基于云技术的水肥一体机控制系统设计思路.pdf

19农业工程信息Agricultural Engineering Information图 1 智慧型系统中总体框架图基于云技术的水肥一体机控制系统设计基于云技术的水肥一体机控制系统设计思路思路摘要：当前现代化滴灌建设中，滴灌水肥一体化是一体化技术中比较热门且应用范围较广的技术类型。不过在推广应用中，滴灌水肥一体化还存在诸多问题，例如智能化程度低、施肥不均匀、水肥浪费严重等。为了提高水肥一体技术的施肥效率和质量，减少该技术存在的水肥资源浪费问题。探究和设计一种以云技术为基础的水肥一体机控制系统，通过借助于无线通信技术、传感器技术及自动控制技术等现代技术提高水肥一体机的自动化控制程度，降低自动化施肥施水中的水肥浪费现象。关键词：水肥一体化；智能技术；云技术水肥是对作物生长影响最深的两项因素，现代滴灌提倡自动化、智能化，致力于减少滴灌作业中的人力成本，因此滴灌水肥一体化受到了广大农户的青睐。但是，由于早期的技术原因和发展程度限制，滴灌水肥一体化的自动化程度存在巨大缺陷，在施肥中经常出现水肥浪费。为了提高施肥设备的自动化程度，让肥液浓度调控的精度进一步提高，需要对控制系统加以改进，设置更先进的智能系统，实现更高精度的施肥施水作业。1 控制系统简介及架构设计所谓智能水肥一体机，就是以智能控制系统为基础，将可溶性固体肥或者液体肥按照设定程序进行调配和输送的系统，操作人员只需输入设定的施肥配方，施肥程序就会进行均匀调配，其框架如图 1 所示。所设计的水肥一体机控制系统是以 PLC 为基础的技术核心是微处理器，具有健壮的稳定性和强大的处理能力，处理速度达到 us 级别，丰富的接口定义，支持多种外围设备与 PC 进行数据交互，诸如遥感技术、计算机网络技术、系统操作技术等。强大的通讯功能，支持多种主流协议类型和自定义协议，同时也兼容了其他多种先进技术，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程，它将诸多先进技术整合，从而形成全新的控制装置1。2 云平台设计智慧平台的设计是为了提高滴灌水肥一体机的智能程度，吴小李（上海华维可控农业科技集团股份有限公司，上海 201500）吴小李（上海华维可控农业科技集团股份有限公司，上海 201500）同时实现对作物信息的多重兼顾，结合灌水施肥时间、灌水施肥条件、轮灌组等运作要求，以云技术为基础的云平台结合了展现区、平台应用区、服务层以及数据层四个层级，云平台的具体架构如图 2 所示。根据图 2 设计，展现区是信息的集中展示和反馈区域，用于将收集的滴灌信息展现给农户，应用区用于对各种作物施肥、加工信息的记录和展示，服务层用于产生各种滴灌生产相关的报表和信息日志，帮助农户随时查询和回顾作物施肥中的数据信息，了解农作物的生长状况并及时调整施肥策略，保证作物的施肥质DOIDOI:10.16815/ki.11-5436/s.2023.11.00610.16815/ki.11-5436/s.2023.11.00620农业工程信息Agricultural Engineering Information农业信息化 2023.04量，数据层作为后台端，负责系统的整体运作，为农户的作物施肥活动提供智能感知、智慧管理及病虫害预警等功能2。3 智能化水肥一体机运作优势3.1 顺序控制在滴灌作业的控制体系中,顺序控制关键是对水肥一体机的灌水施肥时间、灌水施肥条件顺序进行控制。传统的顺序控制常依靠时控顺序控制，对所有线路中的元器件进行顺序开关，电磁继电器控制每个阀门。