基于.NET开发的水肥（药）一体化装置研发

申兆亮 ，李 震 ，马素超 ，马天石 ，段德刚 ，马 良

（1.山东省农业机械科学研究院，山东 济南 250100；2.山东农业工程学院，山东 济南 250100）

总论

农业作为国民经济的基础不仅是人类衣食来源，而且提供了重要的工业原料。但现代农业在大幅提高生产效率的同时，也因过度使用农药、化肥等引起了环境污染和生态失调。水肥（药）一体化的提出极大解决了因肥料（农药）浪费引起的环境问题。水肥（药）一体化技术是以水为载体，根据作物生长需要及土地墒情变化，按照一定的比例将可溶肥（药）母液融入水体中，通过灌溉装置直接输送至作物根（茎）部，精准施肥（药）防止过度浪费，让植物健康生长。

1 国内外研究现状

20世纪60年代以色列开始灌溉施肥一系列研究，据报道该国80%的灌溉土地均普及了计算机管理与自动化控制技术[1]；目前为止，美国60%马铃薯，25%的玉米，33%水果均使用了水肥一体化技术，加州目前已建立了完善的水肥一体化服务体系和设施；2006年-2007年澳大利亚设立总额100亿澳元的国家水安全计划，用于发展水肥一体化技术，并建立了土壤墒情监测系统指导施肥[2]。20世纪90年代中期，滴灌施肥技术理论及其应用日益受到重视，我国开始大量开展技术培训和研讨，新疆地区应用的棉花膜下滴灌施肥技术已达到国际领先水平，但是从整体上看，国内某些微灌设备产品尤其是首部配套设备的质量同国外同类先进产品相比仍存在较大差距。全国应用水肥一体化技术的覆盖面积所占比例还小，水肥一体化技术管理水平还是相对较低[3]。

国外设施农业发达国家如美国、日本、荷兰、以色列等国在植物精密施肥所采用的自动施肥主要有泵注式、文丘里式、压差式、水驱动混合注入式，其中水驱动混合注入式应用越来越广泛[4]。我国目前较为精密水肥一体化装置及相关技术基本上依赖进口，不仅采购成本高，而且进口设备设计时未参考中国国情，出现了水土不服的现象，如何设计开发一套符合中国国情的水肥（药）一体化自动施肥（药）装置迫在眉睫。

2 水肥（药）一体化系统工作原理

水肥（药）一体化系统原理图如图1所示，主要包括：①计算机（含数据库）、智能控制器组成的上位机决策系统；②由EC/PH传感器和液位传感器组成的感知系统；③肥液、酸碱液气动调节阀、加药计量泵组成的变量调节执行机构。计算机是整个系统的“大脑”，即可通过数据库调取当前作物需肥或者农药喷撒配比情况，为智能控制器下达施肥及喷药量的指标，同时可统计施肥量、用水量、用药量等信息。由EC/PH传感器、智能控制器及相应的气动调节阀组成肥料变量控制的PID系统，可根据计算机提供的指标为农作物提供最佳的水肥配比。当需要喷撒农药时，在计算机的控制下，根据水罐的截面积及液位计提供的水位信息计算出罐内水的体积，然后根据数据库中提供的农药配比，在智能控制器的作用下驱动加药计量泵将合理量的农药注入到罐内。

图1 水肥（药）一体化系统原理图Fig.1 Schematic diagram of integrated water and fertilizer（pesticide） system

2.1 管路系统

其管路系统主要包括三部分：肥料变量配给管路系统及农药变量配给系统、混合罐，如图2所示。

图2 水肥（药）一体化机械系统原理图Fig.2 Schematic diagram of water and fertilizer（pesticide） integrated mechanical system

2.1.1 混合罐

混合罐是整个管路系统的主体，由搅拌电机、搅拌器及混合罐体组成。在电机的作用下将肥液或者农药与水充分混合，供喷洒系统使用。

2.1.2 肥料变量配给系统

肥料变量配给系统主要包括肥液箱、肥液气动调节阀、肥液文丘里混合器及酸碱液箱、酸碱液气动调节阀、酸碱液文丘里混合器两路系统组成。计算机提供了EC/PH指标值，控制器根据EC/PH传感器提供的反馈值，及时调节相应气动阀门的开度，在文丘里混合器的作用下将肥液注入到混合罐中，从而使注入到混合罐内的肥液量始终保持在指标范围内，同时完成水肥的一次混合。

2.1.3 农药变量配给系统

农药变量配给系统主要由农药箱、农药箱电磁阀及计量泵组成。在需要喷洒农药时，根据液位计提供的水位值，计算机结合数据库提供的农药配比，计算出所需的农药量，由计量泵将农药注入到混合罐内[5]。

3 水肥（药）一体化智能控制系统原理

水肥（药）一体化智能控制系统由若干分布于土地分格单元的无线墒情传感器、无线传输网络、用于决策的上位机PC及用于控制电控执行器的PLC下位机组成。

无线墒情传感器负责收集施肥地块的墒情情况，并将数据实时传送至上位机中，为施肥决策提供依据。

无线传送网络作为信息传输的管道，它的信息传输能力（传输速率、抗干扰性及稳定性）决定了整个控制系统能否可靠稳定工作。

上位机PC及PLC下位机相互结合为整个系统提供可靠的决策执行能力。

图3 无线通讯原理图Fig.3 Schematic diagram of wireless communication

3.1 PLC控制系统

本工程采用了国产台达的PLC，通过无线串口实现了计算机与PLC之间的通讯，摆脱了线缆的束缚，使其之间的搭配更为灵活。上位机与下位机之间采用主从通讯方式，即PLC严格按照计算机的指令进行工作。PLC的供电方式采用锂电池供电，其电量通过无线串口在计算机上得到监控，非常适合工作在无交流电源的野外环境。

图4 PLC控制箱Fig.4 The PLC control box

4 水肥（药）一体化软件管理系统

水肥（药）一体化软件管理系统是整个系统的核心，主要功能：被施肥土地的网格划分、初始化喷架参数、喷灌的启动与停止、追踪记录施肥进度、查询单元土地的墒情值等。软件[6]具体工作过程如图5所示。

图5 水肥（药）一体化软件工作流程图Fig.5 The flow chart of water and fertilizer（pesticide）integration software

图6 软件登录界面Fig.6 The interface of software login

图7 软件工作界面Fig.7 The Software work interface

图8 单元土地墒情自动读取Fig.8 Automatic reading of unit soil moisture

4 总结

本文根据中国农业现状，结合.Net平台开发的管理软件，提出了一套适合中国国情的水肥（药）一体化的解决方案，该系统成功通过了现场试验验证。该系统的研发成功较大程度上解决了现代农业存在的肥、药浪费问题，为中国精准农业的发展探索提供了重要依据和数据支持。