我国灌溉水资源匮乏,化肥污染严重。为保持农业的可持续发展,对灌溉施肥的控制与管理技术的研究越来越受到重视。随着科学技术的快速发展,更多的新技术在农业灌溉施肥中得到广泛应用。国内外对农业灌溉施肥的控制与管理技术都做了许多研究。但与国外优秀技术进行对比,国内的研究起步较晚且技术相对落后,存在着较大程度的差距。虽然国外的设备较为成熟,但因作物生长因素、气候环境、土壤条件等差异,难以满足中国的实际需求;再者,国内针对水肥精准配比的研究较少,大多设备配比精度低,并且系统造价昂贵。故有必要设计一套物美价廉的水肥精准配比控制系统满足社会需要。本研究通过对系统结构、配比方法、控制算法、软硬件设计等方面的研究,设计了一套水肥精准配比控制系统,通过营养液比例调配和水肥溶液的浓度精准配比,配制出适合农作物生长需求的水肥溶液,从而提高作物的产量、质量,并节约能源、保护环境。本文主要工作与成果如下。(1)系统需求分析与整体设计。针对用户需求分析,明确了该系统应用于单个玻璃温室的无土栽培作物生产,需对四种作物所必需的营养液进行设定比例调配,并以此为母液进行设定浓度的水肥精准配比灌溉,并且浓度误差不得超过5%,系统还需具备定时定量灌溉以及无线遥控等功能。根据需求分析,本文设计了人机交互模块、母液调配模块和水肥配比灌溉模块三大功能模块,分别建立了吸肥泵、吸水泵水肥溶液流量的数学模型,建立流量传感器与水肥溶液流量的数学模型,确立了营养液比例调配方法以及水肥浓度配比方法。(2)模糊PID控制算法设计。基于确立的水肥浓度配比方法,本文设计了水肥精准配比控制系统的模糊PID控制器,将有着较好鲁棒性和较高可靠性的PID算法与传统的智能控制方法相结合,通过对输入输出模糊变量及其论域的设计,定义了模糊子集的隶属函数,设计了模糊控制器的控制规则,确立了反模糊化方法,将模糊PID控制器的输出直接作用到吸肥泵的控制模块,实现参数在线调整,保证配肥的准确性和稳定性。(3)系统硬件设计。根据系统功能需求分析,确定了各路管径的选型与接连,确定了吸肥泵、吸水泵、流量传感器以及电磁阀等重要器件的选型,选定HMI工控屏作为人机交互模块,母液调配模块和水肥配比灌溉模块中数据采集与控制单元选用STM32F103单片机,各设备模块之间通过三个CC2530模块进行无线通信。设计了电源模块电路,无线通信模块电路,串口通信模块电路,执行机构驱动电路。(4)系统软件设计。按照系统设备功能模块进行了软件设计,CC2530模块中完成了ZigBee无线通信的软件设计,人机交互模块中完成了HMI工控屏的软件设计以及实现串口通信功能的串口驱动软件设计,母液调配模块与水肥配比灌溉模块中完成了STM32单片机的软件设计。(5)系统性能测试分析。经试验测试表明,该水肥精准配比控制系统各模块均能够稳定有效地进行工作,其中母液调配模块能够根据预设定营养液调配比例进行精准调配,其各路调配误差均不超过5%,水肥配比灌溉模块能够按照设定浓度将水肥母液与水进行稳定的配比灌溉,且其浓度配比误差也不超过5%,满足实际控制要求。人机交互模块系统界面友好易于操作,能实时显示水肥溶液的各项参数和各器件模块的工作状态,能够满足水肥精准配比的实际生产需要。综上所述,本文提出的营养液比例调配方法与水肥精准配比方法,以及模糊PID控制器和水肥精准配比控制系统研发过程,对研究水肥一体化灌溉技术提供了新的思路和积极的参考价值。