北京云靴科技有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱“云靴科技”）對(duì)水肥一體機(jī)設(shè)定了精確研發(fā)目標(biāo)， 旨在可以進(jìn)行高精度EC、pH 控制，同時(shí)要求設(shè)備具有較低的維護(hù)成本以及較高的設(shè)備在線率。設(shè)備還需滿足使用者需要，可以進(jìn)行二次定義與設(shè)計(jì)。

在農(nóng)業(yè)設(shè)施設(shè)備領(lǐng)域，困難在于設(shè)備的技術(shù)支持、設(shè)備維護(hù)、設(shè)備維修，在不在現(xiàn)場(chǎng)的情況下，僅靠溝通，很難定位清楚問題真正所在。

有鑒于此，云靴科技在開始建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)和施肥機(jī)的時(shí)候，就提出了設(shè)備虛擬化，即基于云靴科技自研的云計(jì)算平臺(tái)，發(fā)展虛擬物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)， 把全國(guó)各地的農(nóng)業(yè)設(shè)施設(shè)備虛擬到系統(tǒng)工程師的電腦上，只要工程師一開電腦，就完成在全國(guó)設(shè)備的遠(yuǎn)程故障實(shí)際定位，快速制定出維護(hù)維修的策略，最大限度遠(yuǎn)程解決維護(hù)維修，以達(dá)到設(shè)備維護(hù)成本最低、設(shè)備在線率最高的目標(biāo)。云靴科技虛擬物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1。

圖1 虛擬物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

云靴科技的農(nóng)業(yè)智能設(shè)施設(shè)備上均配備了工控機(jī)作為設(shè)備端運(yùn)行大腦， 工控機(jī)為自編譯的Linux 系統(tǒng)， 對(duì)Linux 內(nèi)核進(jìn)行了裁剪和自設(shè)計(jì)的協(xié)議封裝， 配套上安全設(shè)計(jì)（ 工程師要通過維護(hù)通道訪問到設(shè)備， 先申請(qǐng)專有的安全請(qǐng)求碼， 由技術(shù)總監(jiān)或用戶完成授權(quán)， 否則禁止訪問）。

以下是筆者使用云靴科技的虛擬物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，在杭州分公司訪問濟(jì)南商河的正在安裝的設(shè)備日志（圖2），從中可以清晰的分析問題所在， 并協(xié)助用戶定位問題。

圖2 遠(yuǎn)程問題查詢界面

想真正完成遠(yuǎn)程維修，除了虛擬物聯(lián)網(wǎng)協(xié)助（圖3），還需要設(shè)備廠家的配件自給率比較高， 特別是主設(shè)備，設(shè)備需盡可能設(shè)計(jì)成拔插式。

圖3 云靴科技典型物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

在這些基礎(chǔ)上，配合照片等手段，可以完成95% 以上的設(shè)備維修維護(hù)。此外， 遠(yuǎn)程可升級(jí)軟件并查找問題，使得系統(tǒng)版本盡可能統(tǒng)一。

云靴科技研發(fā)團(tuán)隊(duì)參考了PLC、阿里IOT 物模型等經(jīng)典結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了以內(nèi)存映射表為核心的指令交換結(jié)構(gòu)，所有模塊的IO 數(shù)據(jù)接口，要求全部映射到數(shù)據(jù)內(nèi)存表中，使得腳本語言可以輕易完成各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)交換，完成業(yè)務(wù)邏輯的驅(qū)動(dòng)，且非常短小精干。

云靴科技的腳本驅(qū)動(dòng)語言，目前總計(jì)9 條指令，設(shè)計(jì)了工程師的配置接口，使得腳本語言可以被非編程專業(yè)的工程師使用。腳本驅(qū)動(dòng)語言未來即使擴(kuò)展需要，也預(yù)計(jì)不會(huì)超過15 條指令。

腳本驅(qū)動(dòng)語言只對(duì)內(nèi)存表進(jìn)行二次判斷、定義、賦值，專門設(shè)計(jì)了可視化的IDE，集成了開發(fā)使用窗口，使得腳本的定義、編輯、編譯、上傳、調(diào)試簡(jiǎn)單化（圖4）。

圖4 施肥機(jī)低代碼平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)對(duì)外接口，系統(tǒng)遵循MQTT 協(xié)議作為標(biāo)準(zhǔn)，方便與阿里云、騰訊、百度等系統(tǒng)對(duì)接。系統(tǒng)對(duì)內(nèi)接口，采用RS485 作為設(shè)備部件的通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。無論對(duì)外還是對(duì)內(nèi)的接口，都提供了可視化定義的工具，不需要二次編寫程序。

