一种水肥一体机的可视化控制模块应用研究.pdf

一种水肥一体机的可视化控制模块应用研究 祝 鹏 内蒙古农业大学 内蒙古 包头 014109 摘 要 以进一步提升水肥一体机的作业效率与监测效率为目标 选取可视化技术作为研究切入点 基于可视化 控制模块的设计与应用展开讨论 通过充分理解水肥一体机的作业机理 建立用于整机可视化控制的数学模 型 并进行可视化控制模块的软件程序设计与硬件组件配置 形成全新高效的可视化水肥一体机 进行可视化 控制模块应用作业试验 结果表明 基于可视化机理及控制模型应用的水肥一体机较普通控制下的水肥一体机 作业有一定优势 系统的监测准确率与系统响应效率得到明显提升 各水肥管路及水肥参数监测及时 确保整机 各项指令与输出正确合理 整机节水率与整机节肥率分别提升了6 80 和7 40 灌溉均匀度可达90 50 有 利于农作物种植栽培高效高产 关键词 水肥一体机 可视化控制 系统响应效率 整机节肥率 灌溉均匀度 中图分类号 S224 4 文献标识码 A文章编号 1003 188X 2024 11 0204 05 0 引言 从水肥一体机的研究现状来看 国内外技术主要 集中在整机的自动调控及水肥混合比例调配等 且有 很大的进步 如部分水肥一体机控制系统实现了通信 领域的全监测管控 但是 对于可视化监控角度研究 仅限于整机作业过程的关键控制节点的研制优化 对 整体的作业效率提升还有一定的改进空间 为此 笔 者拟从可视化控制的集成技术角度 以最大实现水肥 混合的及时性与均匀性为目标 对可视化控制模块在 整机上的应用模式展开研究 1 水肥一体机概述 水肥一体机作为一种农作物培育高效的农机装 备 相对传统单一的灌溉 施肥装备 其节水率与节肥 率都有较好的提升 其核心作业机理在于将水分与 肥料进行了高度的混合 并精准地施灌到所需农作物 田间 从农田水肥一体机实施布置结构 见图1 来 看 此型水肥一体机的应用需要田间整体的布局规 划 首先 搅拌电机工作 各种肥料及微量元素经吸 肥管道进入水肥一体机装置 整机内部的肥料泵工 作 搅拌均匀后到达沿路水肥混合后的吸肥管道 各 重要监测管路节点设置电导率传感器及pH传感器装 收稿日期 2022 11 08 基金项目 内蒙古自治区科技厅科技计划项目 2020GG0033 作者简介 祝 鹏 1987 男 山东日照人 讲师 硕士 E mail mx vhc950048tzwmt 163 com 置 最终 经出水施肥管道流经田间的多路控制灌溉 区域 图1 农田水肥一体机实施布置结构简图 Fig 1 Schematic diagram of the implementation and layout of the farmland water fertilizer integrated machine 结合其自动控制系统技术参数列表 见表1 可 知 影响水肥一体机作业效率的稳态响应时间及精度 402 2024年11月 农 机 化 研 究 第11期 DOI 10 13427 ki njyi 2024 11 018 一方面与系统结构设计有关 如管径及流量等 还与 工作过程的实施监控可视性程度有关 这是因为可 视化程度及准确度将会给予灌溉指令有效地发出与 改变 因而针对整机实施可视化控制模块应用的实 现 表1 水肥一体机自动控制系统技术参数配置列表 Table 1 Configuration list of technical parameters of automatic control system of the water fertilizer integrated machine 序号参数名称参数值 1灌溉流量 m3 h 1 20 100 2管径 mm 180 3工作压力 MPa 0 4 0 6 4单位通道吸肥量 L h 1 110 1100 5灌溉通道数8 6系统稳态精度 5 7系统稳态响应时间 s 120 2 可视化控制应用 2 1 可视化模型建立 以考虑流量合理分配为主体原则 确立一体机内 部影响水肥混合效率的EC比例计算模型 并进一步 融入各肥液通道的可视化控制组件 形成协同式的内 部交互 可视化控制方案 以变频对流量的控制为基础 建立EC比例计算 模型为 C1f tnull null qw C0f tnull null qm C tnull null q d VTC tnull nullnull nulldt 1 式中 C1 水肥一体机混合肥液浓度 C0 水肥一体机的进水管内肥液浓度 C t 水肥一体机的管路内肥液浓度 f t 水肥一体机相连接的注肥泵频率 Hz qw 水肥一体机的最大供肥量 L h qm 水肥一体机的主管路内进口最大流量 L h q 水肥一体机的主管路内出口流量 L h t 混肥作业有效时间 s 针对各肥液通道 增设可视化控制组件 采用FIT 图像处理技术 匹配数据处理精度高的C接口与S接 口 对各管路节点的信息进行有效获取 可视化信息 及数据以分层形式进行数据库存储与交互 形成的视 觉控制模型为 LDB SDB1j SDB2j SDBmjnull null RDB LDB1 LDB2 LDBnnull nullnull 2 式中 LDB 水肥一体机本地可视化控制数据库 SDBmj 水肥一体机相连接的视觉组件上传过 程数据库 RDB 水肥一体机远程可视化控制数据库 LDBn 水肥一体机本地可视化控制过程数据 库 依据此协同可视化控制模型 实现内部监测信息 数据的实时有效获取与控制 并植入智能人工交互模 块 进而设计出可视化模型应用水肥一体机各模块分 配简图 如图2所示 其设计创新点在于以混肥闭环 控制系统为核心 在搅拌 液位监测及功能监测环节 