基于專家系統(tǒng)的農(nóng)藥混配控制系統(tǒng)

劉先明，黃李金，宋余君，舒 君，舒 薇

（1.懷化學(xué)院 物電與智能制造學(xué)院，湖南 懷化 418000；2.武陵山片區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)智能控制技術(shù)湖南省重點實驗室，湖南 懷化 418000；3.廈門大學(xué) 電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361102；4.溆浦縣兩丫坪鎮(zhèn)中學(xué)，湖南 懷化 419312）

0 引 言

噴灑農(nóng)藥是農(nóng)作物病蟲害防治的重要手段，將無人機技術(shù)應(yīng)用在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中實現(xiàn)農(nóng)藥自動噴灑，不僅提高了病蟲害防治效率也提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。但對農(nóng)藥混配的效率和農(nóng)藥科學(xué)配比也提出了新的要求，要求在農(nóng)忙時期混配滿足植保作業(yè)的藥量，也要求種植過程中使用正確的化學(xué)農(nóng)藥對病蟲害進行防治，以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，在有效控制害蟲的基礎(chǔ)上，減少農(nóng)作物上農(nóng)藥的殘留，提高農(nóng)作物的健康性與安全性。

傳統(tǒng)機械噴霧器的混藥方式為預(yù)混式[1]，需要在噴灑作業(yè)前將農(nóng)藥與水按適當比例注入噴霧箱，并人工攪拌均勻，此舉容易造成配比誤差大、混配不均勻等問題。針對在線混藥子系統(tǒng)，Steward 等[2]于21 世紀初采用數(shù)學(xué)建模方法對Raven SCS-700 注入式混藥子系統(tǒng)進行研究，分析了流量閥的相關(guān)參數(shù)，在作業(yè)過程中做到了閥門穩(wěn)定、迅速響應(yīng)，實現(xiàn)精準混藥。Gillis 等[3]于2003 年將機器視覺應(yīng)用到在線混藥系統(tǒng)的研究中。孫道宗等[4]利用基于CFD 正交試驗數(shù)值試驗和優(yōu)化設(shè)計管道噴灑技術(shù)對在線農(nóng)藥混合裝置進行測試，評估農(nóng)藥溶解性能和農(nóng)藥混合性能，大大提高了山坡上果園的農(nóng)藥噴灑效率。在農(nóng)藥混配均勻性方面，李晉陽等[5]利用流量調(diào)節(jié)閥對藥液流量進行檢測和調(diào)控，并利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模，將混藥裝置的相對偏差控制在4%以內(nèi)。徐幼林等[6]利用高速攝影技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)示蹤粒子在混合液中的分布情況，引入機器視覺技術(shù)分析射流裝置中農(nóng)藥混配的效果，建立了泵壓力和均勻度的關(guān)系曲線。隨著農(nóng)藥噴灑裝置自動化程度的提高，混藥裝置逐漸集成到無人機噴灑設(shè)備中，實現(xiàn)了水藥分離的在線式混藥。將精準測得的農(nóng)藥量送入混藥箱中，再加入確定稀釋倍數(shù)的水量，最后測定農(nóng)藥濃度，實現(xiàn)了農(nóng)藥自動化精準配置[7-10]。以在線混合系統(tǒng)為例[11]，作業(yè)者和藥液無需直接接觸，用泵抽取農(nóng)藥和水一起注入到混合器內(nèi)混合均勻，取藥量可以根據(jù)需求進行調(diào)控，使用計量泵抽取農(nóng)藥到混合室與水混合。采用PLC 或者單片機進行控制的液體農(nóng)藥混合裝置控制系統(tǒng)，將3 個液位傳感器放置在攪拌室[12-13]，以提高控制系統(tǒng)的可靠性。

