多通道水肥一體化施肥機定量定比混肥系統的研究*

盛文祥 ，彭 誠 ，儲開念

（合肥職業技術學院，安徽 合肥 230000）

0 引言

水肥一體化施肥機是將施肥與灌溉多任務融合并行實現的一種現代農業機械。雖然我國水資源總量高居世界第六，但是人均水資源占有量僅為世界平均水平的28%[1]。其中，農業用水不科學導致水資源利用率較低[2]。很多地方仍采用水肥分施，盲目追求施肥量，導致水肥資源的嚴重浪費[3]。水肥一體化施肥機按照農作物的不同生長需求，可通過調控水肥的施加量來達到科學合理灌溉施肥的目的[4]。為了精確完成這一目標，混肥系統的控制系統顯得尤為重要。傳統節水灌溉控制系統多采用對單一變量進行控制的方式，這使得系統的數據采集技術單一，系統之間多變量溝通效率低，系統結構固化，調整升級難度大[5]。LabVIEW 采用圖形化編程語言，具有控制界面清晰、系統維護簡單以及與外部設備通信快速穩定等優點，使得開發效率大大提高[6]。

本文對多通道水肥一體化施肥機混肥系統中各通道自動定量定比混肥功能展開研究，設計了一種基于LabVIEW 的多通道水肥一體化施肥機混肥系統，實現了多通道水肥定量定比控制，推進了我國現代農業的進一步發展。

1 系統設計

多通道水肥一體化施肥機各通道自動定量定比混肥控制系統由傳感器網絡、數據采集終端、控制模塊和上位機組成。系統總體設計流程圖如圖1所示。

圖1 LabVIEW定量定比混肥系統流程圖

系統控制模塊采用西門子S7-200PLC，傳感器采用電流型傳感器，通過合理布置，將各通道所采集數據通過串口通信傳遞到數據采集終端與上位機。上位機通過串口通信將控制指令傳遞到控制模塊，實現各通道水肥比例的動態調節。硬件系統結構圖如圖2所示。

圖2 數據采集與控制系統結構圖

1.1 軟件設計

軟件是整個控制系統的核心之一，LabVIEW 廣泛應用于測試與控制[7]，為保證軟件與硬件的無縫連接，本系統采用圖形化編程語言實現控制程序的可視化編寫，通過LabVIEW 內置的傳感器數據采集模塊配置通道可以準確方便地采集所需數據[8]。根據所選用的傳感器數據傳輸方式，本系統采用串口通信方式來采集pH 檢測儀、EC 計、流量計等設備傳回的數據信息，并反饋相應的控制參數到電磁閥以調節開度。本系統主要包括三大部分：數據采集與處理，關鍵數據可視化處理，主要參數調節控制。通過串口通信進行數據的采集，通過LabVIEW 內部公式節點對數據進行處理。關鍵數據采用波形圖顯示，同時以數值的形式精確表達。控制主要是對各通道成分占比的控制，針對多通道定量定比混肥系統建立數學模型，如下式所示。

其中，Xi為第i條通道液肥占比；aij為第i通道第j次采集得到的瞬時流量。

1.1.1 數據采集與處理

系統工作之前，首先要進行端口配置，一般情況下采用默認參數即可。串口配置完成后，VISA 即可正常讀取傳感器傳送到緩沖區的數據[9]。讀取到有效數據后，以矩陣的形式存儲，如矩陣A，程序根據公式節點函數組按照建立起來的數學模型進行處理，輸出各通道流量值、pH值等其他重要參數。

1.1.2 關鍵數據可視化處理

各通道流量數據用于最終計算各通道成分占比，是重要的源數據。本系統采用波形圖結合數值顯示的方法實時反映各通道流量狀況[10]。水肥各成分占比能夠最直觀地反映系統的工作性能，因此采用波形圖實時監測各成分占比情況。

