基于物联网架构的智能配肥控制系统研究与开发

摘要

当前我国的设施农业发展面积虽然居于全国首位，但是农业产量却远远低于农业发达国家的平均水平。造成这一结果的原因是因为我国的灌溉施肥技术相对落后很多，缺乏相应的科学化、信息化、统一化管理。随着物联网等技术的快速发展，智慧农业将是农业未来发展的必然趋势。作物的需水量和需肥量控制必须依据科学的决策，而不是人为的经验去决定。本课题围绕智慧农业信息化管理技术和精准水肥配制技术，主要进行了以下方面的研究:
　　(1)分析国内外水肥一体化智能配肥控制技术的发展现状以及存在的问题，搭建了物联网管理平台，采用分层设计思想，将平台分为4个层次:物理感知层、数据传输层、信息决策层和应用控制层。依据此平台可解决智能配肥过程中的多维信息采集，智能决策、远程控制指导灌溉施肥作业。
　　(2)结合水溶性肥料市场的快速发展，研制了一种可以完成固体肥料配制的智能水肥一体机。采用模块化的思想，设计研发了基于STM32微控制器的智能配肥控制系统，并加入了灌溉施肥控制算法，实对闭环反馈，保证水肥溶液配制的精确性。采用触摸屏技术，设计了良好的人机交互界面，基于ModBus协议实现与物联网管理平台的双向通信。
　　(3)利用嵌入式技术，研制了一种自动反冲洗过滤器控制系统，该系统基于STM32微控制器可实现自动反冲洗控制任务，并可将过滤、反冲洗过程的关键信息上传至物联网管理平台，对关键信息进行综合分析处理，远程接收反冲洗指令，实现智慧节水。
　　（4)针对智能配肥控制系统水肥浓度控制的非线性问题，设计了模糊控制器。运用模糊控制理论制定了配肥控制系统的变量论域和模糊控制规则，通过测试验证了该模糊控制器的优越性。
　　通过以上研究工作，最终完成了智能配肥控制系统的开发，通过实际测试证明了该系统可满足实际控制要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．1．1 课题研究背景

1．1．2 课题研究意义

1．2 水肥一体化智能配肥控制系统国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 水肥一体化智能配肥控制系统存在问题与发展趋势

1．3．1 存在问题

1．3．2 发展趋势

1．4 本课题研究来源、主要研究目标和内容

1．4．1 本课题研究来源

1．4．2 主要研究目标

1．4．3 主要研究内容

第2章 物联网系统架构设计及其下的智能配肥控制系统

2．1 物联网系统的总体架构设计

2．1．1 物理感知层

2．1．2 数据传输层

2．1．3 信息决策层

2．1．4 应用控制层

2．2 物联网系统架构下的智能配肥控制系统

2．2．1 自动反冲洗过滤系统

2．2．2 智能水肥一体机系统

2．2．3 智能配肥控制系统工作原理

2．2．4 智能配肥控制系统设计原则

2．3 本章小结

第3章 智能水肥一体机系统的研究与开发

3．1 智能水肥一体机系统总体方案设计

3．1．1 系统功能需求分析

3．1．2 系统结构方案设计

3．1．3 系统控制方案设计

3．1．4 系统工作原理

3．2 智能水肥一体机控制系统硬件设计

3．2．1 MCU芯片选择

3．2．2 电源系统

3．2．3 模拟量采集模块

3．2．4 施肥模块

3．2．5 无线传输模块

3．2．6 人机交互模块

3．2．7 开关量输出控制模块

3．2．8 硬件电路的实现

3．3 基于ModBus协议的系统通信

3．3．1 ModBus协议简介

3．3．2 系统通信实现

3．4 系统控制程序设计

3．4．1 软件开发环境

3．4．2 系统主程序设计

3．5 人机交互界面设计

3．5．1 系统主界面及通讯口配置

3．5．2 自动模块

3．5．3 手动模块

3．5．4 监控模块

3．5．5 历史曲线模块

3．5．6 配方管理模块

3．5．7 系统设置模块

3．6 本章小结

第4章 自动反冲洗过滤器控制系统的研制

4．1 自动反冲洗过滤器控制原理

4．2 控制系统硬件平台设计

4．3 软件系统设计

4．4 控制器开发实现

4．5 本章小结

第5章 智能配肥控制系统水肥浓度控制策略研究

5．1 配肥控制系统的特点

5．2 模糊控制技术简介

5．3 模糊控制器设计

5．4 模糊控制系统试验验证

5．5 本章小结

第6章 智能配肥控制系统测试与应用

6．1 智能水肥一体机系统现场测试与应用

6．2 自动反冲洗过滤器控制系统的测试

6．3 智能配肥控制系统远程测试与应用

6．4 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

学位论文评阅及答辩情况表