高集成智能水肥一体机

一、成果概述

Overview

1.1成果总体框架

本成果遵循"感知—控制—执行—反馈"闭环技术路线，硬件按"集中管理、分散控制"思想划分为感知层、控制层、执行层与网络层。控制层采用"工控一体机（上位机）+ STM32 嵌入式 MCU（下位机）"双核协同架构：上位机负责人机交互、本地数据存储与 4G/MQTT 云端通信，作为 Modbus 主站下发任务与参数；下位机以 100 ms 周期执行 EC/pH 模糊 PID 闭环、称重"减重法"总量计量与多通道泵阀协同控制。感知层摒弃模拟信号直连，构建基于 RS485 工业总线的全数字感知网络；执行层驱动施肥泵、电动调节阀、搅拌电机与主水泵，并与田间电动阀门、水肥一体化自动控制系统联动。

图 1　高集成智能水肥一体机技术框架（依据验收总结报告第二章第 2 节绘制）

图 2　高集成智能水肥一体机实物及现场安装图

1.2成果简介

二、成果技术体系构成

Technical Architecture

本成果不是单一施肥机，而是"双核控制硬件平台—数字化感知网络—水肥精准调控算法—首部与田间联动"贯通的首部装备技术体系，构建了"浓度 + 总量"的双重精准调控体系，并通过多通道泵阀协同解决多路吸肥过程中的压力耦合与流量争抢问题。

2.1"上位机 + 下位机"双核协同控制架构

2.2电源管理与嵌入式主控电路

各级输入输出端均配置防浪涌保护器与自恢复保险丝，防止电网电压波动损坏精密控制芯片。

2.3肥液 EC/pH 在线监测与模糊 PID 闭环控制

在混肥桶出口及主管道混合点布设工业级 EC 与 pH 传感器，以 EC 为主要评价参数、pH 为辅助约束。下位机对原始信号采用"中位值平均滤波法"（连续采样、去除最大最小值后求均值）消除脉冲干扰；内置温度补偿模型，将测量值修正为 25 ℃ 标准值（温度系数依肥料溶液特性取 0.019～0.022）。模糊 PID 控制器以浓度误差 e 和误差变化率 ec 为输入、以 K_p、K_i、K_d 修正量为输出，输入输出均定义 {NB, NM, NS, Z, PS, PM, PB} 7 个模糊子集，采用三角形隶属度函数；误差较大时增大 K_p、减小 K_d 以加快响应，接近稳态时增大 K_i 以消除静差。控制循环按"数据采集 → 滤波补偿 → 误差计算 → 模糊推理 → PID 参数更新 → 执行调节"以 100 ms 周期执行，输出转化为 PWM 占空比或电动调节阀开度，驱动施肥泵变频器或电动阀门改变注入主管道的母液流量。

2.4基于称重反馈的施肥总量精准控制

在储肥桶或混肥罐底部以三点或四点支撑布设 3～4 个悬臂梁式称重传感器，应变片阻值变化经惠斯通电桥转为差分电压，由 24 位高精度 A/D 模块（如 HX711）处理。控制逻辑分三阶段：施肥启动时锁定初始重量 W_start；过程中以 10 Hz 采样当前重量 W_current 并做滑动平均以消除水泵振动噪声，实时解算 W_fertilized = W_start − W_current；当已施肥量达到目标 W_target 时触发停机中断，同步关闭注肥泵与通道电磁阀。该方式不与肥液接触，规避了腐蚀与堵塞对计量精度的影响。

2.5多通道注肥泵阀协同控制

各吸肥通道拥有独立储肥桶、过滤器及电动调节阀，并联汇入主混肥腔或文丘里注肥器。针对"开启通道越多、主管路负压被分散、单通道吸肥效率下降"的流量争抢问题，构建"统一目标、分通道调节"策略：依据总配方比例（如 N:P:K）、总目标 EC 值与主管道实时流量，将总注肥流量动态分配到各通道；各通道电动调节阀根据流速反馈或预置开度模型线性调节；当系统总压力波动超过安全阈值或吸肥效率异常下降时，按预设养分优先级（如优先保障氮肥通道）微调各通道阀门动作时序，避免多阀同步大幅动作引发水锤与管网压力震荡。

