基于物聯(lián)網的配方施肥系統(tǒng)設計研究

李泰來，吳光星，楊 琳，吳爭光，孫學成

（1.中工武大設計研究有限公司，武漢430070；2.湖北省精準農業(yè)工程技術研究中心，武漢430070；3.華中農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，武漢430070）

0 引 言

在柑橘生產中，灌溉和施肥的管理直接影響著柑橘的產量和品質。目前有些山地柑橘園根據(jù)地勢優(yōu)勢在高處建設了蓄水池，利用高度落差產生的壓力將液體輸送到滴灌管網中進行灌溉。為提高肥料的利用率，農技人員或果農通常是在此類柑橘園中建立獨立的水池和肥池。這種將水、肥分開滴灌的方式簡單實用，但整個過程中滴灌的啟停及水、肥滴灌時間比例需要人工操作，費時費力且效率低下［1］。因此迫切需要一種自動控制的水肥一體化系統(tǒng)。

配方施肥是綜合運用農業(yè)科技成果，根據(jù)作物需肥規(guī)律、土壤供肥性能與肥料效應，在以有機肥為基礎的前提的條件下，產前提出N、P、K 和微肥的適宜用量與比例，以及相應措施的施肥技術。與傳統(tǒng)施肥方式相比，配方方法具有較高的精度，推薦的配方方案具有良好的反饋性，不同年際之間有較強的穩(wěn)定性，所得的資料有利于儲存信息［2］。目前市面上已有相應的配方肥料的定制和出售。

本研究的目的就是將物聯(lián)網的技術與配方施肥相結合，從整體系統(tǒng)上進行優(yōu)化，提出一套基于物聯(lián)網的配方施肥系統(tǒng)來進一步提高灌溉施肥設備的穩(wěn)定性和適用性。

1 系統(tǒng)結構及原理

本系統(tǒng)硬件主要有進、出水離心泵、吸肥泵、攪拌裝置、首部控制器、變頻控制器、遠傳恒流閥、液位變送器、電磁流量計、電磁閥、遠傳水表等組成。其結構如圖1 所示。首部控制器控制變頻控制器啟動，進水離心泵將經過濾器過濾之后的水注入混肥罐，遠傳水表實時記錄進水量，并傳入首部控制器。混肥罐中設有浮球閥用于高低水位報警［3］，混肥罐中的液位變送器用于液位負反饋，攪拌裝置用于將水和原液肥混合均勻。原液罐與混肥罐通過吸肥通道相連，吸肥通道有兩種方式，一種是原液利用自身重力流入混肥罐，另一種是通過吸肥泵按照設定流量進行吸肥。原液罐中的液位變送器記錄初始液位和實時液位。系統(tǒng)的出口與微灌系統(tǒng)主干管相連。出口處設有遠傳恒流閥和電磁流量計用于控制和監(jiān)測出肥流量，逆止閥用于防止出肥液回流。恒液位變頻控制器和首部控制器負責采集電磁流量計、液位變送器、遠傳水表等輸出信息、控制水泵轉速、電磁閥的開關動作、給定恒流閥流量參數(shù)等。

圖1 配方施肥系統(tǒng)結構示意圖Fig.1 Structure diagram of formula fertilization system

該系統(tǒng)搭建完成后，需要調節(jié)混肥罐進出水位的動態(tài)平衡，混肥罐的出水由離心出水泵控制，進水泵的功率稍大于出水泵，出水泵工頻狀態(tài)運行，進水泵采用變頻狀態(tài)運行。其運行原理圖如圖2所示。混肥罐中的液位變送器經過數(shù)據(jù)采集模塊將實際液位反饋給變頻器后，變頻器根據(jù)輸入的給定值和反饋的實際值，利用內置的PID調節(jié)器自動改變輸出頻率，從而改變進水泵電機的轉速，將混肥泵液位平穩(wěn)地控制在恒定范圍內［4-9］。

圖2 恒液位變頻控制原理圖Fig.2 Schematic diagram of constant level frequency conversion control

2 系統(tǒng)流量調節(jié)

當吸肥通道通過吸肥泵按照設定流量進行吸肥時，出肥流量與吸肥流量，二者之間存在以下關系：

假定用戶設定稀釋倍數(shù)為300 時，應滿足Q水=300Q肥，推導出Q出=301Q肥。首部控制器在執(zhí)行時只用給吸肥通道和出口處的遠傳恒流閥設定301倍的流量關系即可。

當吸肥通道通過肥液自身重力進行吸肥時，此時需要手動調節(jié)吸肥通道上的限流閥，配合轉子流量計調節(jié)好合適的吸肥流量Q肥，使進肥與出肥滿足對應稀釋倍數(shù)的關系。此種方式調試較為復雜，但是設定好流量參數(shù)后，系統(tǒng)的能耗會降低。