施肥機(jī)需要解決的核心問題之一是提供平穩(wěn)精確的EC-pH 輸出。為此研發(fā)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了數(shù)學(xué)的算法來對(duì)應(yīng)，使得施肥機(jī)的輸出平穩(wěn)有效。在控制領(lǐng)域， 最著名的是PID 比例微積分控制， EC 和pH 在施肥機(jī)的控制基本方式是，每多少單位的水， 提供多少單位的母液和酸堿液量。EC 和pH 實(shí)際上也是個(gè)積分量的平衡控制，PID是個(gè)反饋控制的過程，從發(fā)起調(diào)節(jié)到獲得EC 和pH 目標(biāo)，中間的時(shí)間是比較長(zhǎng)，可能比我們需要灌溉的時(shí)間還要長(zhǎng)一點(diǎn)， 因此不能直接使用PID 來調(diào)配EC 和pH 的比例控制。

想穩(wěn)定輸出，首先應(yīng)該解決比例微積分的正向比例問題，因此需要一個(gè)數(shù)學(xué)模型來快速計(jì)算。云靴科技經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間定量測(cè)定測(cè)試，多次數(shù)學(xué)模型矯正，提出了EC 精確控制正向快速計(jì)算的數(shù)學(xué)模型：

上述公式ec1 為原水的EC，v1 為原水的體積，ec2 為母液的EC，ec3 為目標(biāo)液體的EC。

計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)切片是很快的，上述參數(shù)的a 和b 的恒量，很容易很快累積計(jì)算出來，作為后面PID 運(yùn)算的基本比例參數(shù)，同樣也得出了pH 的類似累積計(jì)算公式

除去算法， 還需要優(yōu)化執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 因此云靴科技設(shè)計(jì)了施肥機(jī)母液比例控制器、改進(jìn)了母液流量計(jì)的PCB 電路使得信號(hào)傳輸與控制器更匹配，并采用了原裝進(jìn)口的母液控制電磁閥。在完成了這些結(jié)構(gòu)性改進(jìn)之后， 數(shù)學(xué)模型的威力才真正得到體現(xiàn)， 從EC 和pH 的控制精度、系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性方面得到了大幅提升（圖5~9）。

圖5 施肥機(jī)的母液控制器（毫秒級(jí)）

圖6 改進(jìn)的流量計(jì)脈沖

圖7 原裝進(jìn)口的施肥電磁閥

圖8 某施肥機(jī)（水培）EC 運(yùn)行跟蹤

圖9 某施肥機(jī)（水培）pH 運(yùn)行跟蹤

在研發(fā)施肥機(jī)的過程中，關(guān)于如何自動(dòng)化灌溉，是個(gè)極大難題。云靴科技在2019 年底開始研究國(guó)外最先進(jìn)的基質(zhì)灌溉理論，成功完成了技術(shù)升級(jí)（圖10~12）。云靴科技設(shè)計(jì)了三種智能灌溉的策略：①定時(shí)灌溉；②按土壤，土壤濕度小于一定數(shù)額，觸發(fā)灌溉( 包含基質(zhì)稱重)；③ 按太陽輻射，完成一定輻射累積量，即可觸發(fā)灌溉，用戶決策是1 次或多次。

圖10 灌溉邏輯中的限制因素 

圖11 灌溉的次數(shù)設(shè)置 

圖12 灌溉的時(shí)間設(shè)置

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在施肥機(jī)系統(tǒng)中， 用戶的應(yīng)用場(chǎng)景千變?nèi)f化，幾乎沒有一樣的項(xiàng)目，因此需設(shè)計(jì)成部分啞終端，或勉強(qiáng)應(yīng)用，或重新設(shè)計(jì)施肥機(jī)軟件。相對(duì)好一點(diǎn)的是，用組態(tài)PLC 來調(diào)度補(bǔ)充場(chǎng)景， 跟各類系統(tǒng)的接口比較麻煩，還有成本高、技術(shù)復(fù)雜度、系統(tǒng)分離、后期運(yùn)維問題等。

有鑒于此， 施肥機(jī)低代碼平臺(tái)， 設(shè)計(jì)了精簡(jiǎn)腳本驅(qū)動(dòng)語言的設(shè)計(jì)， 通過腳本語言來二次定義施肥機(jī)的基本工作邏輯， 使得內(nèi)部底層軟件系統(tǒng)不會(huì)隨著項(xiàng)目變動(dòng)， 用戶的需求又能容易實(shí)現(xiàn)， 配合界面層的無代碼設(shè)計(jì)， 讓系統(tǒng)的工作狀態(tài)與項(xiàng)目目標(biāo)高度一致。精簡(jiǎn)腳本驅(qū)動(dòng)語言， 使得硬件工程可以根據(jù)項(xiàng)目定義工作流程。目前精簡(jiǎn)腳本驅(qū)動(dòng)語言只有9 條指令， 每條指令的工作模式一模一樣， 提供了簡(jiǎn)易的設(shè)計(jì)界面， 可依次執(zhí)行。施肥機(jī)精簡(jiǎn)腳本驅(qū)動(dòng)語言， 采用筆者多年總結(jié)的腳本語言實(shí)現(xiàn)之方法和理論， 使得腳本運(yùn)行異?？焖?， 甚至在自家設(shè)計(jì)11 MHZ 的51 單片機(jī)系統(tǒng)上都可快速運(yùn)行（圖13）。

