張 宏

（開封技師學院，河南 開封 475004）

目前，我國農業(yè)領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耗費大量的人力物力，還會在很大程度上影響中國的耕地結構和耕地質量。人工施肥無法對施肥量進行精細化的控制，極易發(fā)生施肥過多的情況。因此，我國應加大力度去研究智能施肥機的自動控制系統(tǒng)，優(yōu)化及完善系統(tǒng)，將智能施肥機的自動控制系統(tǒng)應用到農業(yè)的施肥灌溉中，從而提高耕田質量。

1 智能施肥機自動控制系統(tǒng)的總體設計分析

1.1 自動控制系統(tǒng)的內容

首先，智能施肥機的自動控制系統(tǒng)在進行施肥灌溉的操作時，可以按照使用者具體的需求對施肥控制閥進行操作控制，這種操作方式能夠保證農作物的灌溉量始終保持在精確穩(wěn)定的狀態(tài)。其次，在實際使用自動控制系統(tǒng)進行自動施肥操作時，在了解肥料需求量的基礎上，施肥控制閥能夠靈活調整所施肥料的頻率。接下來可以對施肥管道投入定量的肥料，同時要檢測施肥管道中水和肥料的EC 值和pH 值，保證2個數(shù)值在正常范圍內。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，操作人員要及時啟動調壓裝置，若施肥管道長時間處在高壓的狀態(tài)下，自動控制系統(tǒng)就會自動發(fā)出信息，對工作人員進行預警。最后，自動控制系統(tǒng)的設計使用的是上下位機的結構，上位機的監(jiān)控軟件是VB 軟件，下位機使用的是可編程邏輯控制器。因此，自動控制系統(tǒng)會針對施肥管道里肥水量的合理程度進行檢測，同時將檢測的結果，即具體的EC值、pH值、壓力值、流量等相關信息數(shù)據(jù)上傳到上位機之中。

1.2 自動控制系統(tǒng)的原理

智能施肥機自動控制系統(tǒng)的灌溉控制主要是對灌水量進行有效控制，可以通過調整灌水時間來完成對灌水量的精準控制和隨時調節(jié)。自動控制系統(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行有效控制，同樣是通過對施肥時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整灌溉液的EC 值。另外，由于不同的農作物在每一個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)具體情況適當使用pH值調節(jié)液。

自動施肥機的3 種施肥灌溉液分別為酸性調節(jié)液、肥料原液、堿性調節(jié)液。智能施肥機自動控制系統(tǒng)應根據(jù)設定的施肥頻率進行合理施肥，與此同時，自動控制系統(tǒng)可以將檢測的2 個數(shù)值同規(guī)定數(shù)值進行分析和比較，根據(jù)比較的結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整施肥的頻率。調整施肥頻率通過調整施肥閥開關的動作頻率來實現(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)時間長短進行調節(jié)，低電平信號的時間始終是不變的。

自動控制系統(tǒng)不僅可以對灌溉量和施肥頻率進行有效的調控，還可以合理控制EC 值和pH 值。利用檢測出的EC值進行控制就是要對灌溉系統(tǒng)里的肥液進行檢測，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長，因為電磁閥有著不可改變的和恒定的關閉時間，所以需要增加開電磁閥的時間。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間，盡可能降低反復開關閥門的頻次。只有數(shù)值達到正常范圍要求的時候才不用對閥門進行調整。利用pH 值進行調控是智能施肥機創(chuàng)新性的研究和應用，在具體使用pH 值進行調節(jié)和控制的過程中，需要先使用2 個不同的控制閥來控制酸性和堿性這2種截然不同的調節(jié)液，系統(tǒng)在對檢測的pH值進行分析和判別之后自動控制2個不同施肥閥的開關操作和頻次。在檢測出來的pH 值處于合理的規(guī)定范圍內時，兩個施肥閥都將處于關閉狀態(tài)。

1.3 自動控制系統(tǒng)的功能

智能施肥機的自動控制系統(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 個是定時灌溉，也就是提前設定好1 個月之中的某段固定時間里的日期進行灌溉，并根據(jù)實際的需求情況來設定這段時間內開始灌溉的時間和每個灌溉時間內的灌溉量，需要提前設定好灌溉閥門的編號；第2個是周期灌溉，同樣需要提前設定好1 個月內的星期幾進行定期灌溉，還應設置好周期灌溉的時間段以及周期灌溉的灌溉量和灌溉間隔的時間，保證間隔時間的周期性和規(guī)律性；第3個是手動灌溉，這一方式也需要提前設定好灌溉量，但最后使用的是手動操作，控制灌溉開關按鈕來調整開始灌溉和結束灌溉的時間。關于施肥部分，工作人員最先要做的工作是確定是否需要進行灌溉施肥操作，若需要進行灌溉施肥，則需要按照具體情況來完善施肥的程序。在利用自動控制系統(tǒng)進行實際的施肥操作時，應該按照設定好的施肥頻率將肥料投入管道之中，同時需要檢測管道中肥料的EC 值是否在標準數(shù)值范圍內，來確定是否需要增加或減少肥料。為了強化自動控制系統(tǒng)的施肥功能，工作人員可以深度檢測pH 值，如果數(shù)值與設定范圍不符，則可以將調節(jié)液倒入其中，調整并優(yōu)化管道中的pH值[1]。