然而在设备的实际运转中，由于农田作业的范围较大，田块过多，继电器控制的线路复杂，所以一体机的运行稳定性和可靠性并不高，经常出现滴灌作业不到位，不同田块的肥力不均衡问题，对于农作物的产量和质量带来了严重的威胁。基于云技术设计的水肥一体机系统，使用 PLC 技术替代传统的继电器顺序控制方式，对水肥一体机的控制区域进行模块化处理，既能加强对关键部件的独立控制，也便于集中调控整个系统功能，有效避免因装置质量问题及排序错误而影响控制速度和效果。比如在人机接口的主站层和远程 IQ 站中，可以依托现有的传感器网络结构来优化控制站点，同时应用云平台的 PLC 系统对水肥一体机进行顺序控制，如此确保水肥一体机的滴灌作业运转高效和实时可控，能使得施水和施肥更加均衡，保证水肥的最大化利用，避免发生水肥资源浪费的问题3。3.2 闭环控制闭路控制作为 PLC 技术对电气自动化控制的重要补充和主要形式，一般有自启动、手启动和泵机启动三种方式，其中泵机启动多依靠 PLC 进行启动，将 PLC 自启动与水肥一体机控制系统的控制逻辑相结合，当系统处于动力泵开启状态时，可对相应模块的运行状态进行控制，这样可以保证动力泵的运行效率，为水肥一体机闭环控制操作奠定基础。在滴灌过程中，操作人员可以结合泵机的实际应用情况进行相应的系统调整4。手启动方式一般适用于对现场设备的开关调试，操作人员结合泵机的具体情况对其运行时间进行合理调整，防止水肥一体机在高载荷、长时间工况下出现损坏。PLC 作为实现水肥一体机控制系统控制的中枢部件，承担着协调整个水肥一体机控制系统的各设备之间的关系的重要责任，它通过采用电子调节、电液执行及转速测量等途径，实现对各项系统的协调操作，可以增进水肥一体机与操作人员之间的工作紧密度，保证运行指令可以第一时间传递到各类水肥一体机，同时还可以向设备操作人员实时反馈系统运行状态，从而提升对电气系统的有效控制率。3.3 开关量控制电磁性继电器是水肥一体机控制系统中的常用元件，之所以大量使用这种继电器主要考虑到其成本低廉，但其耐受性和运行安全性无法有效保障，长期使用过程中非常容易出现触电现象，加之安装复杂后期的维护成本也比较高，进而导致开关量控制效果较差。该设计中，用 PLC 技术取代了电磁继电器，缩减控制开关数量和水肥一体机数量，降低操作次数有效解决反应时间和返回量的难题。应用 PLC 技术，借助断路显示器对自动化控制系统进行控制，可以较好地修复或弥补水肥一体机图 2 云平台架构设计21农业工程信息Agricultural Engineering Information参考文献：1戴秀,王坚强,任妮,等.智能水肥一体化管控平台的设计与实现J.江苏农业科学，2021(18):177-181.2金永奎,盛斌科,孙竹,等.水肥一体化管控系统设计和实现J.农机化研究,2020(6):29-35.3宋成秀,李合营,王雪莹.水肥一体智能灌溉设备的研发及应用J.山东水利,2020(3):43-45.4李娜,刘婷婷.基于嵌入网络的水肥一体机系统平台软件测试J.农机化研究,2022(2):241-244.引用信息吴小李.基于云技术的水肥一体机控制系统设计思路 J.农业工程技术,2023,43(11):19-21.运行期间的各种系统缺陷，确保整个电气系统的综合应用效率。3.4 联网通讯控制云平台能力很强，不断有新的联网的结构推出。该系统可与个人计算机相连接进行通讯，可用计算机参与编程及对该系统进行控制的管理，方便该系统的使用。为了充分发挥计算机的作用，可实行一台计算机控制与管理多台该系统，多的可达32 台。