自動施肥系統開發與性能測試

李明仁，蘆 陽，李東燕，張萬罡，馬慶安，賀 正，劉 揚，馬富裕

(1.石河子大學農學院/新疆生產建設兵團綠洲生態農業重點實驗室，新疆石河子 832003；2.現代農業生產信息化管理與應用技術國家地方聯合工程研究中心(新疆兵團)，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意義】我國干旱區滴灌面積已經達到4×106hm2以上。在滴灌作物主要生產環節中，依靠人工勞動完成的施肥、灌溉作業與耕、播、收等作業的高度機械化、自動化和信息化、智能化發展還不協調，需要水肥利用效率潛力深度挖掘[1]。以降低化肥施用量、提高水肥利用效率和增加經濟效益為目標，推動大田作物生產水肥管理裝備水平不斷提高，實現作物生產水肥管理的精準化、信息化和智能化已迫在眉睫[2]。【本研究進展】通過滴灌技術將傳統生產條件下分別獨立實施的施肥、灌溉進行充分的集成與融合，實現水肥同步實施的水肥一體化技術[3-6]，可使冬小麥水分利用效率提高57.5%，產量增加21.1%[7]，使番茄氮、磷、鉀吸收效率以及肥料偏生產力大幅提高[8]，能顯著提高棉花單株鈴數、單鈴質量和籽棉產量，促進棉花對營養元素的吸收[9]。當前廣泛使用的壓差式施肥罐是滴灌水肥一體化的主流施肥設備，雖具有結構簡單、操作容易、投入成本低等優點[10,11]，但其輸出肥液濃度難以精確控制、施肥不均勻、加肥頻次高、人工勞動強度大、施肥效率低等缺陷嚴重制約化肥減量施用、提高施肥效率戰略目標的實現[12-14]。【本研究切入點】精準施肥是精確農業作業體系中的重要環節之一，隨大田作物滴灌面積迅速擴大和智慧農業的快速發展，生產上對實現精準施肥的裝備發展要求愈加迫切。開發出一種適宜于固態肥使用的自動施肥裝置，對實現精準施肥、降低化肥用量具有重要意義[15-18]。需開發一種適應于以固態水溶肥為原料的自動施肥系統。【擬解決的關鍵問題】開發一種自動施肥裝置，實現只需一次投肥可供多次分配的精確施肥功能，降低人工勞動強度，提高肥料利用效率，為推動大田作物生產施肥的自動化、信息化、智能化發展提供裝備支撐。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 自動施肥裝置

自動施肥裝置是精準施肥的執行機構，該裝置由施肥管理主機和貯肥攪拌罐體總成2部分構成。施肥管理主機由微處理控制器(ARM9電路控制模塊)、觸摸屏、流量監測模塊、變頻器、脈沖穩壓裝置及遠程傳輸模塊等組成，貯肥攪拌罐體總成主要由貯肥攪拌罐、減速機、折葉攪拌器、液位傳感器、流量傳感器、輸水管及輸肥管等組成。系統工作時， 1次或分次人工加入灌溉1遍水(分多次輪灌)所需全部肥料后，操作施肥管理主機完成預攪拌時長、施肥開始時間、施肥持續時長等參數設定后，系統隨即進入自動管理狀態，系統按照設定的輪灌次序、啟停時間、持續時長、施肥數量等指令完成施肥管理，直至本輪施肥結束。圖1，表1

表1 主要技術指標與技術參數Table 1 Main technical indicators and technical parameters

施肥機采用 ARM9 S3C2440 微處理器作為電路控制模塊的核心，配置液位監測預警裝置、功率調整變頻裝置等。圖2

注：1.貯肥攪拌罐 2.攪拌支架 3.加肥口 4.攪拌電機 5.進水閥門 6.注肥閥門 7.灌溉系統主干管 8.施肥控制主機 9.主機機架 10.吸肥管

圖2 自動施肥系統控制結構示意Fig.2 Control structure diagram of automatic fertilization system

1.2 方 法

1.2.1 攪拌器動裝置功率確定

攪拌器運行時需要克服的阻力包括槳葉旋轉時克服流體的摩擦阻力所消耗的功率和啟動時葉槳克服流體靜止慣性所消耗的功率之和。

(1)

