一種水肥一體機的可視化控制模塊應(yīng)用研究 祝 鵬 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 內(nèi)蒙古 包頭 014109 摘 要 以進(jìn)一步提升水肥一體機的作業(yè)效率與監(jiān)測效率為目標(biāo) 選取可視化技術(shù)作為研究切入點 基于可視化 控制模塊的設(shè)計與應(yīng)用展開討論 通過充分理解水肥一體機的作業(yè)機理 建立用于整機可視化控制的數(shù)學(xué)模 型 并進(jìn)行可視化控制模塊的軟件程序設(shè)計與硬件組件配置 形成全新高效的可視化水肥一體機 進(jìn)行可視化 控制模塊應(yīng)用作業(yè)試驗 結(jié)果表明 基于可視化機理及控制模型應(yīng)用的水肥一體機較普通控制下的水肥一體機 作業(yè)有一定優(yōu)勢 系統(tǒng)的監(jiān)測準(zhǔn)確率與系統(tǒng)響應(yīng)效率得到明顯提升 各水肥管路及水肥參數(shù)監(jiān)測及時 確保整機 各項指令與輸出正確合理 整機節(jié)水率與整機節(jié)肥率分別提升了6 80 和7 40 灌溉均勻度可達(dá)90 50 有 利于農(nóng)作物種植栽培高效高產(chǎn) 關(guān)鍵詞 水肥一體機 可視化控制 系統(tǒng)響應(yīng)效率 整機節(jié)肥率 灌溉均勻度 中圖分類號 S224 4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 1003 188X 2024 11 0204 05 0 引言 從水肥一體機的研究現(xiàn)狀來看 國內(nèi)外技術(shù)主要 集中在整機的自動調(diào)控及水肥混合比例調(diào)配等 且有 很大的進(jìn)步 如部分水肥一體機控制系統(tǒng)實現(xiàn)了通信 領(lǐng)域的全監(jiān)測管控 但是 對于可視化監(jiān)控角度研究 僅限于整機作業(yè)過程的關(guān)鍵控制節(jié)點的研制優(yōu)化 對 整體的作業(yè)效率提升還有一定的改進(jìn)空間 為此 筆 者擬從可視化控制的集成技術(shù)角度 以最大實現(xiàn)水肥 混合的及時性與均勻性為目標(biāo) 對可視化控制模塊在 整機上的應(yīng)用模式展開研究 1 水肥一體機概述 水肥一體機作為一種農(nóng)作物培育高效的農(nóng)機裝 備 相對傳統(tǒng)單一的灌溉 施肥裝備 其節(jié)水率與節(jié)肥 率都有較好的提升 其核心作業(yè)機理在于將水分與 肥料進(jìn)行了高度的混合 并精準(zhǔn)地施灌到所需農(nóng)作物 田間 從農(nóng)田水肥一體機實施布置結(jié)構(gòu) 見圖1 來 看 此型水肥一體機的應(yīng)用需要田間整體的布局規(guī) 劃 首先 攪拌電機工作 各種肥料及微量元素經(jīng)吸 肥管道進(jìn)入水肥一體機裝置 整機內(nèi)部的肥料泵工 作 攪拌均勻后到達(dá)沿路水肥混合后的吸肥管道 各 重要監(jiān)測管路節(jié)點設(shè)置電導(dǎo)率傳感器及pH傳感器裝 收稿日期 2022 11 08 基金項目 內(nèi)蒙古自治區(qū)科技廳科技計劃項目 2020GG0033 作者簡介 祝 鵬 1987 男 山東日照人 講師 碩士 E mail mx vhc950048tzwmt 163 com 置 最終 經(jīng)出水施肥管道流經(jīng)田間的多路控制灌溉 區(qū)域 圖1 農(nóng)田水肥一體機實施布置結(jié)構(gòu)簡圖 Fig 1 Schematic diagram of the implementation and layout of the farmland water fertilizer integrated machine 結(jié)合其自動控制系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)列表 見表1 可 知 影響水肥一體機作業(yè)效率的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時間及精度 402 2024年11月 農(nóng) 機 化 研 究 第11期 DOI 10 13427 ki njyi 2024 11 018 一方面與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān) 如管徑及流量等 還與 工作過程的實施監(jiān)控可視性程度有關(guān) 這是因為可 視化程度及準(zhǔn)確度將會給予灌溉指令有效地發(fā)出與 改變 因而針對整機實施可視化控制模塊應(yīng)用的實 現(xiàn) 表1 水肥一體機自動控制系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)配置列表 Table 1 Configuration list of technical parameters of automatic control system of the water fertilizer integrated machine 序號參數(shù)名稱參數(shù)值 