張 宏

（開封技師學(xué)院，河南 開封 475004）

目前，我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的施肥方式除了秸稈還田之外，最常見的仍然是人工施肥的形式，這種人工施肥方式不僅會(huì)耗費(fèi)大量的人力物力，還會(huì)在很大程度上影響中國的耕地結(jié)構(gòu)和耕地質(zhì)量。人工施肥無法對施肥量進(jìn)行精細(xì)化的控制，極易發(fā)生施肥過多的情況。因此，我國應(yīng)加大力度去研究智能施肥機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，優(yōu)化及完善系統(tǒng)，將智能施肥機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)的施肥灌溉中，從而提高耕田質(zhì)量。

1 智能施肥機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)分析

1.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的內(nèi)容

首先，智能施肥機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)在進(jìn)行施肥灌溉的操作時(shí)，可以按照使用者具體的需求對施肥控制閥進(jìn)行操作控制，這種操作方式能夠保證農(nóng)作物的灌溉量始終保持在精確穩(wěn)定的狀態(tài)。其次，在實(shí)際使用自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)施肥操作時(shí)，在了解肥料需求量的基礎(chǔ)上，施肥控制閥能夠靈活調(diào)整所施肥料的頻率。接下來可以對施肥管道投入定量的肥料，同時(shí)要檢測施肥管道中水和肥料的EC 值和pH 值，保證2個(gè)數(shù)值在正常范圍內(nèi)。如果發(fā)生水肥的壓力值大于施肥管道可承受壓力值的情況，操作人員要及時(shí)啟動(dòng)調(diào)壓裝置，若施肥管道長時(shí)間處在高壓的狀態(tài)下，自動(dòng)控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)發(fā)出信息，對工作人員進(jìn)行預(yù)警。最后，自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使用的是上下位機(jī)的結(jié)構(gòu)，上位機(jī)的監(jiān)控軟件是VB 軟件，下位機(jī)使用的是可編程邏輯控制器。因此，自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)針對施肥管道里肥水量的合理程度進(jìn)行檢測，同時(shí)將檢測的結(jié)果，即具體的EC值、pH值、壓力值、流量等相關(guān)信息數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)之中。

1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的原理

智能施肥機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的灌溉控制主要是對灌水量進(jìn)行有效控制，可以通過調(diào)整灌水時(shí)間來完成對灌水量的精準(zhǔn)控制和隨時(shí)調(diào)節(jié)。自動(dòng)控制系統(tǒng)的施肥控制主要是對施肥量、灌溉液里的肥料成分以及酸堿度進(jìn)行有效控制，同樣是通過對施肥時(shí)間的控制來完成施肥控制操作。從EC 值可以看出肥水的成分含量，所以要想控制肥料的濃度可以調(diào)整灌溉液的EC 值。另外，由于不同的農(nóng)作物在每一個(gè)生長階段都對灌溉液體的pH 值有不同的要求，所以為了保證灌溉液的pH 值始終保持在合理的和規(guī)定的數(shù)值范圍中，可以根據(jù)具體情況適當(dāng)使用pH值調(diào)節(jié)液。

自動(dòng)施肥機(jī)的3 種施肥灌溉液分別為酸性調(diào)節(jié)液、肥料原液、堿性調(diào)節(jié)液。智能施肥機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)設(shè)定的施肥頻率進(jìn)行合理施肥，與此同時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)可以將檢測的2 個(gè)數(shù)值同規(guī)定數(shù)值進(jìn)行分析和比較，根據(jù)比較的結(jié)果決定是否需要在管道之中添加或者減少具體的肥料量，以此來判斷是否需要調(diào)整施肥的頻率。調(diào)整施肥頻率通過調(diào)整施肥閥開關(guān)的動(dòng)作頻率來實(shí)現(xiàn)，也就是施肥閥的方波信號頻率，但主要是對高電平信號的持續(xù)時(shí)間長短進(jìn)行調(diào)節(jié)，低電平信號的時(shí)間始終是不變的。

