基于專家系統的農藥混配控制系統

劉先明，黃李金，宋余君，舒 君，舒 薇

（1.懷化學院 物電與智能制造學院，湖南 懷化 418000；2.武陵山片區生態農業智能控制技術湖南省重點實驗室，湖南 懷化 418000；3.廈門大學 電子科學與技術學院，福建 廈門 361102；4.溆浦縣兩丫坪鎮中學，湖南 懷化 419312）

0 引 言

噴灑農藥是農作物病蟲害防治的重要手段，將無人機技術應用在現代農業中實現農藥自動噴灑，不僅提高了病蟲害防治效率也提高了農業生產效率。但對農藥混配的效率和農藥科學配比也提出了新的要求，要求在農忙時期混配滿足植保作業的藥量，也要求種植過程中使用正確的化學農藥對病蟲害進行防治，以提高農作物的產量和品質，在有效控制害蟲的基礎上，減少農作物上農藥的殘留，提高農作物的健康性與安全性。

傳統機械噴霧器的混藥方式為預混式[1]，需要在噴灑作業前將農藥與水按適當比例注入噴霧箱，并人工攪拌均勻，此舉容易造成配比誤差大、混配不均勻等問題。針對在線混藥子系統，Steward 等[2]于21 世紀初采用數學建模方法對Raven SCS-700 注入式混藥子系統進行研究，分析了流量閥的相關參數，在作業過程中做到了閥門穩定、迅速響應，實現精準混藥。Gillis 等[3]于2003 年將機器視覺應用到在線混藥系統的研究中。孫道宗等[4]利用基于CFD 正交試驗數值試驗和優化設計管道噴灑技術對在線農藥混合裝置進行測試，評估農藥溶解性能和農藥混合性能，大大提高了山坡上果園的農藥噴灑效率。在農藥混配均勻性方面，李晉陽等[5]利用流量調節閥對藥液流量進行檢測和調控，并利用BP 神經網絡建模，將混藥裝置的相對偏差控制在4%以內。徐幼林等[6]利用高速攝影技術和數字圖像處理技術示蹤粒子在混合液中的分布情況，引入機器視覺技術分析射流裝置中農藥混配的效果，建立了泵壓力和均勻度的關系曲線。隨著農藥噴灑裝置自動化程度的提高，混藥裝置逐漸集成到無人機噴灑設備中，實現了水藥分離的在線式混藥。將精準測得的農藥量送入混藥箱中，再加入確定稀釋倍數的水量，最后測定農藥濃度，實現了農藥自動化精準配置[7-10]。以在線混合系統為例[11]，作業者和藥液無需直接接觸，用泵抽取農藥和水一起注入到混合器內混合均勻，取藥量可以根據需求進行調控，使用計量泵抽取農藥到混合室與水混合。采用PLC 或者單片機進行控制的液體農藥混合裝置控制系統，將3 個液位傳感器放置在攪拌室[12-13]，以提高控制系統的可靠性。

為進一步提高混藥系統的混藥準確性和混合性能，方便操作人員設置，本文采用超聲波計量技術對農藥進行精準計量，并結合PLC 技術和專家系統設計了一種自動化混藥系統，采用自動識別技術和人工相結合的方式能夠根據作物的名稱、季節以及害蟲種類，選擇最合適的藥物并合理配置農藥劑量，建立具有數據映射關系的專家系統，設置不同農藥混合配比方案，提高農藥有效利用率，減少農藥浪費和殘留。

1 系統設計

本系統采用PLC 作為主控器將分別對藥和水進行計量，抽取的藥量和水量達到所需體積后，停止水量和藥物的抽取，之后送入混配罐體進行農藥混配。混藥系統結構如圖1 所示，主要包括取藥的藥槽、取水管道、物聯網通信模塊、PLC控制器、超聲波計量模塊、混配罐體。取藥的藥槽配置有0 ～5 L/min 的蠕動泵抽取藥液到混配罐，精度為±1%，藥槽設置有粉劑稀釋分解裝置和藥槽液位傳感器，用以監測藥量。混配需要的水來自家用自來水，本身具備一定的水壓（低于4 m3/h），在取水單元管路上安裝YF-DN20 水流量傳感器，傳感器常用流量量程為40 ～4 000 L/h，精度為±2%，水流量傳感器由PLC 單元直接供電。取藥和取水的管道中間都設有電磁閥，可通過PLC 進行開關控制，在藥量和水量達到配比要求時及時關閉。農藥混配裝置工作時，PLC 控制器控制蠕動泵從藥槽中抽取農藥，經超聲波流量計測量后，電磁閥打開，注入混配罐體，與經過精確計量進入混合器的自來水混合，混合液可以通過輸出管道輸出，以供無人機噴灑罐轉移使用。

圖1 農藥混配系統框圖

1.1 系統硬件設計

系統硬件主要包括數據采集、數據處理、元件動作執行。控制系統整體設計如圖2 所示。系統硬件部分包括各類傳感器模塊、PLC 控制器、4G 通信模塊、輸出控制模塊。其中，輸入傳感器模塊包括藥槽液位傳感器、水流量傳感器、混配罐液位傳感器；輸出控制模塊包括顯示報警模塊、藥量開關閥、水量開關閥。物聯網通信模塊采用4G 物聯網模塊。