圖13 精簡(jiǎn)腳本驅(qū)動(dòng)語言編輯器

通過精簡(jiǎn)施肥機(jī)驅(qū)動(dòng)腳本語言， 可以驅(qū)動(dòng)滴灌、水培、潮汐灌溉與廢水回收以及其他非典型( 如花卉多配方澆水) 的施肥機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景， 獲得較好的結(jié)果。隨著系統(tǒng)不斷應(yīng)用開發(fā)， 逐漸形成了各式各樣的施肥機(jī)腳本驅(qū)動(dòng)模板。

在完成施肥機(jī)的精簡(jiǎn)腳本驅(qū)動(dòng)語言之后，又面臨用戶參數(shù)錄入、用戶界面修改、用戶的大數(shù)據(jù)展示等難題，需要施肥機(jī)有進(jìn)一步的無代碼可視化設(shè)計(jì)軟件。

施肥機(jī)的參數(shù)錄入，特別是配合腳本語言的參數(shù)界面設(shè)計(jì)器（圖14），編譯輸出之后的效果（ 圖15），實(shí)現(xiàn)了不寫程序，完成了系統(tǒng)需要用戶輸入的參數(shù)錄入。

圖14 參數(shù)界面設(shè)計(jì)器

圖15 參數(shù)錄入實(shí)際運(yùn)行效果

很多時(shí)候，用戶并不喜歡千篇一律的界面， 對(duì)于與自身關(guān)聯(lián)不大的界面比較排斥。在低代碼施肥機(jī)系統(tǒng)，特別設(shè)計(jì)了設(shè)備端可視化設(shè)計(jì)器， 基本上不需要寫程序，就可以通過簡(jiǎn)單拖拽生成用戶需要的工作界面，分離了技術(shù)和設(shè)計(jì)，使得界面實(shí)現(xiàn)不再依賴軟件設(shè)計(jì)人員（圖16）。設(shè)計(jì)完編譯上傳施肥機(jī)之后的效果如圖17 所示。

圖16 顯示模塊單元的可視化編輯器

圖17 幾組不同需求的施肥機(jī)界面

除此之外， 還有485 傳感器配置（ 自動(dòng)進(jìn)入到系統(tǒng)）、對(duì)外網(wǎng)關(guān)定義、歷史數(shù)據(jù)記錄定義（配合大數(shù)據(jù)形成展示曲線）、時(shí)間設(shè)備（比如卷模器）等。

山東東營(yíng)雙?；ɑ苡邢薰九c云靴科技最初合作1 hm2 溫室，從溫室氣候控制到施肥機(jī)， 云靴科技為雙?；ɑ芙鉀Q了標(biāo)準(zhǔn)版生產(chǎn)問題，8 年時(shí)間迅速擴(kuò)展到了25 hm2。園區(qū)使用云靴設(shè)計(jì)的潮汐灌溉與廢水回收系統(tǒng)（圖20），節(jié)省了大量人力物力，完成了花卉生產(chǎn)品質(zhì)與質(zhì)量的快速提升。

北京彩冰花園藝科技有限公司、山西環(huán)美園林綠化有限公司， 聯(lián)合在濟(jì)南商河運(yùn)營(yíng)了近十幾萬平溫室， 全面采用了云靴科技的溫室氣候控制系統(tǒng)和灌溉施肥系統(tǒng)（圖21），多年運(yùn)行良好， 設(shè)備穩(wěn)定可靠， 自動(dòng)化效果明顯。濟(jì)南鄉(xiāng)村綠洲農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司， 既往只采購(gòu)國(guó)外施肥機(jī)，2021 年開始連續(xù)采購(gòu)了云靴科技的最新款低代碼施肥機(jī)， 獲得良好的替代生產(chǎn)效果， 機(jī)器運(yùn)行效果不次于國(guó)外同類產(chǎn)品， 用戶的安裝成本、使用成本、維護(hù)成本大幅下降。臺(tái)州銘溢客農(nóng)業(yè)綜合體，2020 年開始合作，應(yīng)用于草莓和番茄的自動(dòng)化生產(chǎn)，種植效果良好， 取得了明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效應(yīng)。上海綠立方農(nóng)業(yè)科技開發(fā)有限公司， 是華東最大的水培蔬菜種植企業(yè)，2020 年開始雙方在水培蔬菜領(lǐng)域進(jìn)行多次成功的合作，運(yùn)行效果良好，效益明顯。其他還有數(shù)十家合作企業(yè)， 累計(jì)服務(wù)于400 多個(gè)溫室，并長(zhǎng)期在線運(yùn)行。

圖20 潮汐灌溉與廢水回收設(shè)備   圖21 灌溉施肥設(shè)備

云靴科技經(jīng)過多輪次的升級(jí)，各方面向國(guó)外最先進(jìn)的施肥機(jī)系統(tǒng)靠近，完成了多次的項(xiàng)目驗(yàn)證和實(shí)踐。施肥機(jī)升級(jí)到了低代碼平臺(tái)，提供了無與倫比的擴(kuò)展性，降低了成本，增強(qiáng)了穩(wěn)定性， 取得良好的實(shí)踐效果。