2.6首部与田间轮灌的耦合

一体机支持按轮灌组配置施肥参数（定时施肥与定量施肥两种模式），用户可根据不同轮灌组内作物长势变量控制各组施肥量；轮灌组启动后系统依设定参数智能施肥。课题同时构建了滴灌管网数字化水力模型和基于水力条件与多优先级的智能轮灌编组方法，通过"仿真反馈—阀门开度优化—异步下发"的轻量化调控缓解组内压力分布不均，验收总结报告称输水过程损失率降低约 7 个百分点。该部分算法集成于水肥一体化自动控制系统，详见"成果 3"。

三、解决的关键瓶颈技术

Bottlenecks Resolved

本成果针对首部泵房水肥一体化装备长期存在的五类瓶颈开展攻关。以下每一方向均标注对应的佐证材料来源。

3.1瓶颈一：首部设备集成度低、操作繁琐

问题实质。首部泵房压力、流量监测设备与水泵、施肥机等控制设备分散，单一控制核心难以同时满足复杂人机交互、大数据存储、云端通信和毫秒级传感采集与泵阀控制。

技术路线。采用"工控一体机 + STM32"双核协同架构，上位机以 Modbus-RTU 主站管理下位机，下位机承担高频实时任务；首部压力、流量智能采集与水泵、施肥机远程控制集成于一台设备。

突破意义。实现首部装备高集成一体化，用户通过触摸屏或 App 即可完成注肥、施肥、首部监测与轮灌编组操作。

佐证。验收总结报告第二章 2.1 节；检测报告 2613500099（App 移动应用软件"注肥控制""施肥控制""首部监测""轮灌编组"检测项）；毛博文硕士学位论文《水肥一体化精准控制设备研究》。

3.2瓶颈二：混肥过程非线性、大时滞，配比不准

问题实质。管网水压波动、注肥泵非线性响应与水流混合延迟使固定参数 PID 易超调震荡或调节时间过长，肥液浓度难以稳定。

技术路线。中位值平均滤波 + 温度补偿预处理，参数自整定模糊 PID（7 个模糊子集、三角形隶属度）在线修正 K_p、K_i、K_d，100 ms 闭环执行；课题另提出改进粒子群优化 BP 神经网络 PID（IPSO-BP-PID）参数整定方法，克服 PSO 早熟收敛问题。

突破意义。MATLAB/Simulink 仿真表明超调量降低约 15%、调节时间缩短约 20%，实测肥液 EC 值控制误差稳定在 ±0.1 mS/cm 以内。

佐证。验收总结报告第二章 2.3.1 节、图 24；论文《基于改进粒子群优化 BP 神经网络 PID 参数整定》（《中国工程机械学报》）。

3.3瓶颈三：施肥总量计量受水压、杂质影响大

问题实质。"时间控制法"忽略水压波动对注肥流速的影响，"同样的时间、不同的注肥量"；"流量计计量法"面对高浓度、强腐蚀或含杂质母液易堵塞磨损，精度随使用时间大幅下降。

