基于.NET開發的水肥（藥）一體化裝置研發

申兆亮 ，李 震 ，馬素超 ，馬天石 ，段德剛 ，馬 良

（1.山東省農業機械科學研究院，山東 濟南 250100；2.山東農業工程學院，山東 濟南 250100）

總論

農業作為國民經濟的基礎不僅是人類衣食來源，而且提供了重要的工業原料。但現代農業在大幅提高生產效率的同時，也因過度使用農藥、化肥等引起了環境污染和生態失調。水肥（藥）一體化的提出極大解決了因肥料（農藥）浪費引起的環境問題。水肥（藥）一體化技術是以水為載體，根據作物生長需要及土地墑情變化，按照一定的比例將可溶肥（藥）母液融入水體中，通過灌溉裝置直接輸送至作物根（莖）部，精準施肥（藥）防止過度浪費，讓植物健康生長。

1 國內外研究現狀

20世紀60年代以色列開始灌溉施肥一系列研究，據報道該國80%的灌溉土地均普及了計算機管理與自動化控制技術[1]；目前為止，美國60%馬鈴薯，25%的玉米，33%水果均使用了水肥一體化技術，加州目前已建立了完善的水肥一體化服務體系和設施；2006年-2007年澳大利亞設立總額100億澳元的國家水安全計劃，用于發展水肥一體化技術，并建立了土壤墑情監測系統指導施肥[2]。20世紀90年代中期，滴灌施肥技術理論及其應用日益受到重視，我國開始大量開展技術培訓和研討，新疆地區應用的棉花膜下滴灌施肥技術已達到國際領先水平，但是從整體上看，國內某些微灌設備產品尤其是首部配套設備的質量同國外同類先進產品相比仍存在較大差距。全國應用水肥一體化技術的覆蓋面積所占比例還小，水肥一體化技術管理水平還是相對較低[3]。

國外設施農業發達國家如美國、日本、荷蘭、以色列等國在植物精密施肥所采用的自動施肥主要有泵注式、文丘里式、壓差式、水驅動混合注入式，其中水驅動混合注入式應用越來越廣泛[4]。我國目前較為精密水肥一體化裝置及相關技術基本上依賴進口，不僅采購成本高，而且進口設備設計時未參考中國國情，出現了水土不服的現象，如何設計開發一套符合中國國情的水肥（藥）一體化自動施肥（藥）裝置迫在眉睫。

2 水肥（藥）一體化系統工作原理

水肥（藥）一體化系統原理圖如圖1所示，主要包括：①計算機（含數據庫）、智能控制器組成的上位機決策系統；②由EC/PH傳感器和液位傳感器組成的感知系統；③肥液、酸堿液氣動調節閥、加藥計量泵組成的變量調節執行機構。計算機是整個系統的“大腦”，即可通過數據庫調取當前作物需肥或者農藥噴撒配比情況，為智能控制器下達施肥及噴藥量的指標，同時可統計施肥量、用水量、用藥量等信息。由EC/PH傳感器、智能控制器及相應的氣動調節閥組成肥料變量控制的PID系統，可根據計算機提供的指標為農作物提供最佳的水肥配比。當需要噴撒農藥時，在計算機的控制下，根據水罐的截面積及液位計提供的水位信息計算出罐內水的體積，然后根據數據庫中提供的農藥配比，在智能控制器的作用下驅動加藥計量泵將合理量的農藥注入到罐內。

圖1 水肥（藥）一體化系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of integrated water and fertilizer（pesticide） system

2.1 管路系統

其管路系統主要包括三部分：肥料變量配給管路系統及農藥變量配給系統、混合罐，如圖2所示。

圖2 水肥（藥）一體化機械系統原理圖Fig.2 Schematic diagram of water and fertilizer（pesticide） integrated mechanical system

2.1.1 混合罐

混合罐是整個管路系統的主體，由攪拌電機、攪拌器及混合罐體組成。在電機的作用下將肥液或者農藥與水充分混合，供噴灑系統使用。

2.1.2 肥料變量配給系統

肥料變量配給系統主要包括肥液箱、肥液氣動調節閥、肥液文丘里混合器及酸堿液箱、酸堿液氣動調節閥、酸堿液文丘里混合器兩路系統組成。計算機提供了EC/PH指標值，控制器根據EC/PH傳感器提供的反饋值，及時調節相應氣動閥門的開度，在文丘里混合器的作用下將肥液注入到混合罐中，從而使注入到混合罐內的肥液量始終保持在指標范圍內，同時完成水肥的一次混合。

2.1.3 農藥變量配給系統

農藥變量配給系統主要由農藥箱、農藥箱電磁閥及計量泵組成。在需要噴灑農藥時，根據液位計提供的水位值，計算機結合數據庫提供的農藥配比，計算出所需的農藥量，由計量泵將農藥注入到混合罐內[5]。

3 水肥（藥）一體化智能控制系統原理

水肥（藥）一體化智能控制系統由若干分布于土地分格單元的無線墑情傳感器、無線傳輸網絡、用于決策的上位機PC及用于控制電控執行器的PLC下位機組成。

無線墑情傳感器負責收集施肥地塊的墑情情況，并將數據實時傳送至上位機中，為施肥決策提供依據。

無線傳送網絡作為信息傳輸的管道，它的信息傳輸能力（傳輸速率、抗干擾性及穩定性）決定了整個控制系統能否可靠穩定工作。

上位機PC及PLC下位機相互結合為整個系統提供可靠的決策執行能力。

圖3 無線通訊原理圖Fig.3 Schematic diagram of wireless communication

3.1 PLC控制系統

本工程采用了國產臺達的PLC，通過無線串口實現了計算機與PLC之間的通訊，擺脫了線纜的束縛，使其之間的搭配更為靈活。上位機與下位機之間采用主從通訊方式，即PLC嚴格按照計算機的指令進行工作。PLC的供電方式采用鋰電池供電，其電量通過無線串口在計算機上得到監控，非常適合工作在無交流電源的野外環境。

圖4 PLC控制箱Fig.4 The PLC control box

4 水肥（藥）一體化軟件管理系統

水肥（藥）一體化軟件管理系統是整個系統的核心，主要功能：被施肥土地的網格劃分、初始化噴架參數、噴灌的啟動與停止、追蹤記錄施肥進度、查詢單元土地的墑情值等。軟件[6]具體工作過程如圖5所示。

圖5 水肥（藥）一體化軟件工作流程圖Fig.5 The flow chart of water and fertilizer（pesticide）integration software

圖6 軟件登錄界面Fig.6 The interface of software login

圖7 軟件工作界面Fig.7 The Software work interface

圖8 單元土地墑情自動讀取Fig.8 Automatic reading of unit soil moisture

4 總結

本文根據中國農業現狀，結合.Net平臺開發的管理軟件，提出了一套適合中國國情的水肥（藥）一體化的解決方案，該系統成功通過了現場試驗驗證。該系統的研發成功較大程度上解決了現代農業存在的肥、藥浪費問題，為中國精準農業的發展探索提供了重要依據和數據支持。