CN111727713A - 一种果园简易水肥一体化自动控制注肥系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种果园简易水肥一体化自动控制注肥系统及注肥控制方法，系统包括基于Arduino数据采集子系统、基于树莓派控制系统、App远程控制单元，基于树莓派控制系统根据获取到的数据，能够自动完成土壤预润湿时间控制任务、水肥混合比调控和注肥时间控制任务、冲洗管道时间控制任务，整个系统及方法具备简单易操作、抽肥精度高、水肥比例调控精确的特点，且系统性能稳定性好、安全性高。

Description

一种果园简易水肥一体化自动控制注肥系统及方法
技术领域
本发明涉及一种果园农业自动化设备，具体涉及一种果园简易水肥一体化自动控制注肥系统及方法。
背景技术
传统的果园施肥方式通常是通过人力方式将肥料进行施撒，再通过沟渠对果园果树进行大水漫灌，以达到对果园灌溉施肥的效果。然而，传统施肥方式无法根据果树的实际需求及土壤状况进行科学合理施肥，进而容易造成果园土壤中的营养元素比例失衡、缺失等情况，还易造成水肥浪费和土壤污染。针对传统果园施肥方式所存在的问题，本系统结合水肥一体化技术设计了一种果园简易水肥一体化自动注肥机设备，而水肥一体化技术是现代农业中将水和肥按照科学比例混合进行浇灌的新技术。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种果园简易水肥一体化自动控制注肥系统及方法，具备简单易操作、抽肥精度高、水肥比例调控精确的特点，且系统性能稳定性好、安全性高。
为实现上述发明目的，本发明所采取的技术方案为：
一种果园简易水肥一体化自动控制注肥系统，它包括基于Arduino数据采集子系统、基于树莓派控制系统、App远程控制单元。
基于树莓派控制系统分别与Arduino数据采集子系统、泵连接，与App远程控制单元通信连接，用户通过按键输入或App远程控制方式输入标准水肥比参数，基于树莓派控制系统根据用户输入的标准水肥比、Arduino数据采集系统反馈的水速、肥速去调节泵的吸肥速率，控制水肥比。
所述Arduino数据采集子系统，包括微控制器Arduino、霍尔流量传感器，Arduino通过霍尔流量传感器采集水速、肥速数据，采用串口通信方式，将数据传递到基于树莓派控制系统处理器中。
所述基于树莓派控制系统，包括树莓派处理器、直流电源单元、输入设备、显示设备、水泵控制单元和蜂鸣器。
基于树莓派控制系统根据获取到的数据，能够自动完成土壤预润湿时间控制任务、水肥混合比调控和注肥时间控制任务、冲洗管道时间控制任务。
所述直流电源单元，采用直流电源转换器，将220V家用交流电转换输出为额定直流电压24V，额定直流电流为2A，直流电源输出稳态直流电压、直流电流，为吸肥泵提供稳态功率；
所述树莓派处理器对输入设备和显示设备控制，矩阵键盘为输入设备，其每行每列按键电路配置树莓派GPIO引脚，使其一一对应；显示设备为LCD1602与树莓派处理器通信遵循I2C协议，需要对树莓派操作系统的I2C数据接口进行相应的配置。
按键输入模块、显示设备LCD1602与树莓派物理电路连接，基于树莓派控制系统可获取水肥比标准值并显示灌溉数据；
所述水泵控制单元，连接吸水泵和吸肥泵，树莓派处理器通过调速模块调控吸肥泵功率，树莓派处理器通过改变PWM占空比改变树莓派GPIO输出引脚上电压，控制电机开启、做功功率、关闭。实现小信号控制大功率电机目标，通过控制吸肥泵功率控制肥速，实时调控水肥比，直到系统达到稳态；
树莓派处理器通过继电器对蜂鸣器进行控制，冲洗管道时间过后，实现报警，提示用户灌溉注肥作业结束。