技术路线。以悬臂梁式称重模块直接计量肥液质量，10 Hz 采样 + 滑动平均滤波，"减重法"闭环停机。

突破意义。消除流体密度、温度和管道压力波动的影响，水压波动 ±0.02 MPa 工况下施肥总量误差保持在 1% 以内，并大幅降低维护成本。

佐证。验收总结报告第二章 2.3.2 节、附件 12.3 智能储肥塔；发明专利申请"一种农业耕作用的可精准施肥的施肥装置"（受理）。

3.4瓶颈四：多肥源并发施用时流量争抢

问题实质。多通道并联吸肥时主管路负压被分散，通道间水力耦合，单通道吸肥效率下降，多阀同步动作易引发水锤。

技术路线。"统一目标、分通道调节"：总量目标分解 + 分通道动态调节 + 压力平衡与时序优化（养分优先级）。

突破意义。最多 3 个施肥罐同时吸肥并单独精准计量，支持按配方比例的多肥源协同施用。

佐证。验收总结报告第一章任务 2、第二章 2.3.3 节。

3.5瓶颈五：泵房强电磁干扰与雷击风险

问题实质。首部泵房大功率电机启停、长距离布线带来共模干扰与地电位差，模拟信号直连易受干扰，雷击浪涌易损坏控制芯片。

技术路线。构建 RS485 全数字感知网络，集成带温度补偿的 EC/pH 传感器、电磁流量计与称重模块；光耦全隔离 + MAX485 + GDT/TVS 多级防雷；三级电源管理 + 防浪涌与自恢复保险丝。

突破意义。显著提升系统在强电磁干扰环境下的稳定性，保障多源感知数据在复杂电磁环境下稳定传输。

佐证。验收总结报告第二章 2.1（4）、2.2 节，图 23 RS485 隔离通信电路图。

四、取得的重大科技成果

Major Achievements

4.1研制了高集成智能水肥一体机并通过第三方检测

其余 13 项为 Web 端后台（首部监测、出地桩监测、轮灌控制、轮灌组控制、轮灌计划管理、种植决策）和"田小智"小程序（首部管理、阀门控制、轮灌控制、农情监测、巡田管理、工单管理、长势监测）检测项，均为"符合"，详见"成果 3"。

4.2实现了水肥精准调控的关键性能指标

4.3实现了推广应用

附件 9 收录"新疆大成高科信息技术有限公司泵房设备购买合同"（2024 年 7 月）。考核指标完成情况对照表载明一体机"在华兴昌吉农场安装使用，通过第三方测评，销售 42 套"。

4.4建成了水肥一体机组装生产线

2025 年，课题组在乌鲁木齐市米东区化工园建成电动阀门及水肥一体机生产线 2 条（厂房 500 余平方米），形成批量生产能力。

4.5形成了专著与论文成果

课题负责人李永可与王磊、赵涛合著《大田水肥一体化自动控制技术》（中国农业科学技术出版社，2026 年 7 月第 1 版，ISBN 978-7-5116-8273-4，350 千字），系统总结了水肥一体化首部装备、田间轮灌与自动控制技术。

五、技术经济指标与国际国内同类技术/产品的比较

Benchmarking

5.1产品技术特征比较

5.2主要技术经济指标

六、知识产权、技术标准、市场准入与权益归属

IP, Standards & Ownership

本成果发表中文核心期刊论文 2 篇，支撑登记软件著作权 1 项，申请发明专利 1 项（已受理），完成硕士学位论文 1 篇，出版专著 1 部。

6.1论文与专著

6.2软件著作权与专利

6.3技术标准情况

项目执行情况统计表载明研制和完成技术标准均为 0 项。第三方检测以委托方《智能水肥一体机及软件系统 委托测试需求及产品技术说明》为判定依据。

6.4新产品市场准入情况

一体机及配套软件已取得国家物联网智能安防及交通产品质量检验检测中心（浙江）检测报告（2613500099）。佐证材料中未见电气安全认证（如 CCC）或施肥设备相关产品认证文件；科技项目成果信息表登记技术成熟度为"中试阶段"，尚未登记技术合同。

6.5知识产权与成果权益归属

本成果尚未进行技术转让或许可。分体式太阳能智能电动阀门的专利转化合同所列"一种大田水肥一体化智能控制网关"（ZL202121682876.5）与首部控制相关，但已随阀门专利包全权转让，且申请时间（2021 年）早于本课题实施期。

七、试验基地、中试线、生产线建设情况

Facilities & Demonstration Sites

7.1水肥一体机组装生产线

依托米东区化工园 500 余平方米租赁厂房，与电动阀门生产线共同构成 2 条组装生产线，2025 年建成投用。

7.2应用示范基地

八、人才队伍建设情况

Talent Development

8.1研发队伍

课题由新疆农业大学牵头，课题负责人李永可主持首部装备研发；课题实施期内共投入研究与技术人员 24 人（其中高级职称 11 人），涵盖控制器硬件开发、嵌入式软件、系统集成与田间测试等方向。