圖2 硬件模塊框圖

數據采集部分主要通過流量、液位傳感器對管道水流量、混合液流量以及水箱和藥箱液位數據進行采集。數據處理部分即控制系統核心選用PLC 觸摸屏一體機，可滿足水流量檢測與控制、藥流量控制、高低液位狀態異常時報警、數據顯示、存儲等需求。輸出控制部分主要是執行數據處理部分發送的數據信號命令，調節取水量和取藥量，并顯示實時混藥比例、水流量信息、藥流量信息。通信部分將系統工作狀態和所需藥水混合比例及水流量等PLC 界面上顯示的信息同步到智能終端，如手機等移動設備上。

1.2 系統軟件設計

系統軟件設計流程如圖3 所示。用戶登錄后可以選擇手動輸入配藥總用量、配藥類型或防蟲種類，系統根據輸入的類型選擇相應的專家系統計算藥用量和水用量，并分別計量藥量和水量，直到滿足所需用量再控制攪拌電機運轉，帶動配制罐內的螺旋攪拌葉充分攪拌農藥。PLC 控制器實現對電磁閥、水泵的控制，并將傳感器采集的數據上傳到PLC。同時，配合4G 通信將數據同步到手機及PC 終端，方便管理者查看混配工作的進度。混配罐內設置的液位傳感器將檢測的液位信息傳送給PLC，PLC 檢測到相關信息后關閉所有電磁閥并發出控制攪拌電機運行的命令。通過控制藥量和水量可以較為嚴格地控制混配農藥的劑量和清水使用量，提高藥液的濃度精準性。混藥罐體里設置有攪拌電機，可實現自動攪拌，提高了藥液混合的均勻性。

圖3 軟件設計流程

1.3 混藥專家系統設計

為提高農藥配置準確性，減少農藥殘留，對不同的農藥采用不同的配比。水稻常見病蟲害防治各類農藥的配比情況見表1 所列。

表1 水稻常見病蟲害防治各類農藥的配比情況

結合最新的研究，對水稻病蟲害進行全程生物農藥防治[14]。根據水稻各時期所需防治的病蟲害類型，建立了農藥配比數據庫，見表2 所列。在終端界面可以通過用戶輸入作物的類型及當前所處時期，選擇噴灑面積即可得到需配置的藥量信息和水量信息。

表2 水稻生長各階段農藥及防蟲害類型

2 系統運行與測試

系統搭建的實物如圖4 所示。由于農藥存在一定的毒性，為降低對環境的污染，系統搭建在封閉空間。系統設置有抽風機，方便內部人員操作時進行空氣對流。PLC 主機將來自藥罐的待配藥通過自吸泵吸入混配罐，計量準確的自來水進行混配。自來水本身具有一定的壓力，無需增加泵，達到要求的水量后關閉單向電磁閥。混配罐體設置有透明的液位檢測器，可將混配藥的容量顯示在終端，提醒工作人員合理配置藥量。

圖4 混配系統實物

組態軟件使得配藥過程可視化。在設計PLC 控制界面時，采用組態軟件可實現人機交互，操作簡單。在配藥時，只需在PLC 觸摸一體化顯示器中輸入配藥量或選擇配藥類型即可，操作簡單，便于掌握。人機交互系統可以嵌入組態王進行實時監控，組態王可以顯示流量的變化情況。組態頁面包括主頁面、專家系統界面、系統設置頁、歷史記錄查看頁。主頁面如圖5 所示，Y1、Y2、Y3 分別為水、藥和混配液體的電磁閥開關，因農藥腐蝕較強，裝置選用非接觸感應式液位傳感器，電磁閥選用耐腐蝕性強的常閉類型。圖5 左側為放藥的容器，藥品通過自吸泵抽入混配罐。混配系統組態其他界面如圖6 所示。專家系統界面以下拉菜單的方式將換算的水量和藥量轉移到混配系統主頁進行操作，系統設置頁可以單獨控制各電磁閥的開關，方便用戶在清洗罐體時使用，歷史記錄查看頁可以清晰看到系統歷史混配情況，方便查詢。

圖5 混配系統PLC 主界面

圖6 混配系統組態其他界面

3 結 語

本文采用PLC 技術和專家系統實現了農藥混合控制系統。專家系統根據農藥類型和防治病蟲種類分別建立了數據庫，進行科學的配比計算，搭配各農藥的需求量和水量。采用4G 模塊或NB-IoT 物聯網通信模塊將實際混配的藥量通過移動互聯網發送至用戶手機。建立遠程通信后，用戶可在用戶界面（手機）輸入農藥名稱，系統提示需要配比的水量。另外，用戶可以通過手機APP 輸入需噴藥的稻田面積及作物名稱，系統可以根據專家系統數據提示配比，避免配置過剩造成浪費。