所述APP远程控制单元：包括移动手机App应用程序、蓝牙设备以及APP与Arduino微控制器数据通信程序。App后台应用程序通过Socket与蓝牙设备串口进行通信，并向蓝牙串口发送数据，Arduino通过串口获取蓝牙串口上的数据，将数据进行转化后，通过串口通信方式，将数据反馈到树莓派处理器。同时，App也可通过蓝牙串口获取Arduino采集的水速、肥速数据并将数据进行展示。
一种果园注肥控制方法，分为三个步骤：
(1)润湿阶段：对果园土壤环境进行预润湿，对预润湿时间进行控制，可有效防止肥液浓度过高的问题，促进果树对营养物质的吸收与利用；
(2)注肥阶段：树莓派实时调控水肥混合比例和对注肥时间进行控制，进行注肥；
(3)清洗阶段：树莓派对清洗管道时间进行控制，清洗管道。
在具体操作步骤(1)之前，对流量传感器进行校准。首先明确霍尔流量传感器工作原理，霍尔流量传感器工作原理为：霍尔流量传感器电磁转子转动时，信号输出端电压在0到3V间变化，在Arduino IDE中编写程序时，只统计电压变化阶段的脉冲个数，0V或3V时反馈的脉冲个数不能作为流量计算公式的参数。
流量的计算公式为：
Figure BDA0002491825120000021
式中Q为流量(单位：升每小时)；F为脉冲频率；N为比例参数；K通常为取值介于7.5≤K≤8.1的常数。
根据流量计算公式，需确定比例参数N，参数校准方法具体为：用一定体积量杯盛装水肥液，吸肥泵在一定占空比下工作，通过多次实验，用秒表计时方法统计吸肥泵抽完水肥液所耗用的时间。对所统计的时间数据取均值，可计算流速为：
Figure BDA0002491825120000031
其中v代表实际平均流速(单位：升每小时)，V代表水肥体积(单位：升)，T代表时间(单位：秒)。
假设计算出实际水肥流速为V1，流量传感器反馈的水肥流速为V2，误差为
Figure BDA0002491825120000032
多次实验后取误差值的均值作为流量计算公式N的值。校准后的流量传感器所反馈的流量数据与实际流量数据之间的误差值在可控制范围内，可满足实际工作需要。
步骤(1)，流量传感器校准后，农户可通过按键或手机app远程操作的方式输入总的灌溉水量和肥量,树莓派处理器自动计算水肥比和润湿阶段时间。
假设土壤环境预湿润阶段所需的滴灌水量占总滴灌水量的百分比为α，果树土壤环境预湿润时间计算公式为：
Figure BDA0002491825120000033
式中T为润湿阶段时间(单位：秒)，α为润湿阶段所需要的水量占总灌溉水量百分比，G为滴灌水的总量(单位：升)，V为水速(单位：升每小时)，t为Arduino与树莓派处理器数据通信所占用的时间(单位：秒)。利用LCD1602显示器和手机app可显示实时水速数据、润湿阶段时间等信息。
步骤(2)，润湿阶段结束后，进行注肥阶段。注肥阶段具体控制流程如图2所示。树莓派处理器通过L298N调控肥速，调节实时水肥比。具体为：Arduino数据采集子系统通过串口通信方式，将采集的水速和肥速发送到树莓派处理器，处理器将获取的数据进行处理，实时计算出水速和肥速比值并与用户输入的水肥比进行比较，如果实时水肥比与标准水肥比差值未在误差范围内，继续调节肥速，直到水肥比与标准水肥比偏差值在误差范围内，肥速调节完成，系统达到稳态。
偏差值判断条件为：
Figure BDA0002491825120000034
上式中G为总的灌溉水量(单位：升)，β为注肥阶段所需滴灌水量占总的滴灌水量百分比，W为总的营养肥液量(单位：升)，V1为水速(单位：升每小时)，V2为肥速(单位：升每小时)，N为误差系数。
N可根据经验取值，滴灌的水量和肥量之间的比例较大、调节肥速到设定范围内所耗用的时间过长、调速过程PWM占空比在某个区间循环摆动，则可适当放大误差系数。明确调控模型后，编写比例调控程序。
