高精度施肥系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蔡景瀚，聶雅琳，王佳佳，湯洪豪，高一琛

（洛陽理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南 洛陽 471023）

0 引 言

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，也是化肥生產(chǎn)和消費(fèi)大國。化肥的使用是保持農(nóng)作物高產(chǎn)的關(guān)鍵，但我國在農(nóng)業(yè)方面對化肥的利用率一直處于較低水平。目前，我國農(nóng)業(yè)施肥過程一直沿用人工手撒以及小型機(jī)械噴灑的作業(yè)方式，導(dǎo)致施肥量不能精確把控，或施肥量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于農(nóng)作物的實(shí)際需求量，這不僅僅造成化肥的浪費(fèi)，多余的化肥還會(huì)流至水體、土壤，直接危害農(nóng)田周遭的環(huán)境；老式的作業(yè)方式極易導(dǎo)致肥料在田間分布不均勻，影響農(nóng)田產(chǎn)量；且這種作業(yè)方式對人工的依賴性極高，效率低下，無法高效提升經(jīng)濟(jì)效益。

在可持續(xù)發(fā)展的背景下，農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展也受到越來越多人的關(guān)注。要實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，推行精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是關(guān)鍵。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實(shí)施有助于實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益及生態(tài)效益的平衡發(fā)展。而推行精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)就需要一套高精度的施肥系統(tǒng)把控施肥各個(gè)環(huán)節(jié)。本文提出并設(shè)計(jì)了一套包含配肥子系統(tǒng)、混肥子系統(tǒng)、排肥子系統(tǒng)以及噴灑子系統(tǒng)的高精度施肥系統(tǒng)，用于控制施肥流程以實(shí)現(xiàn)施肥的精確性。

1 系統(tǒng)需求分析

本系統(tǒng)從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，根據(jù)農(nóng)田的基本狀況人工輸入化肥的配比方案，系統(tǒng)根據(jù)配比方案精確配制化肥，并使配置完成的液態(tài)化肥與稀釋液在噴出前實(shí)現(xiàn)均勻混合，在區(qū)域內(nèi)進(jìn)行精準(zhǔn)噴灑。綜合考慮之后系統(tǒng)功能需求如下：

（1）根據(jù)配比方案精確配肥；

（2）已配肥料與稀釋液均勻混合；

（3）單位時(shí)間內(nèi)對排肥量進(jìn)行控制；

（4）區(qū)域內(nèi)精確噴灑。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)主要由配肥子系統(tǒng)、混肥子系統(tǒng)、排肥子系統(tǒng)以及噴灑子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)功能概述

配肥子系統(tǒng)：配肥子系統(tǒng)根據(jù)接收的配比方案，精確配制所需的液態(tài)化肥。通過計(jì)量泵等器件使液態(tài)化肥的配制更加精確，系統(tǒng)內(nèi)置的壓力傳感器能夠檢測化肥原液的剩余量，反饋化肥原液的剩余信息。

混肥子系統(tǒng)：混合子系統(tǒng)將已經(jīng)配制完成的液態(tài)化肥進(jìn)行進(jìn)一步稀釋，以達(dá)到化肥噴灑要求。混合系統(tǒng)采用SK型靜態(tài)混合器對液態(tài)化肥與稀釋液進(jìn)行均勻混合。

排肥子系統(tǒng)：排肥子系統(tǒng)主要由控制電路、驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)等設(shè)備組成，控制電路用于接收排肥信息并計(jì)算出相應(yīng)的電脈沖信號傳輸至驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)電脈沖信號驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，最后由步進(jìn)電機(jī)完成排肥。

噴灑子系統(tǒng)：噴灑子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)液態(tài)化肥的精確噴灑，所采用的內(nèi)螺紋噴頭可以根據(jù)泵出的壓力改變液態(tài)化肥的霧化狀態(tài)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 配肥子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

配肥子系統(tǒng)主要由計(jì)量泵、空壓機(jī)、三通電磁閥、單向閥、流量計(jì)、壓力傳感器和攪拌裝置組成。當(dāng)系統(tǒng)接收到配比方案后，根據(jù)各種肥料所需濃度計(jì)算出對應(yīng)的比例。配肥流程如圖2所示。