式中：P為攪拌器電機功率，W；Np為攪拌功率準數，無量綱；ρ為肥液密度，kg/m3；n為攪拌轉速，r/s；dj為攪拌器直徑，m。在上式計算中，Np計算比較復雜，與罐體結構、大小及攪拌器槳葉結構、尺寸和流體的特性等因素相關。一般通過先計算雷諾數Re，通過查Rushton圖可以得到相應的功率準數Np，該方法相對簡單、精確[20]。

(2)

攪拌器為雙層折葉結構、上下層90°錯角安裝，槳葉傾角45°。所用裝置參數取值如下：dj=1.0 m，n=0.67 r/s(40 r/min)，ρ=1 300 kg/m3；μ為肥料黏度，查化工物性數據手冊[21]，常溫下μ=0.893 7×10-3Pa.s。將以上參數代入公式，雷諾數Re值9.7×105，查Rushton算圖，得到相應功率準數Np=0.71。代入式(1)，計算得到P值320 W。當計算結果小于1 Kw時，應對計算結果進行校正調整，調整原則，當0.1≤P≤1.0時，P實=校正系數×P，校正系數取1～4。結合農業生產現場情況可能較為復雜，適當放大校正系數，此處取校正系數4，得到攪拌機電機最終選型功率為1.3 Kw，攪拌器功率選型應不低于1.3 Kw的動力裝置，在裝置實際應用時確定額定功率為1.5 Kw。

注：H1. 罐體高度 H2.第二層葉槳距罐底高度 H3. 第一層槳葉距罐高度 D1. 罐體內徑 D2攪拌器寬度

1.2.2 注肥泵類型及其電機功率選型

選擇輸出量程100～2 000 L/h、額定電機功率1.5 Kw的蠕動泵作為注肥動力裝置，實測可行。

1.2.3 測試裝置

(1)計量精度測試。模擬生產應用場景搭建測試平臺進行計量方法的精度測試。采用0.1 g精度電子天平稱重法，以排肥量50 L作為設定值，設計6個管道壓力(0、0.5、1、1.5、2和2.5 bar)、4個注肥速率(8.3、10.0、12.5、16.7 L/min)，每個處理重復3次，對3種肥液輸出計量方法(計時法、電磁流量計法、電感脈沖計量法)的精準性進行檢測，比較不同計量方法、變量輸出條件下的計量偏差，選取誤差較低、投入成本適宜的方法為本系統的計量方法。

(2)肥液濃度均勻性分布檢測。對4種攪拌轉速(15、23、31、38 r/min)、3個預攪拌時長(10、20、30 min)、4個注肥速率(8.3、10.0、12.5、16.7 L/min)肥液濃度的均勻性檢測。供測試用的肥料分別為尿素(N≥46.3%)、磷酸一銨(N+P2O5≥73%)和硫酸鉀(K2O≥50%)。肥液均勻度測試方法，使用S15D-1500單點精確液體取樣器(昆山萊曼機械科技有限公司)分層提出肥液，單次提取液體積50 mL，使用80 μm定量濾紙過濾法[22]分離肥液中固態肥含量(濃度)并測算所占比例，當各液位間濃度差異小于5%即達到設計要求。圖4

圖4 系統性能測試裝置結構示意Fig.4 Schematic diagram of the performance test for the system

1.2.4 電路控制模塊

電路控制模塊的核心采用 ARM9 S3C2440 微處理器，這種處理器使用了2片外接的32 Mbytes 的 SDRAM 芯片作為內存，并接在一起形成32 bit 的總線，其具有足夠的 IO口和模數轉換通道，可靠性和集成度高，可滿足施肥機的控制需求。顯示器選用了 TFT-LCD(薄膜晶體管液晶顯示器)屏幕，工作電壓在 1.5～6 V ，可直接使用控制模塊提供的電壓。電路控制模塊中配置的液位監測裝置主要由光電開關、LED 燈和蜂鳴器報警電路組成。液位監測裝置用于實時監測貯肥攪拌罐內剩余肥液狀況。圖5