步骤(2)，系统达到稳态后，水速较平稳，所需要灌溉的水量占总的灌溉水量的百分比为β，已配置好的肥液在此阶段内均匀注入到主管道内，通过此阶段所需灌溉水量与水速，计算出的灌溉时间应与肥量注完的时间应相同，才能达到理想的水肥混合比例效果。因此，须提高简易水肥一体化机抽取肥液的精度，精确注完肥液的时间。通过以上分析，注肥时间计算为：
Figure BDA0002491825120000041
其中T为注肥时间(单位：秒)，G为总的水量(单位：升)，V1为主管道内水速(单位：升每小时)，T1为调节肥速的时间(单位：秒)
N1为比例系数。
调节肥速时间确定方法为：肥速调节完成，系统达到稳态后，系统根据注肥阶段需要的滴灌水量、水速，计算出理论注肥时间。树莓派操作系统会调用python库中封装的time库函数，调用time()方法计算调速开始和调速完成的时间间隔，即调速时间T1。理论注肥时间减去调速时间，即得出理论注肥时间，计算出的理论注肥时间需要根据实际注肥时间按一定比例系数对累计误差进行补偿以提高抽肥精度。
比例系数确定方法为：在温室实验田内进行多次注肥实验，统计系统根据算法公式计算出的注肥时间和实际抽肥结束的时间，分别计算出均值，实际注肥时间均值和系统注肥时间均值比值即为比例系数N1的值。确定N1的值后，可在树莓派中编写控制注肥时间程序。
步骤(3)清洗阶段，清洗果园管道时间控制具体为：防止注肥管道阻塞，需要对管道残余肥渣进行冲洗，所需水量占总的灌溉水量的百分比为γ。树莓派根据获取的水速计算出冲洗时间，冲洗时间过后，树莓派通过继电器启用蜂鸣器进行报警，提示用户灌溉注肥任务结束。
树莓派处理器计算冲洗管道的时间算法公式为：
Figure BDA0002491825120000042
式中T2为冲洗管道时间，γ为清洗阶段所需水量占总的滴灌水量百分比,0<γ<0.5，G为总的灌溉水量，V3为主管道水速。根据冲洗管道时间算法公式，编写相应控制程序。
本发明的有益效果为：
1、操作简易，自动化程度高。农户输入灌溉的水肥量后，系统自动完成灌溉、注肥的任务。
2、调控的水肥混合比例精准，抽肥精度高。
3、设计手机app远程控制操作，可以远程操作和监视设备的水肥比调控状况。
4、针对管道容易阻塞的问题，设计控制清洗管道时间。
附图说明
图1为果园注肥控制方法流程图；
图2为注肥阶段具体控制图。
具体实施方式
一种果园简易水肥一体化自动控制注肥系统，它包括基于Arduino数据采集子系统、基于树莓派控制系统、App远程控制单元。
基于树莓派控制系统分别与Arduino数据采集子系统、泵连接，与App远程控制单元通信连接，用户通过按键输入或App远程控制方式输入标准水肥比参数，基于树莓派控制系统根据用户输入的标准水肥比、Arduino数据采集系统反馈的水速、肥速去调节泵的吸肥速率，控制水肥比。
所述Arduino数据采集子系统，包括微控制器Arduino、霍尔流量传感器，Arduino通过霍尔流量传感器采集水速、肥速数据，采用串口通信方式，将数据传递到基于树莓派控制系统处理器中。
所述基于树莓派控制系统，包括树莓派处理器、直流电源单元、输入设备、显示设备、水泵控制单元和蜂鸣器。
基于树莓派控制系统根据获取到的数据，能够自动完成土壤预润湿时间控制任务、水肥混合比调控和注肥时间控制任务、冲洗管道时间控制任务。
所述直流电源单元，采用直流电源转换器，将220V家用交流电转换输出为额定直流电压24V，额定直流电流为2A，直流电源输出稳态直流电压、直流电流，为吸肥泵提供稳态功率；