1灌溉流量 m3 h 1 20 100 2管徑 mm 180 3工作壓力 MPa 0 4 0 6 4單位通道吸肥量 L h 1 110 1100 5灌溉通道數(shù)8 6系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度 5 7系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時間 s 120 2 可視化控制應(yīng)用 2 1 可視化模型建立 以考慮流量合理分配為主體原則 確立一體機內(nèi) 部影響水肥混合效率的EC比例計算模型 并進(jìn)一步 融入各肥液通道的可視化控制組件 形成協(xié)同式的內(nèi) 部交互 可視化控制方案 以變頻對流量的控制為基礎(chǔ) 建立EC比例計算 模型為 C1f tnull null qw C0f tnull null qm C tnull null q d VTC tnull nullnull nulldt 1 式中 C1 水肥一體機混合肥液濃度 C0 水肥一體機的進(jìn)水管內(nèi)肥液濃度 C t 水肥一體機的管路內(nèi)肥液濃度 f t 水肥一體機相連接的注肥泵頻率 Hz qw 水肥一體機的最大供肥量 L h qm 水肥一體機的主管路內(nèi)進(jìn)口最大流量 L h q 水肥一體機的主管路內(nèi)出口流量 L h t 混肥作業(yè)有效時間 s 針對各肥液通道 增設(shè)可視化控制組件 采用FIT 圖像處理技術(shù) 匹配數(shù)據(jù)處理精度高的C接口與S接 口 對各管路節(jié)點的信息進(jìn)行有效獲取 可視化信息 及數(shù)據(jù)以分層形式進(jìn)行數(shù)據(jù)庫存儲與交互 形成的視 覺控制模型為 LDB SDB1j SDB2j SDBmjnull null RDB LDB1 LDB2 LDBnnull nullnull 2 式中 LDB 水肥一體機本地可視化控制數(shù)據(jù)庫 SDBmj 水肥一體機相連接的視覺組件上傳過 程數(shù)據(jù)庫 RDB 水肥一體機遠(yuǎn)程可視化控制數(shù)據(jù)庫 LDBn 水肥一體機本地可視化控制過程數(shù)據(jù) 庫 依據(jù)此協(xié)同可視化控制模型 實現(xiàn)內(nèi)部監(jiān)測信息 數(shù)據(jù)的實時有效獲取與控制 并植入智能人工交互模 塊 進(jìn)而設(shè)計出可視化模型應(yīng)用水肥一體機各模塊分 配簡圖 如圖2所示 其設(shè)計創(chuàng)新點在于以混肥閉環(huán) 控制系統(tǒng)為核心 在攪拌 液位監(jiān)測及功能監(jiān)測環(huán)節(jié) 之后均設(shè)置可視化監(jiān)測模塊 從而將信息傳遞至主控 制系統(tǒng) 實現(xiàn)肥液濃度配比下的精準(zhǔn)灌溉施肥作業(yè) 圖2 可視化模型應(yīng)用水肥一體機各模塊分配簡圖 Fig 2 Distribution diagram of each module of water fertilizer integrated machine in the visual model application 2 2 可視化控制程序設(shè)計 針對加肥模塊 以精準(zhǔn)控制肥液EC值為程序設(shè) 計目標(biāo) 采用模糊自適應(yīng)控制與智能推理相結(jié)合 針 對供水模塊 采用PID閉環(huán)控制程序 在混合肥液管 路環(huán)節(jié)則對于管路的流量與壓力進(jìn)行參數(shù)提取與動 態(tài)穩(wěn)調(diào)PLC程序控制 此處給出該水肥一體機可視 化控制下的灌溉施肥程序核心代碼如下 LD IRRIGATION 1 LD SM 0 1 O IRRIGATION 2 S M IRRI START O IRRIGATION 3 LD SM 0 1 O IRRIGATION 4 502 2024年11月 農(nóng) 機 化 研 究 第11期 CMP M TIME IRRI MW505 LD SM0 0 AM IRRI START A BG SM 0 1 AN M FLAG FLUSH SM 0 0 MOVM TIME IRRI M REMAIN TIME IRRI LD SM 0 1 A BZ S T 0 1 S M HEAD FLUSH END 針對可視化的組態(tài)顯示與布局 注重各模塊之間 的邏輯與作業(yè)流程 考慮整機管路監(jiān)測節(jié)點數(shù)量及控 制方式 從后臺的設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸與前端的可視化監(jiān)視 界面進(jìn)行設(shè)計 并建立可視化監(jiān)測站 用于水肥一體 機可視化系統(tǒng)程序數(shù)據(jù)處理實現(xiàn) 如圖3所示 此數(shù) 據(jù)處理過程包含遠(yuǎn)程客戶端 WEB服務(wù)器及數(shù)據(jù)庫平 臺 可從多維可視功能角度滿足監(jiān)測的指標(biāo)需求 圖3 水肥一體機可視化系統(tǒng)程序數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)簡圖 