1.1.3 主要參數調節控制

系統根據傳感器采集到的各通道流量值計算各成分占比，并將其與設定值對比，超出誤差范圍時控制系統按照既定的數學模型通過調節各通道電磁閥開度調節占比情況，直至占比處于誤差允許范圍。

1.2 硬件結構設計

根據總體設計流程圖，多通道定量定比混肥系統硬件結構如圖2 所示。水肥一體化混肥系統共設計6路通道，共設有6 個pH 檢測儀、6 個EC 計、7 個流量計、1 個控制終端、若干個電磁閥。其中，控制終端用于控制數據的流向[11]。各支路通道通過電磁閥的開度控制實現不同肥料與水的比例的控制。各通道傳感器位置按照如圖3 所示的傳感器分布圖進行布置，其中，正方形代表pH 檢測儀，三角形代表EC 計，圓形代表流量計。

圖3 傳感器布置平面圖

2 系統實現

本系統主要包含三部分，主要程序框圖如圖4 所示。根據實際混肥系統控制原理，控制程序為各傳感器設定唯一的串口，采集到的流量數據一方面以波形圖的方式顯示，一方面直接以數值形式顯示。根據采集及計算所得數據，系統以波形圖的形式顯示當前60 s 內的數據。為方便后續的統計分析與預測，程序將所有數據寫入TXT文檔保存。

圖4 主程序框圖

3 試驗分析

3.1 試驗目的及方案設計

在程序框圖設計完成的情況下，檢驗系統實際混肥控制能力能否達到預設值效果。如果各通道成分占比分布在預設值的合理范圍內，則證明該控制程序能夠較好地完成預定任務。如果實際結果與預設值范圍差距較大，則重新檢查程序算法的正確性以及各傳感器的實際性能，改善之后重新進行試驗。因此，此次試驗的目的是檢驗數學模型的正確性與混肥系統的可靠性。

本次試驗選用水泵功率為2.2 kW，揚程為45 m，泵吸體積流量8 m3/h；pH檢測儀型號為pH-100，精確度為±0.01 pH；EC 傳感器型號為EC-1800，精確度為±1%FS；進出口管道規格為DN40的PVC管。

3.2 測試試驗

將測試的多通道混肥系統安裝在額定功率為2.2 kW 的水肥一體化施肥機中。試驗于2023 年3 月在皖南煙葉種植基地進行，對本控制系統數學模型的正確性與混肥系統的可靠性進行了田間試驗。定量定比混肥系統控制界面如圖5 所示，現場試驗圖片如圖6所示。

圖5 定量定比混肥系統控制界面

圖6 現場試驗

試驗時，將該系統各通道按照系統原理圖連接，開啟電源和水泵，啟動施肥機。待系統處于穩定狀態時，連續記錄各通道瞬時流量相鄰兩次數據，將其作為各通道肥料占比計算的源數據。

3.3 試驗結果與分析

根據煙葉生長所需肥料，本次試驗使用同濃度的N、P、K 三種液態肥，并將設定值分別設定為34%、16%、50%。依據上述試驗采集系統穩定后各通道相鄰兩次瞬時流量數據，如表1所示。

表1 各通道瞬時流量連續采樣數據

通過公式（1）和公式（2）計算各通道肥料占比情況，并與系統設定值進行對比分析，建立表2。由表2 可知，三通道肥料最大誤差為2.7%，屬于允許誤差范圍，表明該系統定量定比控制有效。混合后的肥液pH 值為6.26，EC 值為0.42，符合本次試驗對象煙葉的最佳生長環境，同時驗證了系統的可靠性。

表2 各參數實測值與理論值對比及誤差

4 結論

1）本文設計了基于圖形化編程語言的多通道水肥一體化施肥機自動定量定比混肥系統，框圖程序開發效率高，控制界面可視化性能強。

2）本系統實現了多通道水肥一體化施肥機混肥系統的各通道成分占比控制，具有較高的控制精度。

3）通過迭代法計算各通道成分占比，縮短了系統關鍵參數調節達到設定值范圍的時間，提高了系統的運行效率與穩定性。