低代碼平臺施肥機研究與實踐案例

帥建強

（北京云靴科技有限責任公司，北京 101204）

低代碼和無代碼是目前較新的IT 技術，旨在解決目前軟件研發(fā)成本居高不下以及用戶的軟件需求差異巨大等問題。最初IT 界生產的是各項可配置設計，太復雜且擴展性不強，無法滿足用戶需求。低代碼和無代碼則可以實現(xiàn)各項可視化元素拖拽，盡可能不寫代碼就完成新功能的構建工作，從而降低研發(fā)成本和二次定義成本，最大限度滿足用戶的需求。施肥機在植物生產中是重要農機設備之一，國內發(fā)展迅速，品牌眾多，但是對構建高品質施肥機的深入研究相對貧乏，導致國內施肥機在面對長時間精確應用的時候，大多表現(xiàn)乏力，用戶的設備不能得到快速且低成本的維護。

設備目標

北京云靴科技有限責任公司（以下簡稱“云靴科技”）對水肥一體機設定了精確研發(fā)目標，旨在可以進行高精度EC、pH 控制，同時要求設備具有較低的維護成本以及較高的設備在線率。設備還需滿足使用者需要，可以進行二次定義與設計。

設備虛擬化

在農業(yè)設施設備領域，困難在于設備的技術支持、設備維護、設備維修，在不在現(xiàn)場的情況下，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物聯(lián)網和施肥機的時候，就提出了設備虛擬化，即基于云靴科技自研的云計算平臺，發(fā)展虛擬物聯(lián)網平臺，把全國各地的農業(yè)設施設備虛擬到系統(tǒng)工程師的電腦上，只要工程師一開電腦，就完成在全國設備的遠程故障實際定位，快速制定出維護維修的策略，最大限度遠程解決維護維修，以達到設備維護成本最低、設備在線率最高的目標。云靴科技虛擬物聯(lián)網的結構設計如圖1。

圖1 虛擬物聯(lián)網結構示意圖

云靴科技的農業(yè)智能設施設備上均配備了工控機作為設備端運行大腦，工控機為自編譯的Linux 系統(tǒng)，對Linux 內核進行了裁剪和自設計的協(xié)議封裝，配套上安全設計（工程師要通過維護通道訪問到設備，先申請專有的安全請求碼，由技術總監(jiān)或用戶完成授權，否則禁止訪問）。

以下是筆者使用云靴科技的虛擬物聯(lián)網平臺，在杭州分公司訪問濟南商河的正在安裝的設備日志（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 遠程問題查詢界面

想真正完成遠程維修，除了虛擬物聯(lián)網協(xié)助（圖3），還需要設備廠家的配件自給率比較高，特別是主設備，設備需盡可能設計成拔插式。

圖3 云靴科技典型物聯(lián)網結構

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

系統(tǒng)架構

云靴科技研發(fā)團隊參考了PLC、阿里IOT物模型等經典結構，設計了以內存映射表為核心的指令交換結構，所有模塊的IO 數(shù)據(jù)接口，要求全部映射到數(shù)據(jù)內存表中，使得腳本語言可以輕易完成各個模塊的數(shù)據(jù)交換，完成業(yè)務邏輯的驅動，且非常短小精干。

云靴科技的腳本驅動語言，目前總計9 條指令，設計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。腳本驅動語言未來即使擴展需要，也預計不會超過15 條指令。

腳本驅動語言只對內存表進行二次判斷、定義、賦值，專門設計了可視化的IDE，集成了開發(fā)使用窗口，使得腳本的定義、編輯、編譯、上傳、調試簡單化（圖4）。

圖4 施肥機低代碼平臺結構圖

系統(tǒng)對外接口，系統(tǒng)遵循MQTT 協(xié)議作為標準，方便與阿里云、騰訊、百度等系統(tǒng)對接。系統(tǒng)對內接口，采用RS485 作為設備部件的通訊協(xié)議標準。無論對外還是對內的接口，都提供了可視化定義的工具，不需要二次編寫程序。

EC 和pH 的數(shù)學控制

施肥機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)團隊設計了數(shù)學的算法來對應，使得施肥機的輸出平穩(wěn)有效。在控制領域，最著名的是PID 比例微積分控制，EC 和pH 在施肥機的控制基本方式是，每多少單位的水，提供多少單位的母液和酸堿液量。EC 和pH 實際上也是個積分量的平衡控制，PID是個反饋控制的過程，從發(fā)起調節(jié)到獲得EC 和pH 目標，中間的時間是比較長，可能比我們需要灌溉的時間還要長一點，因此不能直接使用PID 來調配EC 和pH 的比例控制。

想穩(wěn)定輸出，首先應該解決比例微積分的正向比例問題，因此需要一個數(shù)學模型來快速計算。云靴科技經過長時間定量測定測試，多次數(shù)學模型矯正，提出了EC 精確控制正向快速計算的數(shù)學模型：

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

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

除去算法，還需要優(yōu)化執(zhí)行機構，因此云靴科技設計了施肥機母液比例控制器、改進了母液流量計的PCB 電路使得信號傳輸與控制器更匹配，并采用了原裝進口的母液控制電磁閥。在完成了這些結構性改進之后，數(shù)學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)長時間穩(wěn)定性方面得到了大幅提升（圖5～9）。