Fig 3 Schematic diagram of the program data processing implementation of the water fertilizer integrated visualization system 2 3 可視化控制組件配置 以GPIO為主配合接口實現(xiàn)電路信號的驅(qū)動與連 接 考慮過程控制各信號的干擾與隔離因素 準(zhǔn)確分 析影響 形成水肥一體機可視化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)連接設(shè) 計簡圖 如圖4所示 其中 配置了HMI可視相機及 ADC與IIC接口 是硬件控制模塊實現(xiàn)的關(guān)鍵性條件 為確保可視化監(jiān)測數(shù)據(jù)的精確性 針對數(shù)據(jù)通信進(jìn)行 合理功能配置 見表2 在指令的實時接收與發(fā)送關(guān) 鍵時間節(jié)點設(shè)置高度適應(yīng)的串口通信協(xié)議 實現(xiàn)高質(zhì) 量的寄存與轉(zhuǎn)出 在遠(yuǎn)程控制端 本地端及手持APP 端均有良好的通用性 圖4 水肥一體機可視化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)連接設(shè)計簡圖 Fig 4 Schematic diagram of hardware structure connection design for visualization system of water fertilizer integrated machine 表2 基于可視化控制的水肥一體機通信數(shù)據(jù)功能配置 Table 2 Communication data function configuration of water fertilizer machine based on visual control 序號通信寄存名稱通信功能實現(xiàn) 1 D8220可視化數(shù)據(jù)接口設(shè)置 2 D8222指令發(fā)送剩余存儲 3 D8224指令接收數(shù)量 4 D8226 RS指令接收異常設(shè)置 5 M8120指令正在發(fā)送顯示 6 M8122 RS指令已發(fā)送顯示 7 M8124 RS指令已接收顯示 針對水肥一體機的肥液濃度監(jiān)測組件 為降低水 分與肥液之間的參數(shù)監(jiān)測誤差 配置電導(dǎo)電極傳感器 與復(fù)合電極相連接 對于過程信號的獲取 放大與濾 波 增設(shè)濾波放大電路 雙重考慮肥液混合產(chǎn)生微弱化 學(xué)反應(yīng)的溫度升溫 增設(shè)溫度傳感器 作為肥料含量與 水分含量的判定信號 選用量程為0 2m 精度誤差為 602 2024年11月 農(nóng) 機 化 研 究 第11期 0 5 的液位傳感器 以嵌入式植入 作為可視化控制 模塊的指示信號輸出 3 整機作業(yè)試驗 3 1 試驗條件 整機可視化控制模塊測試合格后 按照基于可視 化控制的水肥一體機試驗控制流程 見圖5 展開水 肥一體機整機可視化灌溉作業(yè)試驗 試驗對象為生 長初期的小麥 進(jìn)行氮肥與水分的同步灌施 并確保 水肥一體機硬件組件連接正確 動作順暢執(zhí)行 且可 視化控制數(shù)據(jù)導(dǎo)出原始 連續(xù) 圖5 基于可視化控制的水肥一體機試驗控制流程簡圖 Fig 5 Control flow diagram of water fertilizer integrated machine test based on the visual control 3 2 分析討論 試驗數(shù)據(jù)采集分組進(jìn)行 為確保試驗的可重復(fù)性 與實際符合程度 設(shè)定灌溉流量為變量參數(shù) 變化控 制范圍為40 90m3 h 將試驗分為6組進(jìn)行 每組各 測定10次試驗數(shù)據(jù)并求出平均值進(jìn)行統(tǒng)計對比 選 取系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時間為監(jiān)測參數(shù) 得到可視化控制模 塊應(yīng)用下水肥一體機不同灌溉流量響應(yīng)時間數(shù)據(jù)統(tǒng) 計列表 如表3所示 由表3可知 整體的水肥一體機 可視化控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時間在要求小于120s的基 礎(chǔ)上 可以將系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時間平均維持在100 22s 波動范圍為95 10 105 20s之間 各環(huán)節(jié)反饋與響應(yīng) 時間得到縮短 滿足了水肥一體機監(jiān)測及時準(zhǔn)確性要 求 表3 可視化控制模塊應(yīng)用下水肥一體機不同灌溉 流量響應(yīng)時間數(shù)據(jù)統(tǒng)計 Table 3 Data statistics of response time of different irrigation flows of