8.2研究生培养

8.3技术骨干与农户培训（课题层面）

课题共培养大田水肥一体化精准控制技术骨干 6 人、高层次农业信息化人才 4 人，培训农户 100 余人次，其中"阜康市水肥一体化自动控制技术培训"（2025-12-09）直接面向水肥一体化设备操作人员。

九、成果综合评价与结论

Assessment & Conclusion

9.1成果创新性评价

第一，架构层面的双核协同。"工控一体机 + STM32"双核架构以 Modbus-RTU 主从通信将人机交互、数据管理、云端通信与毫秒级实时控制分层处理，实现首部装备高集成一体化。

第二，计量层面的质量化。以称重"减重法"替代时间法与流量计法，将体积计量转化为质量计量，从源头消除水压波动、杂质堵塞与温度变化对施肥总量的影响。

第三，控制层面的自适应与协同。参数自整定模糊 PID 应对混肥非线性大时滞，"统一目标、分通道调节"解决多通道流量争抢，并通过按轮灌组配置施肥方案实现首部与田间的水肥耦合。

9.2成果水平定位

• 产品质量：一体机及 Web、小程序、App 三类配套软件 17 个功能检测项全部符合。
• 技术性能：EC ±0.1 mS/cm、施肥总量误差 ≤1% 为课题组实测，尚待第三方性能检测确认。
• 产业化程度：已批量配套 40 余套、建成组装生产线，成果信息表登记为中试阶段。

9.3成果转化与推广前景

新疆高标准农田和兵团团场首部泵房普遍存在自动化改造需求，本产品可与分体式电动阀门、水肥一体化自动控制系统形成"首部 + 田间 + 平台"成套方案，已在阿拉尔五团以项目配套方式批量应用。建议在完成第三方性能检测与电气安全认证后推进技术许可或转让。

9.4验收结论建议

本成果目标明确、关键技术突破清晰、第三方功能检测通过、已批量应用并建成生产线。建议认定本成果达到课题考核指标 2"研制高集成智能水肥一体机一套"的约束性指标。

9.5需补充完善的事项（如实列出）

1. 性能指标缺少第三方验证：检测报告 2613500099 的检测项目为"软件质量要求（功能性）"，EC 控制误差、施肥总量误差、超调与调节时间改善等核心性能指标均为课题组仿真与实测，建议补充第三方性能检测或现场测评报告。
2. 主控芯片描述存在技术性错误：报告称下位机采用"STM32F407 系列微控制器（基于 ARM Cortex-M3 内核）"，主控芯片"STM32F407C8T6，封装 LQFP100，512 KB Flash、192 KB SRAM，倍频至 72 MHz"。STM32F407 为 Cortex-M4 内核、主频最高 168 MHz，且"C8"后缀与 LQFP100 封装、512 KB Flash 不对应。建议按实际器件更正。
3. 单位书写：正文 2 处 EC 误差写作"±0.1 ms/cm"，"取得成果"部分写作"mS/cm"，应统一为 mS/cm。
4. 设计方案演进需说明：论文与毛博文学位论文中的一体机基于"树莓派 3B+ + ESP32"，验收总结报告定型方案为"工控一体机 + STM32"，建议在报告中说明方案迭代过程，以免读者混淆。
5. 论文发表时间口径不一：《基于改进粒子群优化 BP 神经网络 PID 参数整定》在论文表中为 2025 年 12 月，在附件 3 清单中为 2024 年 12 月；毛博文学位论文在论文表中为"5 月"，在研究生表中为 2024 年 6 月。
6. 阿拉尔项目金额未拆分：331 万元合同同时包含 1923 套电动阀门与 42 套水肥一体机，建议拆分统计本成果的直接经济效益。
7. "首创"表述：报告称"首创'工控机 + STM32'双核协同方案"，上位机 + 下位机架构在工业控制领域较为常见，建议改为"在大田首部水肥装备中采用"等更稳妥的表述，或补充查新报告。

附录：佐证材料清单

Supporting Documents