自動(dòng)控制系統(tǒng)不僅可以對灌溉量和施肥頻率進(jìn)行有效的調(diào)控，還可以合理控制EC 值和pH 值。利用檢測出的EC值進(jìn)行控制就是要對灌溉系統(tǒng)里的肥液進(jìn)行檢測，如果出現(xiàn)了EC 值比規(guī)定數(shù)值的最高值還要高的情況，便可以縮短開閥門的時(shí)長，因?yàn)殡姶砰y有著不可改變的和恒定的關(guān)閉時(shí)間，所以需要增加開電磁閥的時(shí)間。反之，如果EC 值比規(guī)定數(shù)值的最低值還要低，就要加長打開閥門的時(shí)間，盡可能降低反復(fù)開關(guān)閥門的頻次。只有數(shù)值達(dá)到正常范圍要求的時(shí)候才不用對閥門進(jìn)行調(diào)整。利用pH 值進(jìn)行調(diào)控是智能施肥機(jī)創(chuàng)新性的研究和應(yīng)用，在具體使用pH 值進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制的過程中，需要先使用2 個(gè)不同的控制閥來控制酸性和堿性這2種截然不同的調(diào)節(jié)液，系統(tǒng)在對檢測的pH值進(jìn)行分析和判別之后自動(dòng)控制2個(gè)不同施肥閥的開關(guān)操作和頻次。在檢測出來的pH 值處于合理的規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)，兩個(gè)施肥閥都將處于關(guān)閉狀態(tài)。

1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能

智能施肥機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)有兩大主要功能，一是灌溉功能，二是施肥功能。其中灌溉部分有3 種灌溉方式，第1 個(gè)是定時(shí)灌溉，也就是提前設(shè)定好1 個(gè)月之中的某段固定時(shí)間里的日期進(jìn)行灌溉，并根據(jù)實(shí)際的需求情況來設(shè)定這段時(shí)間內(nèi)開始灌溉的時(shí)間和每個(gè)灌溉時(shí)間內(nèi)的灌溉量，需要提前設(shè)定好灌溉閥門的編號；第2個(gè)是周期灌溉，同樣需要提前設(shè)定好1 個(gè)月內(nèi)的星期幾進(jìn)行定期灌溉，還應(yīng)設(shè)置好周期灌溉的時(shí)間段以及周期灌溉的灌溉量和灌溉間隔的時(shí)間，保證間隔時(shí)間的周期性和規(guī)律性；第3個(gè)是手動(dòng)灌溉，這一方式也需要提前設(shè)定好灌溉量，但最后使用的是手動(dòng)操作，控制灌溉開關(guān)按鈕來調(diào)整開始灌溉和結(jié)束灌溉的時(shí)間。關(guān)于施肥部分，工作人員最先要做的工作是確定是否需要進(jìn)行灌溉施肥操作，若需要進(jìn)行灌溉施肥，則需要按照具體情況來完善施肥的程序。在利用自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際的施肥操作時(shí)，應(yīng)該按照設(shè)定好的施肥頻率將肥料投入管道之中，同時(shí)需要檢測管道中肥料的EC 值是否在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值范圍內(nèi)，來確定是否需要增加或減少肥料。為了強(qiáng)化自動(dòng)控制系統(tǒng)的施肥功能，工作人員可以深度檢測pH 值，如果數(shù)值與設(shè)定范圍不符，則可以將調(diào)節(jié)液倒入其中，調(diào)整并優(yōu)化管道中的pH值[1]。

2 智能施肥機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分析

2.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì)方案

上位機(jī)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)利用可編程控制器來采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，發(fā)送控制命令之后保證監(jiān)督運(yùn)行能夠正常進(jìn)行。通常情況下，VB 可以完成的主要功能是顯示功能、參數(shù)設(shè)定功能、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能等。顯示功能具有顯示測量值、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和調(diào)用畫面的功能作用。參數(shù)設(shè)定功能可以設(shè)定灌溉量、灌溉時(shí)間、施肥量、施肥時(shí)間頻率等。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能可以對自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行中Access 歷史數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)按照分鐘自動(dòng)進(jìn)行有效存儲(chǔ)，可以根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)刪除歷史數(shù)據(jù)庫中不準(zhǔn)確的和無效的數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)庫能夠查詢數(shù)據(jù)信息，查詢數(shù)據(jù)信息可以按照日期來查詢，并將實(shí)際數(shù)據(jù)的報(bào)表以打印的形式呈現(xiàn)給工作人員。此外，歷史數(shù)據(jù)庫還可以生成實(shí)時(shí)曲線，以此來保證自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全面執(zhí)行。