water fertilizer integrated machine applied by the visual control module 組號 灌溉流量 m3 h 1 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時間 s 1 40 105 20 2 50 95 10 3 60 98 50 4 70 102 10 5 80 100 80 6 90 99 60 平均65 100 22 針對整機全過程試驗環(huán)節(jié) 以線性回歸方程與PID 算法相結(jié)合 充分進(jìn)行混合肥液的質(zhì)量濃度 EC及pH 之間的數(shù)據(jù)記錄與計算 選取系統(tǒng)監(jiān)測準(zhǔn)確率 系統(tǒng) 響應(yīng)效率 穩(wěn)定率 整機節(jié)水率 節(jié)肥率及灌溉均勻度 作為核心對比指標(biāo) 得到基于可視化模塊應(yīng)用的水肥 一體機核心作業(yè)指標(biāo)提升對比效果列表 如表4所示 表4 基于可視化模塊應(yīng)用的水肥一體機核心 作業(yè)指標(biāo)提升對比效果 Table 4 Comparison effect of core operation indicators of water fertilizer integrated machine based on visualization module application 序號指標(biāo)名稱普通控制可視控制對比效果 1系統(tǒng)監(jiān)測準(zhǔn)確率89 50 92 80 3 30 2系統(tǒng)響應(yīng)效率86 70 94 00 7 30 3系統(tǒng)穩(wěn)定度89 30 92 50 3 20 4整機節(jié)水率85 50 92 30 6 80 5整機節(jié)肥率84 70 92 10 7 40 6灌溉均勻度84 90 90 50 5 60 由表4可看出 可視化控制模塊的應(yīng)用 與普通的 水肥一體化控制相比 具有一定的優(yōu)越性 由于可視與 可控智能的科學(xué)融合 系統(tǒng)的響應(yīng)效率由86 70 提升 702 2024年11月 農(nóng) 機 化 研 究 第11期 至94 00 系統(tǒng)監(jiān)測準(zhǔn)確率與系統(tǒng)穩(wěn)定度均保持在 90 00 以上 可視化監(jiān)視與動作的有效銜接與執(zhí)行 大 大提高了各項數(shù)據(jù)與指令輸出的準(zhǔn)確性 促使整機節(jié) 水率由85 50 提升至92 30 整機節(jié)肥率由84 70 提升至92 10 灌溉均勻度保持良好 可視化優(yōu)化應(yīng) 用設(shè)計效果顯著 4 結(jié)論 1 以當(dāng)前水肥一體機智能化控制作業(yè)機理為基 礎(chǔ) 從可視化控制模塊設(shè)計與應(yīng)用角度展開優(yōu)化 建 立可視化控制模型 設(shè)計了響應(yīng)的程序控制及可視化 組件 搭建可視化監(jiān)控功能良好的水肥一體機作業(yè)系 統(tǒng) 2 展開可視化控制模塊應(yīng)用下的水肥一體機整 機作業(yè)試驗 結(jié)果表明 可視化控制應(yīng)用前后水肥一 體機的作業(yè)效能得到明顯提升 尤其是整機節(jié)水率與 節(jié)肥率 均可達(dá)到92 00 以上 且可視化控制設(shè)計理 念結(jié)合了先進(jìn)的可視化組件及智能控制程序 結(jié)構(gòu)設(shè) 計具有較強的應(yīng)用價值 3 從遠(yuǎn)程客戶端到本地控制端 對水肥一體機可 視化控制進(jìn)行改善與監(jiān)測 有效提升了整機水肥混合 過程與作業(yè)過程監(jiān)測的準(zhǔn)確率 是整機優(yōu)化的重要突 破方向 可為類似智能農(nóng)機裝備的設(shè)計提供借鑒與參 考 參考文獻(xiàn) 1 陳明霞 王曉文 張寒 基于WSNs的無線可視化智慧農(nóng) 業(yè)管理系統(tǒng) J 農(nóng)機化研究 2021 43 7 207 211 2 朱德蘭 阮漢鉞 吳普特 等 水肥一體機肥液電導(dǎo)率遠(yuǎn) 程模糊PID控制策略 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 2022 53 1 186 191 3 王社 基于三維可視化技術(shù)的播種機結(jié)構(gòu)設(shè)計 J 農(nóng) 機化研究 2020 42 6 212 215 4 李書欽 劉海龍 諸葉平 等 基于實測數(shù)據(jù)和 NURBS 曲 面的小麥葉片三維可視化 J 福建農(nóng)業(yè)學(xué)報 2016 31 7 777 782 5 婁煥 基于圖形邊緣檢測技術(shù)的采摘系統(tǒng)可視化應(yīng)用 J 農(nóng)機化研究 2021 43 11 200 205 6 郎朗 馮曉蓉 基于STM32的水肥一體機智能控制系統(tǒng) 優(yōu)化研究 J 農(nóng)機化研究 2022 44 3 116 119 7 王佳明 陳思 荊騰 等 無土栽培遠(yuǎn)程灌溉控制系統(tǒng) J 