為進一步提高混藥系統(tǒng)的混藥準確性和混合性能，方便操作人員設(shè)置，本文采用超聲波計量技術(shù)對農(nóng)藥進行精準計量，并結(jié)合PLC 技術(shù)和專家系統(tǒng)設(shè)計了一種自動化混藥系統(tǒng)，采用自動識別技術(shù)和人工相結(jié)合的方式能夠根據(jù)作物的名稱、季節(jié)以及害蟲種類，選擇最合適的藥物并合理配置農(nóng)藥劑量，建立具有數(shù)據(jù)映射關(guān)系的專家系統(tǒng)，設(shè)置不同農(nóng)藥混合配比方案，提高農(nóng)藥有效利用率，減少農(nóng)藥浪費和殘留。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)采用PLC 作為主控器將分別對藥和水進行計量，抽取的藥量和水量達到所需體積后，停止水量和藥物的抽取，之后送入混配罐體進行農(nóng)藥混配。混藥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括取藥的藥槽、取水管道、物聯(lián)網(wǎng)通信模塊、PLC控制器、超聲波計量模塊、混配罐體。取藥的藥槽配置有0 ～5 L/min 的蠕動泵抽取藥液到混配罐，精度為±1%，藥槽設(shè)置有粉劑稀釋分解裝置和藥槽液位傳感器，用以監(jiān)測藥量?；炫湫枰乃畞碜约矣米詠硭?，本身具備一定的水壓（低于4 m3/h），在取水單元管路上安裝YF-DN20 水流量傳感器，傳感器常用流量量程為40 ～4 000 L/h，精度為±2%，水流量傳感器由PLC 單元直接供電。取藥和取水的管道中間都設(shè)有電磁閥，可通過PLC 進行開關(guān)控制，在藥量和水量達到配比要求時及時關(guān)閉。農(nóng)藥混配裝置工作時，PLC 控制器控制蠕動泵從藥槽中抽取農(nóng)藥，經(jīng)超聲波流量計測量后，電磁閥打開，注入混配罐體，與經(jīng)過精確計量進入混合器的自來水混合，混合液可以通過輸出管道輸出，以供無人機噴灑罐轉(zhuǎn)移使用。

圖1 農(nóng)藥混配系統(tǒng)框圖

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、元件動作執(zhí)行?？刂葡到y(tǒng)整體設(shè)計如圖2 所示。系統(tǒng)硬件部分包括各類傳感器模塊、PLC 控制器、4G 通信模塊、輸出控制模塊。其中，輸入傳感器模塊包括藥槽液位傳感器、水流量傳感器、混配罐液位傳感器；輸出控制模塊包括顯示報警模塊、藥量開關(guān)閥、水量開關(guān)閥。物聯(lián)網(wǎng)通信模塊采用4G 物聯(lián)網(wǎng)模塊。

圖2 硬件模塊框圖

數(shù)據(jù)采集部分主要通過流量、液位傳感器對管道水流量、混合液流量以及水箱和藥箱液位數(shù)據(jù)進行采集。數(shù)據(jù)處理部分即控制系統(tǒng)核心選用PLC 觸摸屏一體機，可滿足水流量檢測與控制、藥流量控制、高低液位狀態(tài)異常時報警、數(shù)據(jù)顯示、存儲等需求。輸出控制部分主要是執(zhí)行數(shù)據(jù)處理部分發(fā)送的數(shù)據(jù)信號命令，調(diào)節(jié)取水量和取藥量，并顯示實時混藥比例、水流量信息、藥流量信息。通信部分將系統(tǒng)工作狀態(tài)和所需藥水混合比例及水流量等PLC 界面上顯示的信息同步到智能終端，如手機等移動設(shè)備上。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖3 所示。用戶登錄后可以選擇手動輸入配藥總用量、配藥類型或防蟲種類，系統(tǒng)根據(jù)輸入的類型選擇相應(yīng)的專家系統(tǒng)計算藥用量和水用量，并分別計量藥量和水量，直到滿足所需用量再控制攪拌電機運轉(zhuǎn)，帶動配制罐內(nèi)的螺旋攪拌葉充分攪拌農(nóng)藥。PLC 控制器實現(xiàn)對電磁閥、水泵的控制，并將傳感器采集的數(shù)據(jù)上傳到PLC。同時，配合4G 通信將數(shù)據(jù)同步到手機及PC 終端，方便管理者查看混配工作的進度?；炫涔迌?nèi)設(shè)置的液位傳感器將檢測的液位信息傳送給PLC，PLC 檢測到相關(guān)信息后關(guān)閉所有電磁閥并發(fā)出控制攪拌電機運行的命令。通過控制藥量和水量可以較為嚴格地控制混配農(nóng)藥的劑量和清水使用量，提高藥液的濃度精準性。混藥罐體里設(shè)置有攪拌電機，可實現(xiàn)自動攪拌，提高了藥液混合的均勻性。

