智能履帶變幅水肥一體噴灑機設計

劉志遠， 趙 敬， 褚幼暉， 單東日， 李 雙， 何青海

（1.齊魯工業大學（山東省科學院），山東 濟南 250353； 2.山東省農業機械科學研究院，山東 濟南 250100；3.山東斯馬特農業科技有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

隨著科技的進步，人們對農業的認識也在不斷地發生變化。從當前的形勢來看，農業結合大數據和云計算技術的優越性越來越明顯，智能農業也從概念邁入了實際應用階段，極大地提高了農業生產質量與效率，進一步促進了農業現代化的發展[1-4]。2017 年，國務院印發《新一代人工智能發展規劃》，明確了人工智能的發展趨勢，包括農業智能感知與控制系統、農業智能監控系統、智能農業監控系統、智能農業監測系統和智能分析系統等。

澳大利亞在2007 年制定了一個100 億澳元的全國節水項目，超過50%被用來開發灌溉設備和水肥一體化技術。印度的微灌溉在過去10 年中也迅速發展，是10 年前的4 倍。日本已有了完全自動化的管道灌水系統。美國則大量應用地下滲灌和微噴灌技術，并通過智能網絡控制所噴灑的液體中肥料的比例，這種技術在超過70%的農田中推廣使用，極大地節省了當地有限的水資源，也節約了照看農田的人力物力。

中國雖然地大物博，但是水資源境況卻不容樂觀，近年來，節水灌溉技術也逐漸得到了大眾的關注，部分地區也開始大規模使用水肥一體化節水機械。湯攀等[5]對比例施肥泵吸肥活塞結構進行了優化與試驗，試驗結果顯示，優化后的抽水活塞下端直徑16.6 mm、泄流槽寬5.5 mm、泄流槽深度3.7 mm，工作壓力差在0.05、0.10 和0.15 MPa 時，噴淋效果比原設計的噴施精度提高3.33、1.67 和0.29 個百分點。閔祥梅等[6]研制了一種新型水肥一體化噴灌設備，采用螺旋管道將水從四通管道中抽走，另一部分流入不銹鋼管道，再從噴嘴中噴出；在支架的左側，比例型肥料泵的底部與蛇皮管相連，而蛇皮管與肥料桶相連，由肥料管道進行噴灑。在河南省，小麥種植滴灌水肥一體化技術也開始大規模應用。

在智能化生產的今天，傳感器技術得到了快速的發展，特別是在智能化的農業領域。簡單來說，通過物聯網利用溫度、光照、CO2等傳感器，對周圍環境進行監測，再由各種儀器進行實時監測，計算機終端進行分析，對作物的生長進行預測，并由相應的設備進行自動控制[7]。現代農業的發展離不開物聯網技術的支持。從目前的農業發展狀況來看，物聯網技術是未來農業發展的主要方式，而智能化農業也將逐步得到推廣[8-9]。隨著智能溫控、節水灌溉、光線調節等技術的不斷發展，為將傳感器技術推廣到農業機械化領域打下了堅實的基礎。同時，也切實提高了智能化農業機械的操作效率、安全性和穩定性[10-12]。

目前市場上大范圍農田噴灑機仍然存在短缺的問題，特別是南方梯田無法大范圍應用固定噴灌技術。本研究根據現有智能噴灑技術，設計一種智能履帶變幅水肥一體噴灑機，并對其中的移動裝置和肥箱進行重點設計，底盤則采用履帶式底盤，降低入地壓強，增加靈敏性，以期能在前進中對田地中各處種苗進行肥料噴灑。

1 整機結構與工作原理

智能履帶變幅水肥一體噴灑機結構如圖1 所示，智能履帶變幅水肥一體噴灑機主要由智能電機、梅花聯軸器、支撐板、噴頭、速度傳感器、軸承及軸承支座、螺旋傳遞座、螺旋傳動軸、負壓式水肥箱、進肥管、液位傳感器、水肥分隔板、履帶車主體、固定箱和升降器等部件組成。負壓式水肥箱通過固定箱用螺栓固定在智能履帶車后部。變幅噴灑裝置則通過下部的支撐板與升降器連接。為了增大噴灑機的抓地力、增強噴灑機應對泥濘地面的能力，采用履帶前進的方式[13]。

圖1 智能履帶變幅水肥一體噴灑機結構Fig.1 Structure of intelligent track long-stroke integrated water and fertilizer sprinkler

2 關鍵結構設計

2.1 變幅移動裝置

通過SolidWorks 和AutoCAD 建模，設計的變幅移動裝置如圖2 所示。

圖2 變幅移動裝置結構Fig.2 Long travel mobile device

電腦通過連接線與智能電機連接，將智能電機實況數據實時傳遞到電腦中，并可通過電腦直接控制智能電機轉速。智能電機通過梅花聯軸器和螺旋傳動軸連接，傳遞智能電機扭矩；軸承及軸承支座Ⅰ、Ⅱ將螺旋傳遞座和螺旋傳遞軸固定在支撐板上，用來固定噴頭行程方向；噴頭通過螺旋傳遞座上預留的小孔將噴頭固定。

2.2 肥箱系統及吸肥原理

肥箱系統結構如圖3 所示。進肥管和負壓式水肥箱連接；水肥箱利用水肥分隔板將水肥箱分成大小兩個箱體；液位傳感器固定在負壓水肥箱側面，用來測量負壓式水肥箱內剩余量。進肥管深入負壓式水肥箱中，并通過文丘里原理與水肥分隔板分割出的小肥箱連接，抽出水的同時壓力差帶動小肥箱里的肥料進入進肥管，以達到混合的目的[14-15]。