排灌機械工程學(xué)報 2020 38 9 959 965 8 宋晨媛 基于LabVIEW的水肥一體機控制系統(tǒng)設(shè)計 J 農(nóng)機化研究 2021 43 11 142 145 156 9 顧麗麗 劉勇 王亮 基于ASSA GRNN的施肥量預(yù)測與 控制實現(xiàn) J 農(nóng)機化研究 2021 43 10 1 6 10 張莉萍 徐雷 王夏金 等 多路閥可視化機液系統(tǒng)建模 及動態(tài)特性 J 排灌機械工程學(xué)報 2020 38 10 1037 1044 11 錢治丞 宋博 劉勇 等 水肥一體化遠(yuǎn)程施肥機控制系 統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) J 黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報 2021 38 3 364 371 12 夏華猛 水肥一體化固體肥混施裝備及其控制系統(tǒng)研 發(fā) D 鎮(zhèn)江 江蘇大學(xué) 2020 13 夏華猛 李紅 陳超 等 溶解混施水肥一體化裝置自動 控制系統(tǒng)研制 J 排灌機械工程學(xué)報 2019 37 1 80 85 14 趙鵬飛 王旭峰 胡燦 等 智能溫室水肥一體化裝備設(shè) 計與試驗 J 農(nóng)機化研究 2022 44 9 224 228 235 15 陳維榕 王虎 彭志良 等 基于物聯(lián)網(wǎng)的果園水肥一體 控制系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用 J 貴州農(nóng)業(yè)科學(xué) 2016 44 8 140 143 16 劉杰 三維虛擬仿真系統(tǒng)在農(nóng)田可視化作業(yè)中的應(yīng)用 J 農(nóng)機化研究 2022 44 10 209 212 217 17 謝永生 紀(jì)學(xué)偉 多通道比例施肥機設(shè)計與試驗 J 節(jié) 水灌溉 2020 7 46 48 53 18 高小煥 姚普選 孫自文 基于計算機網(wǎng)絡(luò)的水肥一體 機監(jiān)控作業(yè)研究 J 農(nóng)機化研究 2022 44 3 208 211 230 19 冀婷 基于人機交互的三維數(shù)據(jù)協(xié)同可視檢測仿真 J 計算機仿真 2021 38 10 405 409 下轉(zhuǎn)第238頁 802 2024年11月 農(nóng) 機 化 研 究 第11期 Design of Long range Temperature Monitoring System for Mixed flow Rice Drying Tower Che Gang1 2 Liu Menggang1 Wan Lin1 2 Tang Hao2 Chen Wudong3 1 College of Engineering Heilongjiang Bayi Agricultural University Daqing 163319 China 2 Heilongjiang Province Beidahuang Rice Industry Group Co Harbin 150036 China 3 Heilongjiang Academy Agricultural Machinery Scinences Jiamusi Branch Jiamusi 154004 China Abstract Aiming at the problem that the temperature of the mixed flow rice drying tower is difficult to monitor remotely a temperature remote monitoring system based on Python and LoRa technology is designed The system takes the STM32F1 microcontroller hardware system as the lower computer measures the temperature information of the drying tow er through the PT1000 temperature sensor determines the drying status of the rice drying tower and transmits the status information to the real time display of the human machine interface of the upper computer through the LoRa wireless module The results of field tests show that the data transmission performance of the whole system is stable the transmis sion distance is wide the data transmission success rate is more than 96 