所述树莓派处理器对输入设备和显示设备控制，矩阵键盘为输入设备，其每行每列按键电路配置树莓派GPIO引脚，使其一一对应；显示设备为LCD1602与树莓派处理器通信遵循I2C协议，需要对树莓派操作系统的I2C数据接口进行相应的配置。
按键输入模块、显示设备LCD1602与树莓派物理电路连接，基于树莓派控制系统可获取水肥比标准值并显示灌溉数据；
所述水泵控制单元，连接泵，其包括吸水泵和吸肥泵，树莓派处理器通过调速模块调控吸肥泵功率，树莓派处理器通过改变PWM占空比改变树莓派GPIO输出引脚上电压，控制电机开启、做功功率、关闭。实现小信号控制大功率电机目标，通过控制吸肥泵功率控制肥速，实时调控水肥比，直到系统达到稳态；
树莓派处理器通过继电器对蜂鸣器进行控制，冲洗管道时间过后，实现报警，提示用户灌溉注肥作业结束。
所述APP远程控制单元：包括移动手机App应用程序、蓝牙设备以及APP与Arduino微控制器数据通信程序。App后台应用程序通过Socket与蓝牙设备串口进行通信，并向蓝牙串口发送数据，Arduino通过串口获取蓝牙串口上的数据，将数据进行转化后，通过串口通信方式，将数据反馈到树莓派处理器。同时，App也可通过蓝牙串口获取Arduino采集的水速、肥速数据并将数据进行展示。
根据图1系统整体业务流程图所示，果园的整个注肥控制方法可分为三个阶段步骤：(1)润湿阶段；对果园土壤环境进行预润湿，对预润湿时间进行控制；(2)注肥阶段：树莓派实时调控水肥混合比例和对注肥时间进行控制；(3)清洗阶段：树莓派对清洗管道时间进行控制。
1、对流量传感器进行校准。首先明确霍尔流量传感器工作原理，霍尔流量传感器工作原理为：霍尔流量传感器电磁转子转动时，信号输出端电压在0到3V间变化，在ArduinoIDE中编写程序时，只统计电压变化阶段的脉冲个数，0V或3V时反馈的脉冲个数不能作为流量计算公式的参数。流量的计算公式为：
Figure BDA0002491825120000061
式中Q为流量(单位：升每小时)；F为脉冲频率；N为比例参数；K通常为取值介于7.5≤K≤8.1的常数。
根据流量计算公式，需确定比例参数N，参数校准方法具体为：用一定体积量杯盛装水肥液，吸肥泵在一定占空比下工作，通过多次实验，用秒表计时方法统计吸肥泵抽完水肥液所耗用的时间。对所统计的时间数据取均值，可计算流速为：
Figure BDA0002491825120000062
其中v代表实际平均流速(单位：升每小时)，V代表水肥体积(单位：升)，T代表时间(单位：秒)。
假设计算出实际水肥流速为V1，流量传感器反馈的水肥流速为V2，误差为
Figure BDA0002491825120000071
多次实验后取误差值的均值作为流量计算公式N的值。校准后的流量传感器所反馈的流量数据与实际流量数据之间的误差值在可控制范围内，可满足实际工作需要。
2、润湿时间控制。流量传感器校准后，农户可通过按键或手机app远程操作的方式输入总的灌溉水量和肥量,树莓派处理器自动计算水肥比和润湿阶段时间。假设土壤环境预湿润阶段所需的滴灌水量占总滴灌水量的百分比为α，果树土壤环境预湿润时间计算公式为：
Figure BDA0002491825120000072
式中T为润湿阶段时间(单位：秒)，α为润湿阶段所需要的水量占总灌溉水量百分比，G为滴灌水的总量(单位：升)，V为水速(单位：升每小时)，t为Arduino与树莓派处理器数据通信所占用的时间(单位：秒)。利用LCD1602显示器和手机app可显示实时水速数据、润湿阶段时间等信息。
3、润湿阶段结束后，进行注肥阶段。注肥阶段具体控制流程如图2所示。树莓派处理器通过L298N调控肥速，调节实时水肥比。具体为：Arduino数据采集子系统通过串口通信方式，将采集的水速和肥速发送到树莓派处理器，处理器将获取的数据进行处理，实时计算出水速和肥速比值并与用户输入的水肥比进行比较，如果实时水肥比与标准水肥比差值未在误差范围内，继续调节肥速，直到水肥比与标准水肥比偏差值在误差范围内，肥速调节完成，系统达到稳态。偏差值判断条件为：