系统也可与两台或更多的计算机通讯，交换信息，以实现多地对水肥一体机控制系统的监控。该系统与其他系统也可通讯，可一对一平台通讯，可几个平台通讯，可多到几十、几百。该系统与智能仪表、智能执行装置（如变频器），也可联网通讯，交换数据，相互操作。可连接成远程控制系统，系统范围面可达到 10 公里或更大，能囊括各种地形的作物种植田地，也可组成局部网，实现对复杂地形的田块滴灌。除了系统自身的 PLC外，也可以将高档计算机、各种智能装置进网，提高系统的算力，或可用总线网或者环形网，实现对区域中各大田块的综合化监控。水肥一体机的网也可以套网或者网与网桥接，形成对田块的密集化监控。联网可把成千上万的该系统、计算机、智能装置组织在一个网中，网间的结点可直接或间接地通讯、交换信息，如此可以方便农户对地区的全方位监测，随时了解田地的作物施肥情况，并调整滴灌方案。4 结语该设计主要针对传统一体机系统中自动化程度低、水肥浪费严重的问题加以改进，以云技术为基础，开发了一套基于云平台的智能水肥一体化控制系统，借助该系统，农户可以远距离对田地进行精确施肥，一定程度上增加了地方农业的作业效率和产出量，适合在现代化农业建设中推广。参考文献：1孙玉明,张婷,徐晓洋.施氮对现蕾期和开花期甜菊生长及甜菊糖苷的影响J.植物资源与环境学报,2022,31(3):85-92.2王致和,马金慧,张亚萍,等.河西地区甜叶菊短日照处理杂交制种技术研究J.中国糖料,2022,44(1):48-53.3谢虹,王雪铭,张红艺.甜叶菊有效成分动态积累分析及水提液澄清引用信息 张亚萍，杨春胤，马金慧，等.LED 灯光照调控抑制甜叶菊种苗开花的方法 J.农业工程技术,2023,43(11):17-18+21.4 结语为为进一步促进中国甜叶菊产业的可持续发展，降低甜叶菊幼苗的培育成本，技术人员在扦插苗培育的过程中，需要合理的运用LED灯光，通过红蓝灯光的组合以及补光时常的把控，甜叶菊幼苗必将可以高效培育，并由此降低种苗现蕾开花的概率，实现培育过程的节能降耗，确保生产成本的节约，从而为甜叶菊幼苗培育工作提供便捷。该文着重分析了 LED 灯光照调控抑制甜叶菊种苗开花的方法，相关措施的落地，必将为甜叶菊发展奠定基础，实现更高效益。工艺初探J.食品工业科技,2022,43(1):253-260.4赵晓顺,于凤超,郝建军.甜叶菊移栽机构发展现状与趋势研究J.农机化研究,2022,44(6):1-8+24.5康丽春,祝城城,邓勇杰.甜叶菊的脱叶机构试验研究J.农机化研究,2022,44(4):201-204+230.6刘波,赵军,李玮.新疆甜叶菊地块中瓜列当生长特性及影响2种列当种子发芽的因素研究J.西北林学院学报,2021,36(3):128-133.7谢虹,陈云,梁建生.甜叶菊花和叶中酚类成分分析及含量测定J.食品研究与开发,2021,42(9):151-157.8孙玉明,张永侠,杨永恒.氮素和光照对甜菊生长、氮素吸收和甜菊糖苷相关指标的影响J.植物资源与环境学报,2021,30(2):12-18+34.9徐新娟,张亚姣,冯玉丹.甜叶菊施肥与生长调节剂应用研究进展J.北方园艺,2020(24):129-136.10冯胜杰,贾鹏禹,王诗雅.烯效唑对甜叶菊形态、酶活性、叶片产量及品质的影响J.中国糖料,2020,42(2):19-26.11陈竞天,易斌,陈艾萌.苗期喷施水杨酸对甜叶菊主要农艺性状和糖苷含量的影响J.西北植物学报,2019,39(1):149-155.（上接第 18 页）