基于物聯網的配方施肥系統設計研究

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.湖北省精準農業工程技術研究中心，武漢430070；3.華中農業大學資源與環境學院，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地勢優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。

配方施肥是綜合運用農業科技成果，根據作物需肥規律、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網的技術與配方施肥相結合，從整體系統上進行優化，提出一套基于物聯網的配方施肥系統來進一步提高灌溉施肥設備的穩定性和適用性。

1 系統結構及原理

本系統硬件主要有進、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。系統的出口與微灌系統主干管相連。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等。

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

該系統搭建完成后，需要調節混肥罐進出水位的動態平衡，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，出水泵工頻狀態運行，進水泵采用變頻狀態運行。其運行原理圖如圖2所示。混肥罐中的液位變送器經過數據采集模塊將實際液位反饋給變頻器后，變頻器根據輸入的給定值和反饋的實際值，利用內置的PID調節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 系統流量調節

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為300 時，應滿足Q水=300Q肥，推導出Q出=301Q肥。首部控制器在執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，此時需要手動調節吸肥通道上的限流閥，配合轉子流量計調節好合適的吸肥流量Q肥，使進肥與出肥滿足對應稀釋倍數的關系。此種方式調試較為復雜，但是設定好流量參數后，系統的能耗會降低。

3 系統控制方案設計

3.1 系統控制硬件方案

系統硬件方案框圖如圖3所示，硬件方案包括首部控制器、恒液位變頻控制器、數據采集器、人機界面1 和2、I/O 控制器及各執行設備和傳感器等。

圖3 系統硬件方案框圖Fig.3 System hardware scheme block diagram

首部控制器主要功能是通過數據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據，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據的功能界面，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行機構的狀態和實時數據，首部控制器下發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設置和PID 參數設置等功能界面。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，并通過數據采集器實時采集混肥罐實時液位值，形成液位負反饋，通過調節好PID參數使混肥罐達到恒液位的效果［12，13］。

3.2 系統控制軟件方案

系統控制軟件主要利用C#、C 語言實現人機界面編寫和各種邏輯控制，主要解決各模塊參數初始化、信號及數據的預處理、控制設備的運行等問題。系統運行初態包括向混肥罐加水，使混肥罐液位達到設定值并通過調節恒液位控制參數保持液位恒定，記錄各初始值等操作。系統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，系統的進水量總和與進肥量總和同樣滿足設定的稀釋倍數關系。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參數Q肥和Q出。

系統運行流程圖如圖4 所示，當用戶輸入稀釋倍數為300倍時，系統運行后會判斷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時系統會停止運行并啟動清洗管道流程。系統運行過程中攪拌泵會持續運行使肥液混合均勻。

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

系統的部分軟件操作界面如圖5 所示，用戶設定好稀釋倍數、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行后系統開始運行，運行過程中有進度提示，用戶也可回到系統運行界面查看設備運行狀態和各種參數值。系統會記錄每次的施肥記錄包括本次施肥的相關參數和時間，同時可與系統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

本文中的系統采用了性能穩定，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出肥流量按稀釋倍數對應的設定流量參數運行，保證系統出肥濃度的均勻性，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，實現了控制肥液稀釋倍數的施肥方式。系統在實際運行試驗中，實現簡單，操作方便，運行可靠穩定，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象，避免管網內的流量突變，減少了爆管、滴漏的發生概率。