圖3 肥箱系統結構Fig.3 Structure of fertilizer box system

3 控制系統設計

智能水肥灌溉履帶車控制系統是為水肥一體化智能設備設計的高效控制系統。整個系統包括主頁系統界面、監測系統界面、數據顯示界面和實時參數界面等部分。

主頁系統界面中可控制智能履帶車的前進和轉彎，顯示速度、工作時間等各項數據。監測系統界面則是顯示水肥溶液的各項數值，包括EC值、pH 值及履帶車所處地點的GPS 信息等。數據顯示界面詳細展示水肥溶液中的各項數據，包括肥料比例，以及各肥口的流速、流量等信息，同時還可以通過界面控制肥料口的進出，以滿足不同環境下對節水的需求。實時參數界面可以通過傳感器實時顯示各項環境數據，包括土壤溫度、土壤濕度、空氣溫度、空氣濕度、CO2值及光照強度，并在界面顯示各數據的變化，同時，通過歷史記錄可顯示并保存以往水肥機不同時刻的不同數值，以備綜合分析使用。

當藍牙鏈接控制器時，可以由手機端控制；選擇就地控制時，由現場人機交互界面控制。設定相關參數后，點擊開始運行按鈕設備進入自動工作模式，傳感器將采集信息進行回傳處理，由監測系統界面和實時參數界面時刻顯示各項信息，在歷史記錄中儲存有以往水肥一體化設備施肥的各項數據。

3.1 控制界面

當設備啟動時，自動進入主頁系統控制界面，如圖4 所示，主頁系統界面包括履帶車控制模塊、履帶車電量顯示模塊、藍牙連接模塊和履帶車參數模塊。履帶車控制模塊可控制履帶車的前進后退和轉彎，以及開關機，同時也可以通過模塊里的尋車按鈕尋找履帶車位置。履帶車電量顯示模塊通過其電量顯示和電量旁邊數字查看履帶車電量剩余情況。藍牙連接模塊通過點擊和電腦或者手機鏈接，實現在電腦和手機上控制履帶車及查看參數，實現遠程控制。履帶車參數模塊包括X方向行程、Y方向行程、速度、四輪轉速差和工作時間，以及施肥現場的空氣溫度和空氣濕度，主要來判斷履帶車所處位置和轉彎速度。點擊觸摸屏上方監測按鈕，進入監測系統界面，如圖5 所示。界面包括施肥機監測模塊和GPS 模塊。施肥機監測模塊用于監測肥料口實時流量，肥料混合液的EC 值、pH 值、肥液流量、累計流量、管道壓力、光照強度，以及注水閥流速、注肥機流速和肥箱液位高度，用來監測肥料口情況數據及肥料箱數據。GPS模塊則是通過鏈接GPS 衛星得到履帶車經緯度和海拔氣壓數據，以此來調節后續的出口壓力和肥箱內肥料種類。

圖4 主頁系統控制界面Fig.4 Interface of main page system control

圖5 監測系統界面Fig.5 Interface of monitoring system

點擊觸摸屏上方的數據按鈕，進入數據顯示界面，如圖6 所示。界面主要包括肥料比例模塊和肥口數據監測模塊。肥料比例模塊包括肥料設置、肥料比例顯示和進出料口開關，通過肥料設置，設置各肥料口進料比例和出肥口出肥比例，并通過環形表將進料和出料的比例實時顯示出來，以此來避免進料和出料錯誤。下方的出料口開關和進料口開關則可以控制進料口和出料口的開閉，實現遠程控制進料和出料。肥料口數據監測模塊監測A、B、C 和D 肥料口的開閉，以及流速、持續時間和總流量，實現單獨控制，更好地去節水節肥，最大限度地利用肥箱中的各種肥料，控制各口開閉去適應多變的施肥環境。

圖6 數據顯示界面Fig.6 Interface of data display

點擊觸摸屏上方的實時按鈕，進入實時參數界面，如圖7 所示。主要通過各項傳感器監測土壤溫濕度、空氣溫濕度、CO2濃度和光照強度等信息，圖7 中曲線顯示了近幾個小時各項環境參數的變化趨勢；歷史記錄則可以查看過去幾天、各個時間的各項參數，為優化節水施肥策略提供指引。

圖7 實時參數界面Fig.7 Interface of real-time parameter

3.2 軟件設計

為實現精準施肥，減少系統響應時間和施肥滯后造成的誤差，設計了智能履帶變幅水肥一體噴灑機控制系統，將路線采集部分、圖像采集部分和施肥控制部分集成，再結合GPS 的現場信息，由計算機計算出精確的施肥量和施肥位置，從而控制履帶車進行精準施肥作業，并在施肥期間不斷采集信息，隨時調整各項施肥數據，從而完成一片區域的精確施肥控制[16-20]。智能履帶變幅水肥一體噴灑機控制系統整體流程如圖8 所示。

圖8 智能履帶變幅水肥一體噴灑機控制系統流程Fig.8 Flow chart of control system of intelligent track long-stroke integrated water and fertilizer sprinkler

4 結束語

（1）針對現在農業智能化、機械化程度低，管理模式粗放，水肥浪費嚴重等問題，設計了智能履帶變幅水肥一體噴灑機，重點設計了移動裝置和肥箱機構。噴灑機構通過一段長螺旋傳動軸連接各結構，利用固定在軸上的螺旋傳遞座在水平方向帶動噴頭移動，并且聯合履帶車上的升降桿完成豎直施肥運動；肥箱則通過文丘里原理進行水肥的吸取。

（2）智能履帶變幅水肥一體噴灑機的運動、升降桿與螺旋傳遞座的調節，以及肥料與噴頭的控制均可通過無線網絡進行實時監控和控制，控制面板通過便捷式計算機控制施肥過程及施肥量，根據施肥現場環境不斷進行調整，有效地提高了田間的施肥效率，節約了肥料資源。