高精度施肥系統設計與實現

蔡景瀚，聶雅琳，王佳佳，湯洪豪，高一琛

（洛陽理工學院 計算機與信息工程學院，河南 洛陽 471023）

0 引 言

我國是一個農業大國，也是化肥生產和消費大國。化肥的使用是保持農作物高產的關鍵，但我國在農業方面對化肥的利用率一直處于較低水平。目前，我國農業施肥過程一直沿用人工手撒以及小型機械噴灑的作業方式，導致施肥量不能精確把控，或施肥量遠遠大于農作物的實際需求量，這不僅僅造成化肥的浪費，多余的化肥還會流至水體、土壤，直接危害農田周遭的環境；老式的作業方式極易導致肥料在田間分布不均勻，影響農田產量；且這種作業方式對人工的依賴性極高，效率低下，無法高效提升經濟效益。

在可持續發展的背景下，農業的可持續發展也受到越來越多人的關注。要實現農業的可持續發展，推行精準農業是關鍵。精準農業的實施有助于實現經濟效益、環境效益及生態效益的平衡發展。而推行精準農業就需要一套高精度的施肥系統把控施肥各個環節。本文提出并設計了一套包含配肥子系統、混肥子系統、排肥子系統以及噴灑子系統的高精度施肥系統，用于控制施肥流程以實現施肥的精確性。

1 系統需求分析

本系統從實際應用出發，根據農田的基本狀況人工輸入化肥的配比方案，系統根據配比方案精確配制化肥，并使配置完成的液態化肥與稀釋液在噴出前實現均勻混合，在區域內進行精準噴灑。綜合考慮之后系統功能需求如下：

（1）根據配比方案精確配肥；

（2）已配肥料與稀釋液均勻混合；

（3）單位時間內對排肥量進行控制；

（4）區域內精確噴灑。

2 系統設計

2.1 系統構成

本系統主要由配肥子系統、混肥子系統、排肥子系統以及噴灑子系統組成，系統構成如圖1所示。

圖1 系統結構

2.2 系統功能概述

配肥子系統：配肥子系統根據接收的配比方案，精確配制所需的液態化肥。通過計量泵等器件使液態化肥的配制更加精確，系統內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：混合子系統將已經配制完成的液態化肥進行進一步稀釋，以達到化肥噴灑要求。混合系統采用SK型靜態混合器對液態化肥與稀釋液進行均勻混合。

排肥子系統：排肥子系統主要由控制電路、驅動器、步進電機等設備組成，控制電路用于接收排肥信息并計算出相應的電脈沖信號傳輸至驅動器，驅動器根據電脈沖信號驅動步進電機，最后由步進電機完成排肥。

噴灑子系統：噴灑子系統實現液態化肥的精確噴灑，所采用的內螺紋噴頭可以根據泵出的壓力改變液態化肥的霧化狀態。

3 系統設計

3.1 配肥子系統設計

配肥子系統主要由計量泵、空壓機、三通電磁閥、單向閥、流量計、壓力傳感器和攪拌裝置組成。當系統接收到配比方案后，根據各種肥料所需濃度計算出對應的比例。配肥流程如圖2所示。

圖2 配肥流程

計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，采用計量泵吸取的方式可以更加精準控制所需肥液。通過壓力傳感器（如圖3所示）實時檢測不同肥料原液的減少量，并使其始終與計算的比例保持一致，從而保證肥料的精準配比。使用單向閥可以防止原液回流，使原液經過流量計進入混合罐。三通電磁閥的進口分別接計量泵和空壓機，出口接單向閥。當計量泵停止吸取肥料時，關閉三通電磁閥與之相連的接口，打開與空壓機相連的接口。將壓縮氣體送入管道，高速流動的氣體可以將積累在運輸管道內的肥料原液吹落，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行充分攪拌。流量計可以提供肥料流量參量的準確數值，使得系統在配肥過程中可以做出合理的判斷與調節，從而通過調整計量泵的頻率實現優良的控制。當壓力傳感器檢測到原液余量不足時，系統能夠及時提醒使用人員對原液進行補充。