Figure BDA0002491825120000073
上式中G为总的灌溉水量(单位：升)，β为注肥阶段所需滴灌水量占总的滴灌水量百分比，W为总的营养肥液量(单位：升)，V1为水速(单位：升每小时)，V2为肥速(单位：升每小时)，N为误差系数。
N可根据经验取值，滴灌的水量和肥量之间的比例较大、调节肥速到设定范围内所耗用的时间过长、调速过程PWM占空比在某个区间循环摆动，则可适当放大误差系数。明确调控模型后，编写比例调控程序。
6、系统达到稳态后，水速较平稳，所需要灌溉的水量占总的灌溉水量的百分比为β，已配置好的肥液在此阶段内均匀注入到主管道内，通过此阶段所需灌溉水量与水速，计算出的灌溉时间应与肥量注完的时间应相同，才能达到理想的水肥混合比例效果。因此，须提高简易水肥一体化机抽取肥液的精度，精确注完肥液的时间。通过以上分析，注肥时间计算为：
Figure BDA0002491825120000081
其中T为注肥时间(单位：秒)，G为总的水量(单位：升)，V1为主管道内水速(单位：升每小时)，T1为调节肥速的时间(单位：秒)
N1为比例系数。
调节肥速时间确定方法为：肥速调节完成，系统达到稳态后，系统根据注肥阶段需要的滴灌水量、水速，计算出理论注肥时间。树莓派操作系统会调用python库中封装的time库函数，调用time()方法计算调速开始和调速完成的时间间隔，即调速时间T1。理论注肥时间减去调速时间，即得出理论注肥时间，计算出的理论注肥时间需要根据实际注肥时间按一定比例系数对累计误差进行补偿以提高抽肥精度。
比例系数确定方法为：在温室实验田内进行多次注肥实验，统计系统根据算法公式计算出的注肥时间和实际抽肥结束的时间，分别计算出均值，实际注肥时间均值和系统注肥时间均值比值即为比例系数N1的值。确定N1的值后，可在树莓派中编写控制注肥时间程序。
7、清洗阶段，清洗果园管道时间控制具体为：防止注肥管道阻塞，需要对管道残余肥渣进行冲洗，所需水量占总的灌溉水量的百分比为γ。树莓派根据获取的水速计算出冲洗时间，冲洗时间过后，树莓派通过继电器启用蜂鸣器进行报警，提示用户灌溉注肥任务结束。
树莓派处理器计算冲洗管道的时间算法公式为：
Figure BDA0002491825120000082
式中T2为冲洗管道时间，γ为清洗阶段所需水量占总的滴灌水量百分比,0<γ<0.5，G为总的灌溉水量，V3为主管道水速。根据冲洗管道时间算法公式，编写相应控制程序。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进在不付出创造性劳动前提下也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种果园简易水肥一体化自动控制注肥系统，其特征在于：它包括基于Arduino数据采集子系统、基于树莓派控制系统、App远程控制单元：
基于树莓派控制系统分别与Arduino数据采集子系统、泵连接，与App远程控制单元通信连接，用户通过按键输入或App远程控制方式输入标准水肥比参数，基于树莓派控制系统根据用户输入的标准水肥比、Arduino数据采集系统反馈的水速、肥速去调节泵的吸肥速率，控制水肥比；
所述Arduino数据采集子系统，包括微控制器Arduino、霍尔流量传感器，Arduino通过霍尔流量传感器采集水速、肥速数据，采用串口通信方式，将数据传递到基于树莓派控制系统处理器中；