2 智能施肥機自動控制系統(tǒng)的軟件設計分析

2.1 自動控制系統(tǒng)軟件的總體設計方案

上位機軟件能夠實現(xiàn)利用可編程控制器來采集實時數(shù)據(jù)，發(fā)送控制命令之后保證監(jiān)督運行能夠正常進行。通常情況下，VB 可以完成的主要功能是顯示功能、參數(shù)設定功能、數(shù)據(jù)存儲功能等。顯示功能具有顯示測量值、設備運行狀態(tài)和調用畫面的功能作用。參數(shù)設定功能可以設定灌溉量、灌溉時間、施肥量、施肥時間頻率等。數(shù)據(jù)存儲功能可以對自動控制系統(tǒng)運行中Access 歷史數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)按照分鐘自動進行有效存儲，可以根據(jù)實際數(shù)據(jù)刪除歷史數(shù)據(jù)庫中不準確的和無效的數(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，并將實際數(shù)據(jù)的報表以打印的形式呈現(xiàn)給工作人員。此外，歷史數(shù)據(jù)庫還可以生成實時曲線，以此來保證自動控制系統(tǒng)設計的全面執(zhí)行。

2.2 自動控制系統(tǒng)軟件的技術分析

在智能施肥機的自動控制系統(tǒng)的技術應用中，主要是將閉環(huán)控制作為系統(tǒng)的基礎條件，通過不斷優(yōu)化系統(tǒng)的硬件和軟件的組合方式，實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)軟件的設計。通常，智能施肥機的自動灌溉和自動施肥裝置可以依照農作物的實際需要精準控制灌溉量和施肥量，并利用相關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，使肥料深入到農作物的根部，以此來體現(xiàn)自動控制系統(tǒng)滴灌技術的自動化和智能化的特點。在對整個自動控制系統(tǒng)進行技術上的設計時，主要是將單片機中央處理器作為系統(tǒng)的核心控制部件，再利用上位機軟件對不同單元的信息數(shù)據(jù)進行收集，精準有效地控制、調節(jié)灌溉量和施肥量。為加強噴霧量的精準程度，還可以優(yōu)化設計自動控制系統(tǒng)中的硬件和軟件[2]。

2.3 自動控制系統(tǒng)軟件的通訊設計

在智能施肥機自動控制系統(tǒng)的通訊設計中通常會使用自由端口模式，通信端口使用的連接口標準為RS-485 信號，利用PC 電纜或者PPI 電纜將S7-200 計算機進行連接，再發(fā)送相關指令如接收中斷、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。自動控制系統(tǒng)的通訊過程應用的是主從方式，主從方式指的是以計算機作為主機，以PLC 作為從機，當計算機主機發(fā)出請求指令后，PLC 從機才會向PC 端返回發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)信息，這是智能施肥機自動控制系統(tǒng)優(yōu)化設計的關鍵環(huán)節(jié)。PLC 從機在首次掃描時實行的是初始化子程序，初始化的對象是端口和接收指令，在初始化結束之后，端口就會保持在接收狀態(tài)。端口接收就會把以特定字符作為開頭和結尾的命令存儲在接收緩沖區(qū)里面，在完成接收的同時進行中斷，收到中斷信號的中斷程序就會將接受緩沖區(qū)的ASCII 碼恢復成數(shù)據(jù)并進行存儲，同時校驗程序會將接收緩沖區(qū)的校驗碼和指令的校驗碼進行核對，根據(jù)核對結果決定下一步的操作[3]。

2.4 自動控制系統(tǒng)技術的相關技術應用

智能施肥機自動控制系統(tǒng)在研究、開發(fā)和應用過程中，可以參考或引進國外的先進技術，然后結合我國農業(yè)施肥灌溉的實際情況，進行優(yōu)化設計和改造。例如，可以應用文丘里原理，將施肥器和滴灌系統(tǒng)與灌溉入口的控制閥進行并聯(lián)安裝，并關小控制閥讓前后留有壓差，當灌溉水流經(jīng)支管時在管道里會產生真空吸力，可以把肥料液吸進管道之中，全面提高肥料的利用效率，加強作物對養(yǎng)分的吸收。此外，還可以應用多路均勻施肥技術，在肥料較多時，對各種不同的肥料進行合理配置，加強各種肥料的使用效率，實現(xiàn)農作物的智能化、自動化和精準化的種植管理。

3 結語

我國作為農業(yè)大國，雖然在農作物種植方面已基本實現(xiàn)機械化種植，但農作物施肥的方式還停留在初始的階段，不僅浪費時間和人力，還會加大勞動的強度，影響肥料效果的發(fā)揮。因此，智能施肥機在我國具有很大的市場前景，智能施肥機自動控制系統(tǒng)施肥的精準化和自動化的特點對加強農作物吸收養(yǎng)分的效果、減少肥料的浪費、提高農作物質量都有著重要的意義。