圖5 施肥機的母液控制器（毫秒級）

圖6 改進的流量計脈沖

圖7 原裝進口的施肥電磁閥

圖8 某施肥機（水培）EC 運行跟蹤

圖9 某施肥機（水培）pH 運行跟蹤

灌溉策略的原理與實踐

在研發(fā)施肥機的過程中，關于如何自動化灌溉，是個極大難題。云靴科技在2019 年底開始研究國外最先進的基質灌溉理論，成功完成了技術升級（圖10～12）。云靴科技設計了三種智能灌溉的策略：①定時灌溉；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)設置

圖12 灌溉的時間設置

精簡腳本驅動語言

在施肥機系統(tǒng)中，用戶的應用場景千變萬化，幾乎沒有一樣的項目，因此需設計成部分啞終端，或勉強應用，或重新設計施肥機軟件。相對好一點的是，用組態(tài)PLC 來調度補充場景，跟各類系統(tǒng)的接口比較麻煩，還有成本高、技術復雜度、系統(tǒng)分離、后期運維問題等。

有鑒于此，施肥機低代碼平臺，設計了精簡腳本驅動語言的設計，通過腳本語言來二次定義施肥機的基本工作邏輯，使得內部底層軟件系統(tǒng)不會隨著項目變動，用戶的需求又能容易實現(xiàn)，配合界面層的無代碼設計，讓系統(tǒng)的工作狀態(tài)與項目目標高度一致。精簡腳本驅動語言，使得硬件工程可以根據(jù)項目定義工作流程。目前精簡腳本驅動語言只有9 條指令，每條指令的工作模式一模一樣，提供了簡易的設計界面，可依次執(zhí)行。施肥機精簡腳本驅動語言，采用筆者多年總結的腳本語言實現(xiàn)之方法和理論，使得腳本運行異?？焖伲踔猎谧约以O計11 MHZ 的51 單片機系統(tǒng)上都可快速運行（圖13）。

圖13 精簡腳本驅動語言編輯器

通過精簡施肥機驅動腳本語言，可以驅動滴灌、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) 的施肥機應用場景，獲得較好的結果。隨著系統(tǒng)不斷應用開發(fā)，逐漸形成了各式各樣的施肥機腳本驅動模板。

設備界面的無代碼可視化設計

在完成施肥機的精簡腳本驅動語言之后，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，需要施肥機有進一步的無代碼可視化設計軟件。

參數(shù)錄入

施肥機的參數(shù)錄入，特別是配合腳本語言的參數(shù)界面設計器（圖14），編譯輸出之后的效果（圖15），實現(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)界面設計器

圖15 參數(shù)錄入實際運行效果

設備端可視化設計器

很多時候，用戶并不喜歡千篇一律的界面，對于與自身關聯(lián)不大的界面比較排斥。在低代碼施肥機系統(tǒng)，特別設計了設備端可視化設計器，基本上不需要寫程序，就可以通過簡單拖拽生成用戶需要的工作界面，分離了技術和設計，使得界面實現(xiàn)不再依賴軟件設計人員（圖16）。設計完編譯上傳施肥機之后的效果如圖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界面

除此之外，還有485 傳感器配置（自動進入到系統(tǒng)）、對外網關定義、歷史數(shù)據(jù)記錄定義（配合大數(shù)據(jù)形成展示曲線）、時間設備（比如卷模器）等。

大數(shù)據(jù)的無代碼可視化設計

用戶在大多數(shù)時候，需要在大屏幕展示其系統(tǒng)，這對技術提出挑戰(zhàn)。云靴科技設計了大數(shù)據(jù)自定義顯示的可視化拖拽設計界面，集成了模塊(嵌入設備端界面及其他HTML 界面)、儀表盤、折線圖、餅圖、柱狀圖、視頻、圖片、文字等。使用者不需要編寫代碼，就可完成其設備端的大數(shù)據(jù)展示。通過右側的屬性面板，綁定其數(shù)據(jù)來源，設置其數(shù)據(jù)格式，導出并使用工具上傳到設備端，就完成了大數(shù)據(jù)版本的展示工作（圖18），實際運行如圖19。

圖18 大數(shù)據(jù)可視化編輯器

圖19 大數(shù)據(jù)展示實際運行效果案例

項目實踐

山東東營雙?；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，云靴科技為雙?；ɑ芙鉀Q了標準版生產問題，8年時間迅速擴展到了25 hm2。園區(qū)使用云靴設計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，完成了花卉生產品質與質量的快速提升。

圖20 潮汐灌溉與廢水回收設備

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)合在濟南商河運營了近十幾萬平溫室，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），多年運行良好，設備穩(wěn)定可靠，自動化效果明顯。濟南鄉(xiāng)村綠洲農業(yè)開發(fā)有限公司，既往只采購國外施肥機，2021 年開始連續(xù)采購了云靴科技的最新款低代碼施肥機，獲得良好的替代生產效果，機器運行效果不次于國外同類產品，用戶的安裝成本、使用成本、維護成本大幅下降。臺州銘溢客農業(yè)綜合體，2020 年開始合作，應用于草莓和番茄的自動化生產，種植效果良好，取得了明顯的經濟和社會效應。上海綠立方農業(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域進行多次成功的合作，運行效果良好，效益明顯。其他還有數(shù)十家合作企業(yè)，累計服務于400 多個溫室，并長期在線運行。

圖21 灌溉施肥設備

云靴科技經過多輪次的升級，各方面向國外最先進的施肥機系統(tǒng)靠近，完成了多次的項目驗證和實踐。施肥機升級到了低代碼平臺，提供了無與倫比的擴展性，降低了成本，增強了穩(wěn)定性，取得良好的實踐效果。