圖2 配肥流程

計(jì)量泵從肥料原液罐中吸取化肥原液，由于一般化肥原液的濃度較高，用量相對較少，采用計(jì)量泵吸取的方式可以更加精準(zhǔn)控制所需肥液。通過壓力傳感器（如圖3所示）實(shí)時(shí)檢測不同肥料原液的減少量，并使其始終與計(jì)算的比例保持一致，從而保證肥料的精準(zhǔn)配比。使用單向閥可以防止原液回流，使原液經(jīng)過流量計(jì)進(jìn)入混合罐。三通電磁閥的進(jìn)口分別接計(jì)量泵和空壓機(jī)，出口接單向閥。當(dāng)計(jì)量泵停止吸取肥料時(shí)，關(guān)閉三通電磁閥與之相連的接口，打開與空壓機(jī)相連的接口。將壓縮氣體送入管道，高速流動(dòng)的氣體可以將積累在運(yùn)輸管道內(nèi)的肥料原液吹落，提升配肥的精確性。為使不同的肥料原液充分混合溶解，在混合罐中使用攪拌裝置對混合肥料液進(jìn)行充分?jǐn)嚢?。流量?jì)可以提供肥料流量參量的準(zhǔn)確數(shù)值，使得系統(tǒng)在配肥過程中可以做出合理的判斷與調(diào)節(jié)，從而通過調(diào)整計(jì)量泵的頻率實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的控制。當(dāng)壓力傳感器檢測到原液余量不足時(shí)，系統(tǒng)能夠及時(shí)提醒使用人員對原液進(jìn)行補(bǔ)充。

圖3 壓力傳感器及原理

3.2 混合子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.2.1 混肥子系統(tǒng)原理

國內(nèi)靜態(tài)混合器按照其管內(nèi)固定部件的結(jié)構(gòu)分為5種類型：SV型（用V型波紋片）、SL型（30°角組合金屬板）、SK型（扭曲葉片）、SX型（45°角組合金屬板）和SH型（雙孔道及180°左、右旋單元），每種靜態(tài)混合器都有著不同的適用范圍。如圖4所示，SK型靜態(tài)混合器內(nèi)部固定部件采用多個(gè)方向相反的螺旋結(jié)構(gòu)，該設(shè)計(jì)在管道內(nèi)留有較大的空隙，不易堵塞，因此適合多種不同粘度的化肥混合或稀釋。當(dāng)化肥通過SK型靜態(tài)混合器進(jìn)行混合或稀釋時(shí)，化肥在混合器中會(huì)周期性改變流動(dòng)方向以實(shí)現(xiàn)良好的徑向混合或稀釋效果。

圖4 SK型靜態(tài)混合器

本系統(tǒng)采用的化肥均為液態(tài)化肥，需要在混合罐內(nèi)通過混合器對液態(tài)化肥進(jìn)行稀釋并均勻混合，考慮到液態(tài)化肥的介質(zhì)特性、靜態(tài)混合器的易操作性和靜態(tài)混合器對液態(tài)化肥的混合效果，選用SK型靜態(tài)混合器進(jìn)行液態(tài)化肥的混合和稀釋。當(dāng)化肥配比完成并注入混合罐內(nèi)后，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)直流水泵組中的水泵將液態(tài)化肥抽取出來并經(jīng)過SK型靜態(tài)混合器后重新注入混合罐中。因直流水泵流量可達(dá)80 L/h，因此直流水泵僅需約10 s即可將混合罐內(nèi)的化肥和稀釋液混合均勻。

3.2.2 化肥稀釋倍數(shù)計(jì)算

在化肥的實(shí)際使用過程中，不能將配制好的化肥直接噴灑在農(nóng)作物表面，而是要把高濃度的化肥加稀釋液稀釋成濃度較低，適合農(nóng)作物使用的低濃度化肥，化肥稀釋可用以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

稀釋倍數(shù)=原化肥液濃度/所需化肥液濃度 （1）

如要將20%的化肥液稀釋成0.02%的化肥液，應(yīng)加稀釋液的量為20/0.02=1 000倍，具體的化肥濃度與稀釋倍數(shù)換算見表1所列。

表1 化肥濃度與稀釋倍數(shù)換算表

3.3 排肥子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3.1 排肥子系統(tǒng)控制原理

排肥子系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制電路、驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)及排肥設(shè)備組成。本系統(tǒng)需要根據(jù)輸入的單位時(shí)間排肥量，將信息輸入單片機(jī)控制電路，經(jīng)運(yùn)算得出所需的電脈沖信號。將此脈沖信號輸送至步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制步進(jìn)電機(jī)變速轉(zhuǎn)動(dòng)以控制單位時(shí)間的排肥量?？刂齐娐啡鐖D5所示。