所述基于树莓派控制系统，包括树莓派处理器、直流电源单元、输入设备、显示设备、水泵控制单元和蜂鸣器；
基于树莓派控制系统根据获取到的数据，能够自动完成土壤预润湿时间控制任务、水肥混合比调控和注肥时间控制任务、冲洗管道时间控制任务。
2.根据权利要求1所述的果园简易水肥一体化自动控制注肥系统，其特征在于：所述直流电源单元，采用直流电源转换器，将220V家用交流电转换输出为额定直流电压24V，额定直流电流为2A，直流电源输出稳态直流电压、直流电流，为吸肥泵提供稳态功率；
所述树莓派处理器对输入设备和显示设备控制，矩阵键盘为输入设备，其每行每列按键电路配置树莓派GPIO引脚，使其一一对应；显示设备为LCD1602与树莓派处理器通信遵循I2C协议，需要对树莓派操作系统的I2C数据接口进行相应的配置；
按键输入模块、显示设备LCD1602与树莓派物理电路连接，基于树莓派控制系统可获取水肥比标准值并显示灌溉数据；
所述水泵控制单元，连接吸水泵和吸肥泵，树莓派处理器通过调速模块调控吸肥泵功率，树莓派处理器通过改变PWM占空比改变树莓派GPIO输出引脚上电压，控制电机开启、做功功率、关闭；
树莓派处理器通过继电器对蜂鸣器进行控制，冲洗管道时间过后，实现报警，提示用户灌溉注肥作业结束；
所述APP远程控制单元：包括移动手机App应用程序、蓝牙设备以及APP与Arduino微控制器数据通信程序。App后台应用程序通过Socket与蓝牙设备串口进行通信，并向蓝牙串口发送数据，Arduino通过串口获取蓝牙串口上的数据，将数据进行转化后，通过串口通信方式，将数据反馈到树莓派处理器；同时，App也可通过蓝牙串口获取Arduino采集的水速、肥速数据并将数据进行展示。
3.一种果园注肥控制方法，其特征在于：分为三个步骤：
(1)润湿阶段：对果园土壤环境进行预润湿，对预润湿时间进行控制，可有效防止肥液浓度过高的问题，促进果树对营养物质的吸收与利用；
(2)注肥阶段：树莓派实时调控水肥混合比例和对注肥时间进行控制，进行注肥；
(3)清洗阶段：树莓派对清洗管道时间进行控制，清洗管道。
4.根据权利要求3所述的果园注肥控制方法，其特征在于：在具体步骤(1)之前，对流量传感器进行校准：首先明确霍尔流量传感器工作原理，霍尔流量传感器工作原理为：霍尔流量传感器电磁转子转动时，信号输出端电压在0到3V间变化，在Arduino IDE中编写程序时，只统计电压变化阶段的脉冲个数，0V或3V时反馈的脉冲个数不能作为流量计算公式的参数，流量的计算公式为：
Figure FDA0002491825110000021
式中Q为流量(单位：升每小时)；F为脉冲频率；N为比例参数；K通常为取值介于7.5≤K≤8.1的常数；
根据流量计算公式，需确定比例参数N，参数校准方法具体为：用一定体积量杯盛装水肥液，吸肥泵在一定占空比下工作，通过多次实验，用秒表计时方法统计吸肥泵抽完水肥液所耗用的时间，对所统计的时间数据取均值，可计算流速为：
Figure FDA0002491825110000022
其中v代表实际平均流速(单位：升每小时)，V代表水肥体积(单位：升)，T代表时间(单位：秒)；
假设计算出实际水肥流速为V1，流量传感器反馈的水肥流速为V2，误差为
Figure FDA0002491825110000023
多次实验后取误差值的均值作为流量计算公式N的值，校准后的流量传感器所反馈的流量数据与实际流量数据之间的误差值在可控制范围内，可满足实际工作需要。
5.根据权利要求3所述的果园注肥控制方法，其特征在于：步骤(1)，流量传感器校准后，农户可通过按键或手机app远程操作的方式输入总的灌溉水量和肥量,树莓派处理器自动计算水肥比和润湿阶段时间：
假设土壤环境预湿润阶段所需的滴灌水量占总滴灌水量的百分比为α，果树土壤环境预湿润时间计算公式为：