2.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件的技術(shù)分析

在智能施肥機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用中，主要是將閉環(huán)控制作為系統(tǒng)的基礎(chǔ)條件，通過不斷優(yōu)化系統(tǒng)的硬件和軟件的組合方式，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。通常，智能施肥機(jī)的自動(dòng)灌溉和自動(dòng)施肥裝置可以依照農(nóng)作物的實(shí)際需要精準(zhǔn)控制灌溉量和施肥量，并利用相關(guān)的施肥裝置把肥料溶液按照固定的比例投入到滴灌系統(tǒng)里，使肥料深入到農(nóng)作物的根部，以此來體現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)滴灌技術(shù)的自動(dòng)化和智能化的特點(diǎn)。在對整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)上的設(shè)計(jì)時(shí)，主要是將單片機(jī)中央處理器作為系統(tǒng)的核心控制部件，再利用上位機(jī)軟件對不同單元的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，精準(zhǔn)有效地控制、調(diào)節(jié)灌溉量和施肥量。為加強(qiáng)噴霧量的精準(zhǔn)程度，還可以優(yōu)化設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的硬件和軟件[2]。

2.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件的通訊設(shè)計(jì)

在智能施肥機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的通訊設(shè)計(jì)中通常會(huì)使用自由端口模式，通信端口使用的連接口標(biāo)準(zhǔn)為RS-485 信號，利用PC 電纜或者PPI 電纜將S7-200 計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，再發(fā)送相關(guān)指令如接收中斷、發(fā)送中斷、字符中斷等，使自由端口通信能夠自由控制S7-200CPU 通信口。自動(dòng)控制系統(tǒng)的通訊過程應(yīng)用的是主從方式，主從方式指的是以計(jì)算機(jī)作為主機(jī)，以PLC 作為從機(jī)，當(dāng)計(jì)算機(jī)主機(jī)發(fā)出請求指令后，PLC 從機(jī)才會(huì)向PC 端返回發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)信息，這是智能施肥機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。PLC 從機(jī)在首次掃描時(shí)實(shí)行的是初始化子程序，初始化的對象是端口和接收指令，在初始化結(jié)束之后，端口就會(huì)保持在接收狀態(tài)。端口接收就會(huì)把以特定字符作為開頭和結(jié)尾的命令存儲(chǔ)在接收緩沖區(qū)里面，在完成接收的同時(shí)進(jìn)行中斷，收到中斷信號的中斷程序就會(huì)將接受緩沖區(qū)的ASCII 碼恢復(fù)成數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)校驗(yàn)程序會(huì)將接收緩沖區(qū)的校驗(yàn)碼和指令的校驗(yàn)碼進(jìn)行核對，根據(jù)核對結(jié)果決定下一步的操作[3]。

2.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)的相關(guān)技術(shù)應(yīng)用

智能施肥機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)在研究、開發(fā)和應(yīng)用過程中，可以參考或引進(jìn)國外的先進(jìn)技術(shù)，然后結(jié)合我國農(nóng)業(yè)施肥灌溉的實(shí)際情況，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和改造。例如，可以應(yīng)用文丘里原理，將施肥器和滴灌系統(tǒng)與灌溉入口的控制閥進(jìn)行并聯(lián)安裝，并關(guān)小控制閥讓前后留有壓差，當(dāng)灌溉水流經(jīng)支管時(shí)在管道里會(huì)產(chǎn)生真空吸力，可以把肥料液吸進(jìn)管道之中，全面提高肥料的利用效率，加強(qiáng)作物對養(yǎng)分的吸收。此外，還可以應(yīng)用多路均勻施肥技術(shù)，在肥料較多時(shí)，對各種不同的肥料進(jìn)行合理配置，加強(qiáng)各種肥料的使用效率，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的智能化、自動(dòng)化和精準(zhǔn)化的種植管理。

3 結(jié)語

我國作為農(nóng)業(yè)大國，雖然在農(nóng)作物種植方面已基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化種植，但農(nóng)作物施肥的方式還停留在初始的階段，不僅浪費(fèi)時(shí)間和人力，還會(huì)加大勞動(dòng)的強(qiáng)度，影響肥料效果的發(fā)揮。因此，智能施肥機(jī)在我國具有很大的市場前景，智能施肥機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)施肥的精準(zhǔn)化和自動(dòng)化的特點(diǎn)對加強(qiáng)農(nóng)作物吸收養(yǎng)分的效果、減少肥料的浪費(fèi)、提高農(nóng)作物質(zhì)量都有著重要的意義。