多通道水肥一体化施肥机定量定比混肥系统的研究*

盛文祥 ，彭 诚 ，储开念

（合肥职业技术学院，安徽 合肥 230000）

0 引言

水肥一体化施肥机是将施肥与灌溉多任务融合并行实现的一种现代农业机械。虽然我国水资源总量高居世界第六，但是人均水资源占有量仅为世界平均水平的28%[1]。其中，农业用水不科学导致水资源利用率较低[2]。很多地方仍采用水肥分施，盲目追求施肥量，导致水肥资源的严重浪费[3]。水肥一体化施肥机按照农作物的不同生长需求，可通过调控水肥的施加量来达到科学合理灌溉施肥的目的[4]。为了精确完成这一目标，混肥系统的控制系统显得尤为重要。传统节水灌溉控制系统多采用对单一变量进行控制的方式，这使得系统的数据采集技术单一，系统之间多变量沟通效率低，系统结构固化，调整升级难度大[5]。LabVIEW 采用图形化编程语言，具有控制界面清晰、系统维护简单以及与外部设备通信快速稳定等优点，使得开发效率大大提高[6]。

本文对多通道水肥一体化施肥机混肥系统中各通道自动定量定比混肥功能展开研究，设计了一种基于LabVIEW 的多通道水肥一体化施肥机混肥系统，实现了多通道水肥定量定比控制，推进了我国现代农业的进一步发展。

1 系统设计

多通道水肥一体化施肥机各通道自动定量定比混肥控制系统由传感器网络、数据采集终端、控制模块和上位机组成。系统总体设计流程图如图1所示。

图1 LabVIEW定量定比混肥系统流程图

系统控制模块采用西门子S7-200PLC，传感器采用电流型传感器，通过合理布置，将各通道所采集数据通过串口通信传递到数据采集终端与上位机。上位机通过串口通信将控制指令传递到控制模块，实现各通道水肥比例的动态调节。硬件系统结构图如图2所示。

图2 数据采集与控制系统结构图

1.1 软件设计

软件是整个控制系统的核心之一，LabVIEW 广泛应用于测试与控制[7]，为保证软件与硬件的无缝连接，本系统采用图形化编程语言实现控制程序的可视化编写，通过LabVIEW 内置的传感器数据采集模块配置通道可以准确方便地采集所需数据[8]。根据所选用的传感器数据传输方式，本系统采用串口通信方式来采集pH 检测仪、EC 计、流量计等设备传回的数据信息，并反馈相应的控制参数到电磁阀以调节开度。本系统主要包括三大部分：数据采集与处理，关键数据可视化处理，主要参数调节控制。通过串口通信进行数据的采集，通过LabVIEW 内部公式节点对数据进行处理。关键数据采用波形图显示，同时以数值的形式精确表达。控制主要是对各通道成分占比的控制，针对多通道定量定比混肥系统建立数学模型，如下式所示。

其中，Xi为第i条通道液肥占比；aij为第i通道第j次采集得到的瞬时流量。

1.1.1 数据采集与处理

系统工作之前，首先要进行端口配置，一般情况下采用默认参数即可。串口配置完成后，VISA 即可正常读取传感器传送到缓冲区的数据[9]。读取到有效数据后，以矩阵的形式存储，如矩阵A，程序根据公式节点函数组按照建立起来的数学模型进行处理，输出各通道流量值、pH值等其他重要参数。

1.1.2 关键数据可视化处理

各通道流量数据用于最终计算各通道成分占比，是重要的源数据。本系统采用波形图结合数值显示的方法实时反映各通道流量状况[10]。水肥各成分占比能够最直观地反映系统的工作性能，因此采用波形图实时监测各成分占比情况。

1.1.3 主要参数调节控制

系统根据传感器采集到的各通道流量值计算各成分占比，并将其与设定值对比，超出误差范围时控制系统按照既定的数学模型通过调节各通道电磁阀开度调节占比情况，直至占比处于误差允许范围。

1.2 硬件结构设计

根据总体设计流程图，多通道定量定比混肥系统硬件结构如图2 所示。水肥一体化混肥系统共设计6路通道，共设有6 个pH 检测仪、6 个EC 计、7 个流量计、1 个控制终端、若干个电磁阀。其中，控制终端用于控制数据的流向[11]。各支路通道通过电磁阀的开度控制实现不同肥料与水的比例的控制。各通道传感器位置按照如图3 所示的传感器分布图进行布置，其中，正方形代表pH 检测仪，三角形代表EC 计，圆形代表流量计。

图3 传感器布置平面图

2 系统实现

本系统主要包含三部分，主要程序框图如图4 所示。根据实际混肥系统控制原理，控制程序为各传感器设定唯一的串口，采集到的流量数据一方面以波形图的方式显示，一方面直接以数值形式显示。根据采集及计算所得数据，系统以波形图的形式显示当前60 s 内的数据。为方便后续的统计分析与预测，程序将所有数据写入TXT文档保存。

图4 主程序框图

3 试验分析

3.1 试验目的及方案设计

在程序框图设计完成的情况下，检验系统实际混肥控制能力能否达到预设值效果。如果各通道成分占比分布在预设值的合理范围内，则证明该控制程序能够较好地完成预定任务。如果实际结果与预设值范围差距较大，则重新检查程序算法的正确性以及各传感器的实际性能，改善之后重新进行试验。因此，此次试验的目的是检验数学模型的正确性与混肥系统的可靠性。

本次试验选用水泵功率为2.2 kW，扬程为45 m，泵吸体积流量8 m3/h；pH检测仪型号为pH-100，精确度为±0.01 pH；EC 传感器型号为EC-1800，精确度为±1%FS；进出口管道规格为DN40的PVC管。

3.2 测试试验

将测试的多通道混肥系统安装在额定功率为2.2 kW 的水肥一体化施肥机中。试验于2023 年3 月在皖南烟叶种植基地进行，对本控制系统数学模型的正确性与混肥系统的可靠性进行了田间试验。定量定比混肥系统控制界面如图5 所示，现场试验图片如图6所示。

图5 定量定比混肥系统控制界面

图6 现场试验

试验时，将该系统各通道按照系统原理图连接，开启电源和水泵，启动施肥机。待系统处于稳定状态时，连续记录各通道瞬时流量相邻两次数据，将其作为各通道肥料占比计算的源数据。

3.3 试验结果与分析

根据烟叶生长所需肥料，本次试验使用同浓度的N、P、K 三种液态肥，并将设定值分别设定为34%、16%、50%。依据上述试验采集系统稳定后各通道相邻两次瞬时流量数据，如表1所示。

表1 各通道瞬时流量连续采样数据

通过公式（1）和公式（2）计算各通道肥料占比情况，并与系统设定值进行对比分析，建立表2。由表2 可知，三通道肥料最大误差为2.7%，属于允许误差范围，表明该系统定量定比控制有效。混合后的肥液pH 值为6.26，EC 值为0.42，符合本次试验对象烟叶的最佳生长环境，同时验证了系统的可靠性。

表2 各参数实测值与理论值对比及误差

4 结论

1）本文设计了基于图形化编程语言的多通道水肥一体化施肥机自动定量定比混肥系统，框图程序开发效率高，控制界面可视化性能强。

2）本系统实现了多通道水肥一体化施肥机混肥系统的各通道成分占比控制，具有较高的控制精度。

3）通过迭代法计算各通道成分占比，缩短了系统关键参数调节达到设定值范围的时间，提高了系统的运行效率与稳定性。