圖3 壓力傳感器及原理

3.2 混合子系統的設計

3.2.1 混肥子系統原理

國內靜態混合器按照其管內固定部件的結構分為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），每種靜態混合器都有著不同的適用范圍。如圖4所示，SK型靜態混合器內部固定部件采用多個方向相反的螺旋結構，該設計在管道內留有較大的空隙，不易堵塞，因此適合多種不同粘度的化肥混合或稀釋。當化肥通過SK型靜態混合器進行混合或稀釋時，化肥在混合器中會周期性改變流動方向以實現良好的徑向混合或稀釋效果。

圖4 SK型靜態混合器

本系統采用的化肥均為液態化肥，需要在混合罐內通過混合器對液態化肥進行稀釋并均勻混合，考慮到液態化肥的介質特性、靜態混合器的易操作性和靜態混合器對液態化肥的混合效果，選用SK型靜態混合器進行液態化肥的混合和稀釋。當化肥配比完成并注入混合罐內后，系統驅動直流水泵組中的水泵將液態化肥抽取出來并經過SK型靜態混合器后重新注入混合罐中。因直流水泵流量可達80 L/h，因此直流水泵僅需約10 s即可將混合罐內的化肥和稀釋液混合均勻。

3.2.2 化肥稀釋倍數計算

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

稀釋倍數=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換算見表1所列。

表1 化肥濃度與稀釋倍數換算表

3.3 排肥子系統設計

3.3.1 排肥子系統控制原理

排肥子系統主要由單片機控制電路、驅動器、步進電機及排肥設備組成。本系統需要根據輸入的單位時間排肥量，將信息輸入單片機控制電路，經運算得出所需的電脈沖信號。將此脈沖信號輸送至步進電機驅動器，控制步進電機變速轉動以控制單位時間的排肥量。控制電路如圖5所示。

圖5 排肥系統電路

3.3.2 步進電機驅動器及步進電機

步進電機驅動板具有驅動步進電機、調整步進電機狀態的作用。本系統采用kamoer公司出品的步進電機驅動器，通過通信總線RS 232調節步進電機的轉動速度。

本系統采用kamoer公司出品的KCM-S403型步進電機，通過改變輸入的電脈沖信號頻率來調整步進電機的轉動速度，由步進電機的轉軸帶動排肥設備轉動，以完成排肥。一般情況下，電脈沖信號頻率越大，步進電機的轉動速度越快，排肥量越大；反之，電脈沖信號頻率越小，步進電機的轉動速度越慢，排肥量越小。

3.3.3 排肥量計算

本系統使用的步進電機泵的管內徑為=3 mm，支撐角度=60°，泵殼圓周截面內圓直徑=5 cm，滾輪直徑=4 mm；根據式（2）可以估算得出每旋轉角度步進電機泵輸送的液態化肥量約為：

步進電機泵輸送體積為的化肥所需時間可使用式（4）計算：

式中，為旋轉時間（s）。

3.4 噴灑子系統設計

本系統采用頂部噴淋裝置實現施肥功能。噴淋采用內螺紋霧化噴頭（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。工作過程中可承載水量為1.0～2.5 kg，噴灑直徑最大可達1 m。為做到精確噴灑，每個花卉培養位置均位于各霧化噴頭的正下方，因為為封閉環境，所以無需考慮風力對霧化后水霧的影響。本系統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，配置完畢的液態化肥被步進電機泵至霧化噴頭，從而實現噴灑。噴頭內部構造不同，在調節旋鈕松緊程度統一的情況下，通過控制步進電機泵的壓力輸出控制霧化噴頭噴口處的霧化狀態。

圖6 內螺紋霧化噴頭

壓力和流量存在如下近似關系：

式中：和是第一狀態時的壓力和流量；和是第二狀態時的壓力和流量。

噴頭的霧化粒徑及霧化角的范圍與壓力及流量的關系見表2所列。

表2 霧化粒徑及霧化角與壓力及流量的關系表

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 語

傳統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，從而導致化肥利用率低下、環境污染嚴重以及農作物產量下降。基于此，本系統設計了配肥子系統、混合子系統、排肥子系統以及噴灑子系統。系統通過對化肥配制、混合、噴灑等方面的嚴格把控，精確控制液態化肥的施肥流程，從而實現高精度施肥。

目前，本系統不能根據實際的環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現施肥。為此，下一步將研究針對土壤情況及自然環境狀況的信息采集系統，并根據采集的信息計算合理的化肥配置與施肥方案，實現智能控制。