圖5 排肥系統(tǒng)電路

3.3.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板具有驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)、調(diào)整步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)的作用。本系統(tǒng)采用kamoer公司出品的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，通過通信總線RS 232調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

本系統(tǒng)采用kamoer公司出品的KCM-S403型步進(jìn)電機(jī)，通過改變輸入的電脈沖信號頻率來調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，由步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)排肥設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)，以完成排肥。一般情況下，電脈沖信號頻率越大，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度越快，排肥量越大；反之，電脈沖信號頻率越小，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度越慢，排肥量越小。

3.3.3 排肥量計(jì)算

本系統(tǒng)使用的步進(jìn)電機(jī)泵的管內(nèi)徑為=3 mm，支撐角度=60°，泵殼圓周截面內(nèi)圓直徑=5 cm，滾輪直徑=4 mm；根據(jù)式（2）可以估算得出每旋轉(zhuǎn)角度步進(jìn)電機(jī)泵輸送的液態(tài)化肥量約為：

步進(jìn)電機(jī)泵輸送體積為的化肥所需時(shí)間可使用式（4）計(jì)算：

式中，為旋轉(zhuǎn)時(shí)間（s）。

3.4 噴灑子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用頂部噴淋裝置實(shí)現(xiàn)施肥功能。噴淋采用內(nèi)螺紋霧化噴頭（如圖6所示），該噴頭能反映高流速煙氣下化肥的霧化液滴粒徑尺寸和分布特點(diǎn)。工作過程中可承載水量為1.0～2.5 kg，噴灑直徑最大可達(dá)1 m。為做到精確噴灑，每個(gè)花卉培養(yǎng)位置均位于各霧化噴頭的正下方，因?yàn)闉榉忾]環(huán)境，所以無需考慮風(fēng)力對霧化后水霧的影響。本系統(tǒng)通過輸入的位置信息確定開啟噴頭，花卉上方的霧化噴頭閥門打開，配置完畢的液態(tài)化肥被步進(jìn)電機(jī)泵至霧化噴頭，從而實(shí)現(xiàn)噴灑。噴頭內(nèi)部構(gòu)造不同，在調(diào)節(jié)旋鈕松緊程度統(tǒng)一的情況下，通過控制步進(jìn)電機(jī)泵的壓力輸出控制霧化噴頭噴口處的霧化狀態(tài)。

圖6 內(nèi)螺紋霧化噴頭

壓力和流量存在如下近似關(guān)系：

式中：和是第一狀態(tài)時(shí)的壓力和流量；和是第二狀態(tài)時(shí)的壓力和流量。

噴頭的霧化粒徑及霧化角的范圍與壓力及流量的關(guān)系見表2所列。

表2 霧化粒徑及霧化角與壓力及流量的關(guān)系表

噴灑裝置如圖7所示。隨著壓力的增大，噴頭流量增大，霧化液滴的平均粒徑逐漸減小，并且隨著壓力的增大，霧化粒徑分布的范圍逐漸變窄；反之，隨著壓力的減小，噴頭流量減小，霧化液滴的平均粒徑逐漸增大，霧化粒徑分布的范圍逐漸變寬。即壓力大，小粒徑液滴所占比例大；壓力小，大粒徑液滴所占比例大。

圖7 噴灑裝置

4 結(jié) 語

傳統(tǒng)的施肥方式對人工依賴性極高，不僅提高了施肥的人力成本，更不能精確把控施肥流程，從而導(dǎo)致化肥利用率低下、環(huán)境污染嚴(yán)重以及農(nóng)作物產(chǎn)量下降。基于此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了配肥子系統(tǒng)、混合子系統(tǒng)、排肥子系統(tǒng)以及噴灑子系統(tǒng)。系統(tǒng)通過對化肥配制、混合、噴灑等方面的嚴(yán)格把控，精確控制液態(tài)化肥的施肥流程，從而實(shí)現(xiàn)高精度施肥。

目前，本系統(tǒng)不能根據(jù)實(shí)際的環(huán)境狀況分析得出化肥的配制與施肥方案，而是需要人為輸入控制信息實(shí)現(xiàn)施肥。為此，下一步將研究針對土壤情況及自然環(huán)境狀況的信息采集系統(tǒng)，并根據(jù)采集的信息計(jì)算合理的化肥配置與施肥方案，實(shí)現(xiàn)智能控制。