3 系統(tǒng)控制方案設計

3.1 系統(tǒng)控制硬件方案

系統(tǒng)硬件方案框圖如圖3所示，硬件方案包括首部控制器、恒液位變頻控制器、數(shù)據(jù)采集器、人機界面1 和2、I/O 控制器及各執(zhí)行設備和傳感器等。

圖3 系統(tǒng)硬件方案框圖Fig.3 System hardware scheme block diagram

首部控制器主要功能是通過數(shù)據(jù)采集器采集液位變送器、遠傳水表、遠傳電流閥和電磁流量計的實時數(shù)據(jù)，通過I/O 控制器控制電磁閥和攪拌電機。與首部控制器連接的人機界面2為用戶提供一鍵式操作和查看實時數(shù)據(jù)的功能界面，首部控制器與恒液位變頻控制器通過信號線相連，恒液位變頻控制器向首部控制器報告各執(zhí)行機構的狀態(tài)和實時數(shù)據(jù)，首部控制器下發(fā)開啟和停止指令控制恒液位變頻器運行和停止。與恒液位變頻控制器相連的人機界面1 為用戶提供液位參數(shù)設置和PID 參數(shù)設置等功能界面。當恒液位變頻控制器接收到首部控制器發(fā)來的啟動命令時，恒液位變頻控制器控制進水泵啟動，并通過數(shù)據(jù)采集器實時采集混肥罐實時液位值，形成液位負反饋，通過調節(jié)好PID參數(shù)使混肥罐達到恒液位的效果［12，13］。

3.2 系統(tǒng)控制軟件方案

系統(tǒng)控制軟件主要利用C#、C 語言實現(xiàn)人機界面編寫和各種邏輯控制，主要解決各模塊參數(shù)初始化、信號及數(shù)據(jù)的預處理、控制設備的運行等問題。系統(tǒng)運行初態(tài)包括向混肥罐加水，使混肥罐液位達到設定值并通過調節(jié)恒液位控制參數(shù)保持液位恒定，記錄各初始值等操作。系統(tǒng)運行時結合當前值和初始值得稀釋用水量：

式中：WH為稀釋用水量；W1為當前遠傳水表值；W0為遠傳水表初始值；H1為當前蓄水池液位；H0為蓄水池初始液位；S蓄為水池底面積。

注入到混肥罐中的配方原液為：

式中：Wh為注入混肥罐中的配方原液量；h0為原液罐初始液位；h1為當前原液罐液位；S原為原液罐底面積。

系統(tǒng)流量值設定還應滿足如下關系式：

式（4）表示吸肥所用時間與進水所用時間保持一致，即原液罐肥液吸收完后，系統(tǒng)的進水量總和與進肥量總和同樣滿足設定的稀釋倍數(shù)關系。通過關系式（1）和（4）及恒流閥的量程，可得出適合吸肥恒流閥和出口恒流閥的流量調節(jié)參數(shù)Q肥和Q出。

系統(tǒng)運行流程圖如圖4 所示，當用戶輸入稀釋倍數(shù)為300倍時，系統(tǒng)運行后會判斷WH是否大于300 倍的Wh，或檢測混肥罐中液位是否為0，當檢測到大于300倍或液位為0時系統(tǒng)會停止運行并啟動清洗管道流程。系統(tǒng)運行過程中攪拌泵會持續(xù)運行使肥液混合均勻。

圖4 系統(tǒng)控制軟件流程圖Fig.4 System control software flow chart

系統(tǒng)的部分軟件操作界面如圖5 所示，用戶設定好稀釋倍數(shù)、每株施肥量和相關信息后會生成對應的施肥配方［10，11］，選定對應的施肥配方，并點擊按給定配方執(zhí)行后系統(tǒng)開始運行，運行過程中有進度提示，用戶也可回到系統(tǒng)運行界面查看設備運行狀態(tài)和各種參數(shù)值。系統(tǒng)會記錄每次的施肥記錄包括本次施肥的相關參數(shù)和時間，同時可與系統(tǒng)平臺同步完成遠程控制施肥的操作。

圖5 配方施肥操作界面Fig.5 Formula fertilization operation interface

4 結 語

本文中的系統(tǒng)采用了性能穩(wěn)定，價格相對便宜的遠傳恒流閥、液位變送器和遠傳水表，吸肥通道的流量與系統(tǒng)出肥流量按稀釋倍數(shù)對應的設定流量參數(shù)運行，保證系統(tǒng)出肥濃度的均勻性，同時混肥桶中攪拌裝置運行也能進一步提高混肥的均勻性，實現(xiàn)了控制肥液稀釋倍數(shù)的施肥方式。系統(tǒng)在實際運行試驗中，實現(xiàn)簡單，操作方便，運行可靠穩(wěn)定，具有較好的控制效果。進水泵采用了恒液位變頻啟動，實現(xiàn)了電機的軟啟動，改善了電機的啟動性能，能充分降低電機啟動電流，減小電機啟動瞬間電流對電網的沖擊，增加電機壽命，同時還可消除管網水錘現(xiàn)象，避免管網內的流量突變，減少了爆管、滴漏的發(fā)生概率。