功能测试。测试结果表明,该系统可实现对水肥灌施过程的实时调控以及水肥配比的精准控制。综合分析,该系统符合精准调控的新型农业概念,具有一定的工程应用价值。
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