Figure FDA0002491825110000024
式中T为润湿阶段时间(单位：秒)，α为润湿阶段所需要的水量占总灌溉水量百分比，G为滴灌水的总量(单位：升)，V为水速(单位：升每小时)，t为Arduino与树莓派处理器数据通信所占用的时间(单位：秒)，利用LCD1602显示器和手机app可显示实时水速数据、润湿阶段时间等信息。
6.根据权利要求3所述的果园注肥控制方法，其特征在于：步骤(2)，润湿阶段结束后，进行注肥阶段：
树莓派处理器通过L298N调控肥速，调节实时水肥比，具体为：Arduino数据采集子系统通过串口通信方式，将采集的水速和肥速发送到树莓派处理器，处理器将获取的数据进行处理，实时计算出水速和肥速比值并与用户输入的水肥比进行比较，如果实时水肥比与标准水肥比差值未在误差范围内，继续调节肥速，直到水肥比与标准水肥比偏差值在误差范围内，肥速调节完成，系统达到稳态。
7.根据权利要求6所述的果园注肥控制方法，其特征在于：
偏差值判断条件为：
Figure FDA0002491825110000025
上式中G为总的灌溉水量(单位：升)，β为注肥阶段所需滴灌水量占总的滴灌水量百分比，W为总的营养肥液量(单位：升)，V1为水速(单位：升每小时)，V2为肥速(单位：升每小时)，N为误差系数；
N可根据经验取值，滴灌的水量和肥量之间的比例较大、调节肥速到设定范围内所耗用的时间过长、调速过程PWM占空比在某个区间循环摆动，则可适当放大误差系数；明确调控模型后，编写比例调控程序。
8.根据权利要求3所述的果园注肥控制方法，其特征在于：
步骤(2)，系统达到稳态后，水速较平稳，所需要灌溉的水量占总的灌溉水量的百分比为β，已配置好的肥液在此阶段内均匀注入到主管道内，通过此阶段所需灌溉水量与水速，计算出的灌溉时间应与肥量注完的时间应相同，才能达到理想的水肥混合比例效果；
注肥时间计算为：
Figure FDA0002491825110000031
其中T为注肥时间(单位：秒)，G为总的水量(单位：升)，V1为主管道内水速(单位：升每小时)，T1为调节肥速的时间(单位：秒)，N1为比例系数。
9.根据权利要求6所述的果园注肥控制方法，其特征在于：调节肥速时间确定方法为：肥速调节完成，系统达到稳态后，系统根据注肥阶段需要的滴灌水量、水速，计算出理论注肥时间：
树莓派操作系统会调用python库中封装的time库函数，调用time()方法计算调速开始和调速完成的时间间隔，即调速时间T1；
理论注肥时间减去调速时间，即得出理论注肥时间，计算出的理论注肥时间需要根据实际注肥时间按一定比例系数对累计误差进行补偿以提高抽肥精度；
比例系数确定方法为：在温室实验田内进行多次注肥实验，统计系统根据算法公式计算出的注肥时间和实际抽肥结束的时间，分别计算出均值，实际注肥时间均值和系统注肥时间均值比值即为比例系数N1的值。确定N1的值后，可在树莓派中编写控制注肥时间程序。
10.根据权利要求3所述的果园注肥控制方法，其特征在于：步骤(3)清洗阶段，清洗果园管道时间控制具体为：防止注肥管道阻塞，需要对管道残余肥渣进行冲洗，所需水量占总的灌溉水量的百分比为γ；树莓派根据获取的水速计算出冲洗时间，冲洗时间过后，树莓派通过继电器启用蜂鸣器进行报警，提示用户灌溉注肥任务结束；
树莓派处理器计算冲洗管道的时间算法公式为：
Figure FDA0002491825110000032
式中T2为冲洗管道时间，γ为清洗阶段所需水量占总的滴灌水量百分比,0<γ<0.5，G为总的灌溉水量，V3为主管道水速。
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