圖5 液位監測裝置工作原理電路示意Fig.5 Circuit working principle diagram of liquid level monitoring device

2 結果與分析

2.1 不同計量方法的精度

研究表明，不同注肥速率、管道壓力下，電感脈沖計量法的誤差最大值1.26% ，最小值0.79%，平均誤差0.96%；電磁流量計量法的誤差最大值1.01%，最小值0.59%，平均值0.79%；計時計量法誤差最大值為2.45%，最小值為1.92%，平均值為2.22%。計時計量法精度最低，電感脈沖計量法和電磁流量計計量法的肥液輸出精度都達到了較好的水平，符合設計需求。電感脈沖計量法為系統計量使用方法。表2

表2 3種計量方法精度檢測Table 2 Accuracy test for timing measurement method

2.2 攪拌轉速對肥液均勻度的影響

研究表明，在15、23和31 r/min 3種攪拌轉速條件下，0～40 cm液位肥液濃度顯著高于80 cm液位(P<0.05)，當轉速達到38 r/min時，不同液位的肥液濃度趨于一致，罐內固液相混合達到均勻狀態，液位間差異不顯著。即低轉速下罐體下部固相分布高于上部，但隨著取樣高度的增加，這種差異逐漸下降，當轉速達到38 r/min時液位間的差異消除。裝置攪拌適宜轉速確定為38 r/min。圖6

圖6 不同攪拌轉速下不同液位肥液均勻度比較Fig.6 Comparison of fertilizer mixture uniformity between liquid level under different mixing speeds

2.3 預攪拌時間對均勻度的影響

研究表明，當預攪拌時間達到30 min以上時，液位間的肥液濃度差異性不再顯著(P>0.05)，達到較理想的均勻水平。因此，在本裝置設計時，設定預攪拌時間達到30 min以上時系統才能開始啟動施肥程序。

圖7 不同預攪拌時間下不同液位肥液均勻度比較Fig.7 Comparison of fertilizer mixture uniformity between liquid level under different premixing times

2.4 配肥濃度對均勻度

研究表明，各處理不同液位肥液的濃度具有較好的分布均勻性，沒有明顯的液位差異性，當攪拌轉速和預攪拌時間為優化參數時，肥、水比例不會對施肥均勻度造成不良影響。圖8

圖8 不同肥水比例下不同液位肥液均勻度比較Fig.8 Comparison of fertilizer mixture uniformity between different liquid level with different fertilizer/water ratio

3 討 論

攪拌轉速與肥液固液相在罐內不同液位間分布狀態密切相關[23]。針對4種肥、水重量比例(1∶1，1∶1.5，1∶3和1∶4)配制處理下的肥液(分別代表了生產實踐中肥液濃度高、中、低和很低4種水平)，以轉速38 r/min攪拌30 min后對不同液位的肥液取樣。

試驗設計了大田滴灌作物自動施肥裝置，通過ARM9電路控制模塊完成對輪灌編組、預攪拌時長、施肥開始與結束時間、施肥持續時長、施肥量等的設置；選擇以蠕動泵為注肥裝置，通過變頻器控制注肥泵電機功率的方式控制注肥速率，從而實現定量精確施肥。

4 結 論

4.1利用輸出肥液設定值與實測值誤差較小、成本投入經濟合理相結合的方法，確定電感脈沖計量法為本裝置的肥液輸出計量方法；以輸出肥液不同液位間無顯著差異為依據，確定施肥開始前預攪拌時間不低于30 min、適宜攪拌速率不低于38 r/min；設計通過PLC現場控制和通過手機APP遠程控制2種自動施肥操控管理模式。

4.2在肥、水比1∶1至1∶4范圍內配制的肥液均有良好的濃度均勻性。為了提高系統的使用效率、最大化減輕人工勞動強度、一次性盡可能投入較多肥料進行肥液制作，當氮、磷、鉀等大量元素同步施用時，肥、水最大比例允許達到1∶1。

4.3以高水溶性肥料為肥料，采用現配現施的方法，通過自動施肥系統將固態肥液體化利用，在大幅降低人工勞動強度的同時，實現施肥的均勻性。