圖3 軟件設(shè)計流程

1.3 混藥專家系統(tǒng)設(shè)計

為提高農(nóng)藥配置準確性，減少農(nóng)藥殘留，對不同的農(nóng)藥采用不同的配比。水稻常見病蟲害防治各類農(nóng)藥的配比情況見表1 所列。

表1 水稻常見病蟲害防治各類農(nóng)藥的配比情況

結(jié)合最新的研究，對水稻病蟲害進行全程生物農(nóng)藥防治[14]。根據(jù)水稻各時期所需防治的病蟲害類型，建立了農(nóng)藥配比數(shù)據(jù)庫，見表2 所列。在終端界面可以通過用戶輸入作物的類型及當前所處時期，選擇噴灑面積即可得到需配置的藥量信息和水量信息。

表2 水稻生長各階段農(nóng)藥及防蟲害類型

2 系統(tǒng)運行與測試

系統(tǒng)搭建的實物如圖4 所示。由于農(nóng)藥存在一定的毒性，為降低對環(huán)境的污染，系統(tǒng)搭建在封閉空間。系統(tǒng)設(shè)置有抽風(fēng)機，方便內(nèi)部人員操作時進行空氣對流。PLC 主機將來自藥罐的待配藥通過自吸泵吸入混配罐，計量準確的自來水進行混配。自來水本身具有一定的壓力，無需增加泵，達到要求的水量后關(guān)閉單向電磁閥?；炫涔摅w設(shè)置有透明的液位檢測器，可將混配藥的容量顯示在終端，提醒工作人員合理配置藥量。

圖4 混配系統(tǒng)實物

組態(tài)軟件使得配藥過程可視化。在設(shè)計PLC 控制界面時，采用組態(tài)軟件可實現(xiàn)人機交互，操作簡單。在配藥時，只需在PLC 觸摸一體化顯示器中輸入配藥量或選擇配藥類型即可，操作簡單，便于掌握。人機交互系統(tǒng)可以嵌入組態(tài)王進行實時監(jiān)控，組態(tài)王可以顯示流量的變化情況。組態(tài)頁面包括主頁面、專家系統(tǒng)界面、系統(tǒng)設(shè)置頁、歷史記錄查看頁。主頁面如圖5 所示，Y1、Y2、Y3 分別為水、藥和混配液體的電磁閥開關(guān)，因農(nóng)藥腐蝕較強，裝置選用非接觸感應(yīng)式液位傳感器，電磁閥選用耐腐蝕性強的常閉類型。圖5 左側(cè)為放藥的容器，藥品通過自吸泵抽入混配罐?；炫湎到y(tǒng)組態(tài)其他界面如圖6 所示。專家系統(tǒng)界面以下拉菜單的方式將換算的水量和藥量轉(zhuǎn)移到混配系統(tǒng)主頁進行操作，系統(tǒng)設(shè)置頁可以單獨控制各電磁閥的開關(guān)，方便用戶在清洗罐體時使用，歷史記錄查看頁可以清晰看到系統(tǒng)歷史混配情況，方便查詢。

圖5 混配系統(tǒng)PLC 主界面

圖6 混配系統(tǒng)組態(tài)其他界面

3 結(jié) 語

本文采用PLC 技術(shù)和專家系統(tǒng)實現(xiàn)了農(nóng)藥混合控制系統(tǒng)。專家系統(tǒng)根據(jù)農(nóng)藥類型和防治病蟲種類分別建立了數(shù)據(jù)庫，進行科學(xué)的配比計算，搭配各農(nóng)藥的需求量和水量。采用4G 模塊或NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)通信模塊將實際混配的藥量通過移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至用戶手機。建立遠程通信后，用戶可在用戶界面（手機）輸入農(nóng)藥名稱，系統(tǒng)提示需要配比的水量。另外，用戶可以通過手機APP 輸入需噴藥的稻田面積及作物名稱，系統(tǒng)可以根據(jù)專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)提示配比，避免配置過剩造成浪費。