之后均设置可视化监测模块 从而将信息传递至主控 制系统 实现肥液浓度配比下的精准灌溉施肥作业 图2 可视化模型应用水肥一体机各模块分配简图 Fig 2 Distribution diagram of each module of water fertilizer integrated machine in the visual model application 2 2 可视化控制程序设计 针对加肥模块 以精准控制肥液EC值为程序设 计目标 采用模糊自适应控制与智能推理相结合 针 对供水模块 采用PID闭环控制程序 在混合肥液管 路环节则对于管路的流量与压力进行参数提取与动 态稳调PLC程序控制 此处给出该水肥一体机可视 化控制下的灌溉施肥程序核心代码如下 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 农 机 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 针对可视化的组态显示与布局 注重各模块之间 的逻辑与作业流程 考虑整机管路监测节点数量及控 制方式 从后台的设备数据传输与前端的可视化监视 界面进行设计 并建立可视化监测站 用于水肥一体 机可视化系统程序数据处理实现 如图3所示 此数 据处理过程包含远程客户端 WEB服务器及数据库平 台 可从多维可视功能角度满足监测的指标需求 图3 水肥一体机可视化系统程序数据处理实现简图 Fig 3 Schematic diagram of the program data processing implementation of the water fertilizer integrated visualization system 2 3 可视化控制组件配置 以GPIO为主配合接口实现电路信号的驱动与连 接 考虑过程控制各信号的干扰与隔离因素 准确分 析影响 形成水肥一体机可视化系统硬件结构连接设 计简图 如图4所示 其中 配置了HMI可视相机及 ADC与IIC接口 是硬件控制模块实现的关键性条件 为确保可视化监测数据的精确性 针对数据通信进行 合理功能配置 见表2 在指令的实时接收与发送关 键时间节点设置高度适应的串口通信协议 实现高质 量的寄存与转出 在远程控制端 本地端及手持APP 端均有良好的通用性 图4 水肥一体机可视化系统硬件结构连接设计简图 Fig 4 Schematic diagram of hardware structure connection design for visualization system of water fertilizer integrated machine 表2 基于可视化控制的水肥一体机通信数据功能配置 Table 2 Communication data function configuration of water fertilizer machine based on visual control 序号通信寄存名称通信功能实现 1 D8220可视化数据接口设置 2 D8222指令发送剩余存储 3 D8224指令接收数量 4 D8226 RS指令接收异常设置 5 M8120指令正在发送显示 6 M8122 RS指令已发送显示 7 M8124 RS指令已接收显示 针对水肥一体机的肥液浓度监测组件 为降低水 分与肥液之间的参数监测误差 配置电导电极传感器 与复合电极相连接 对于过程信号的获取 放大与滤 波 增设滤波放大电路 双重考虑肥液混合产生微弱化 学反应的温度升温 增设温度传感器 作为肥料含量与 水分含量的判定信号 选用量程为0 2m 精度误差为 602 2024年11月 农 机 化 研 究 第11期 0 5 的液位传感器 以嵌入式植入 作为可视化控制 模块的指示信号输出 3 整机作业试验 3 1 试验条件 整机可视化控制模块测试合格后 按照基于可视 化控制的水肥一体机试验控制流程 见图5 展开水 肥一体机整机可视化灌溉作业试验 试验对象为生 长初期的小麦 进行氮肥与水分的同步灌施 并确保 水肥一体机硬件组件连接正确 动作顺畅执行 且可 视化控制数据导出原始 连续 图5 基于可视化控制的水肥一体机试验控制流程简图 Fig 5 Control flow diagram of water fertilizer integrated machine test based on the visual control 3 2 分析讨论 试验数据采集分组进行 为确保试验的可重复性 与实际符合程度 设定灌溉流量为变量参数 变化控 制范围为40 90m3 h 将试验分为6组进行 每组各 测定10次试验数据并求出平均值进行统计对比 选 取系统稳态响应时间为监测参数 得到可视化控制模 块应用下水肥一体机不同灌溉流量响应时间数据统 计列表 如表3所示 由表3可知 整体的水肥一体机 可视化控制系统稳态响应时间在要求小于120s的基 础上 可以将系统稳态响应时间平均维持在100 22s 波动范围为95 10 105 20s之间 各环节反馈与响应 时间得到缩短 满足了水肥一体机监测及时准确性要 求 表3 可视化控制模块应用下水肥一体机不同灌溉 流量响应时间数据统计 Table 3 Data statistics of response time of different irrigation flows of water fertilizer integrated machine applied by the visual control module 组号 灌溉流量 m3 h 1 系统稳态响应时间 