which meets the requirements of the complex working environment andcan realize the real time temperature monitoring function of the grain drying process Key words grain drying remote monitoring temperature sensor system design 上接第208頁 Abstract ID 1003 188X 2024 11 0204 EA Application Research on the Visual Control Module of a W ater Fertilizer Integrated Machine Zhu Peng Inner Mongolia Agricultural University Baotou 014109 China Abstract With the goal of further improving the operation efficiency and monitoring efficiency of the water fertilizer inte grated machine the visual technology was selected as the research entry point and the design and application of the visu al control module were discussed By fully understanding the operation mechanism of the water fertilizer integrated ma chine the mathematical model for the visual control of the whole machine was established and the software program de sign and hardware component configuration of the visual control module were carried out to form a new and efficient visual water fertilizer integrated machine and then the application operation test of the visual control module was carried out The results showed that the water fertilizer integrated machine based on visualization mechanism and control model applica tion had certain advantages over the water fertilizer integrated machine under the common control The application of this visualization control module had ensured that the system monitoring accuracy and the system response efficiency were sig nificantly improved The timeliness of water and fertilizer pipelines and water and fertilizer parameters monitoring had en sured that all instructions and outputs of the whole machine were correct and reasonable The water saving rate and the fertilizer saving rate of the whole machine had been relatively increased by 6 80 and 7 40 respectively and the irriga tion uniformity could reach 90 50 which would be conducive to the efficient and high yield of crop planting and cultiva tion and would have a good inspiration and reference significance for the improvement of similar agricultural machinery intelligent equipment Key words water fertilizer integrated machine visual control system response efficiency fertilizer saving rate of the whole machine irrigation uniformity 832 2024年11月 農(nóng) 機 化 研 究 第11期