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 针对整机全过程试验环节 以线性回归方程与PID 算法相结合 充分进行混合肥液的质量浓度 EC及pH 之间的数据记录与计算 选取系统监测准确率 系统 响应效率 稳定率 整机节水率 节肥率及灌溉均匀度 作为核心对比指标 得到基于可视化模块应用的水肥 一体机核心作业指标提升对比效果列表 如表4所示 表4 基于可视化模块应用的水肥一体机核心 作业指标提升对比效果 Table 4 Comparison effect of core operation indicators of water fertilizer integrated machine based on visualization module application 序号指标名称普通控制可视控制对比效果 1系统监测准确率89 50 92 80 3 30 2系统响应效率86 70 94 00 7 30 3系统稳定度89 30 92 50 3 20 4整机节水率85 50 92 30 6 80 5整机节肥率84 70 92 10 7 40 6灌溉均匀度84 90 90 50 5 60 由表4可看出 可视化控制模块的应用 与普通的 水肥一体化控制相比 具有一定的优越性 由于可视与 可控智能的科学融合 系统的响应效率由86 70 提升 702 2024年11月 农 机 化 研 究 第11期 至94 00 系统监测准确率与系统稳定度均保持在 90 00 以上 可视化监视与动作的有效衔接与执行 大 大提高了各项数据与指令输出的准确性 促使整机节 水率由85 50 提升至92 30 整机节肥率由84 70 提升至92 10 灌溉均匀度保持良好 可视化优化应 用设计效果显著 4 结论 1 以当前水肥一体机智能化控制作业机理为基 础 从可视化控制模块设计与应用角度展开优化 建 立可视化控制模型 设计了响应的程序控制及可视化 组件 搭建可视化监控功能良好的水肥一体机作业系 统 2 展开可视化控制模块应用下的水肥一体机整 机作业试验 结果表明 可视化控制应用前后水肥一 体机的作业效能得到明显提升 尤其是整机节水率与 节肥率 均可达到92 00 以上 且可视化控制设计理 念结合了先进的可视化组件及智能控制程序 结构设 计具有较强的应用价值 3 从远程客户端到本地控制端 对水肥一体机可 视化控制进行改善与监测 有效提升了整机水肥混合 过程与作业过程监测的准确率 是整机优化的重要突 破方向 可为类似智能农机装备的设计提供借鉴与参 考 参考文献 1 陈明霞 王晓文 张寒 基于WSNs的无线可视化智慧农 业管理系统 J 农机化研究 2021 43 7 207 211 2 朱德兰 阮汉钺 吴普特 等 水肥一体机肥液电导率远 程模糊PID控制策略 J 农业机械学报 2022 53 1 186 191 3 王社 基于三维可视化技术的播种机结构设计 J 农 机化研究 2020 42 6 212 215 4 李书钦 刘海龙 诸叶平 等 基于实测数据和 NURBS 曲 面的小麦叶片三维可视化 J 福建农业学报 2016 31 7 777 782 5 娄焕 基于图形边缘检测技术的采摘系统可视化应用 J 农机化研究 2021 43 11 200 205 6 郎朗 冯晓蓉 基于STM32的水肥一体机智能控制系统 优化研究 J 农机化研究 2022 44 3 116 119 7 王佳明 陈思 荆腾 等 无土栽培远程灌溉控制系统 J 排灌机械工程学报 2020 38 9 959 965 8 宋晨媛 基于LabVIEW的水肥一体机控制系统设计 J 农机化研究 2021 43 11 142 145 156 9 顾丽丽 刘勇 王亮 基于ASSA GRNN的施肥量预测与 控制实现 J 农机化研究 2021 43 10 1 6 10 张莉萍 徐雷 王夏金 等 多路阀可视化机液系统建模 及动态特性 J 排灌机械工程学报 2020 38 10 1037 1044 11 钱治丞 宋博 刘勇 等 水肥一体化远程施肥机控制系 统设计与实现 J 黑龙江大学自然科学学报 2021 38 3 364 371 12 夏华猛 水肥一体化固体肥混施装备及其控制系统研 发 D 镇江 江苏大学 2020 13 夏华猛 李红 陈超 等 溶解混施水肥一体化装置自动 控制系统研制 J 排灌机械工程学报 2019 37 1 80 85 14 赵鹏飞 王旭峰 胡灿 等 智能温室水肥一体化装备设 计与试验 J 农机化研究 2022 44 9 224 228 235 15 陈维榕 王虎 彭志良 等 基于物联网的果园水肥一体 控制系统的开发与应用 J 贵州农业科学 2016 44 8 140 143 16 刘杰 三维虚拟仿真系统在农田可视化作业中的应用 J 农机化研究 2022 44 10 209 212 217 17 谢永生 纪学伟 多通道比例施肥机设计与试验 J 节 水灌溉 2020 7 46 48 53 18 高小焕 姚普选 孙自文 基于计算机网络的水肥一体 机监控作业研究 J 农机化研究 2022 44 3 208 211 230 19 冀婷 基于人机交互的三维数据协同可视检测仿真 J 计算机仿真 2021 38 10 405 409 下转第238页 802 2024年11月 农 机 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页 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 农 机 化 研 究 第11期