水肥一体机结构优化分析

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水肥一体机是一种利用压力管道将水、肥混合，采用滴灌或喷灌的方式共同作用于农作物的施肥技术［3－4］。与传统的灌溉方式相比，这种灌溉方式可以显著提高水肥利用率，降低肥料用量，减少土壤中的氮、磷等元素的流失，还可有效节约人工成本。然而，由于我国水肥一体机发展较晚，施肥器等并没有明确的国家标准规定，因此不能够保证设计的水肥一体机结构参数在作业时达到最优［5］。目前，结构优化主要有两种方法:一是凭经验对若干方法进行比较，选择最优方案;二是采用建立数学模型的方法，利用计算机进行结构分析，从而确定最优结构。其中，第2种方法可以用有效地缩短产品设计周期，提高结构优化设计水平。本文将第2种方法应用于水肥一体机的结构优化。收稿日期:2022－07－20基金项目:四川省成都市科技厅科研计划项目(2020C19)作者简介:焦学磊(1982－)，男，山东青岛人，讲师，硕士，(E－mail)ba-iunwpcxu69091@163．com。

1结构设计

1．1总体结构设计

水肥一体机的主要组成包括数据采集系统、灌溉施肥系统、自动控制系统和控制中心。

1．2数据采集系统

数据采集系统主要对农田的环境(包括土壤温湿度、风速、光照强度、大气压和太阳辐射等)进行监测，并实时地将监测数据反馈至环境数据监测站点。为了实现数据的采集和传输，数据采集系统主要包括采集模块和无线传输模块。数据采集模块的硬件结构如图1所示。其中，风速、太阳辐射和大气压力传感器通过1个传感器节点连接，并放置于室外;为了延长传感器节点的使用寿命，在节点外设置塑料保护盒;每4个土壤温湿度传感器通过1个节点连接，放置于土壤不同的深度位置;同时，每个传感器节点配置太阳能供电板用于供电。传感器节点完成数据的采集后，主要通过无线传输模块的网关节点实现数据的转发，并最终传递至监测站点。网关节点的主要部件包括数据转发器、电源、铅蓄电池和无线网桥等［6］，如图2所示。

1．3灌溉施肥系统

灌溉施肥系统主要用于实现肥料的混合和灌溉，包括均匀混肥模块、灌溉模块、监测模块和控制器，如图3所示。为了实现肥料的精准配比，采用称重传感器进行不同成分母液的称重;同时，在文丘里管下方设置电磁阀，控制母液不同成分的配比;肥料最终进入混液罐，并利用浮球阀控制清水量。为了对肥料的EC值和pH值进行监测，混液罐液体通过灌溉泵后分为两路，分别用于灌溉和监测，最终控制肥料的EC值和pH值在要求范围内。

1．4监控系统

监控系统的作用主要包括两方面，即监控土壤和环境的状态及监控灌溉施肥系统的作业状态，主要组成包括模拟量输入模块、监测仪表及触摸屏等。其中，模拟量输入模块用于接收采集的环境和土壤状态信息，并转化系统可识别信息。监控仪表用于显示灌溉肥料的EC值和pH值。触摸屏采用MT8012iP型号的人机界面触摸屏［7］，该触摸屏与控制中心接通，将接收到的数据以曲线趋势或数字的方式实时显示并记录农田状态，还可以通过触摸屏控制水肥一体机自动或者手动运行。

1．5控制中心

控制中心是整个水肥一体机的中枢，通过对收集的农田、环境和灌溉数据进行综合分析，完成开关量、施肥灌溉系统的启停等指令的控制。控制中心的程序逻辑图如图4所示。其硬件的主要组成包括单片机系统、电源模块及时钟电路等。其中，单片机系统采用性能稳定、抗干扰能力较强的8位STC单片机，通过程序的设计还可以接收手机APP或电脑网站指令、读取时钟电路数据;电源模块的芯片采用稳压电源芯片，为了增加抗干扰能力，还增设了滤波电路;时钟电路则采用高性能芯片。

2结构优化分析

为了实现精准的灌溉和施肥，需要文丘里吸肥器准确地将肥料注入混液罐。文丘里吸肥器对水肥一体机的吸肥、灌溉等作业能力影响最大。因此，采用数学模型的方法对文丘里吸肥器进行结构优化设计，并进行灌溉预测。

2．1数学模型进行结构优化

文丘里吸肥器的结构简图如图5所示。

2．2灌溉预测控制算法优化

为了达到精确灌溉控制的目的，采用模糊控制和灰色预测结合的算法，对灌溉需水量进行预测。其中，灰色预测模型是进行预测的关键。首先，定义灰色预测模型为GM(m，g)。其中，m为模型中的微分方程阶数;g为模型变量的数量。

3试验结果

由于本文主要针对文丘里吸肥器进行了结构优化，因此采用数值模拟的方式对吸肥器进行吸肥性能对比试验。文丘里吸肥器的结构在优化前后其吸肥性能对比结果如表1所示。由表1可知:优化结构后的文丘里吸肥器的性能明显优于未优化结构前的性能，吸肥流量大约提高了25%。其后，采用该水肥一体机进行农田灌溉，观察其作业性能，结果表明:该水肥一体机可以正常作业，实现精准灌溉。

4结论

1)针对传统的灌溉和施肥方式作业效率较低、水肥使用率较低的问题，基于数学模型对水肥一体进行结构设计并优化分析。水肥一体机的主要组成包括数据采集系统、灌溉施肥系统、自动控制系统和控制中心。2)为了实现精准施肥和灌溉，采用数学模型的方法对文丘里吸肥器进行结构优化设计，并利用模糊控制和灰色预测结合的控制算法进行灌溉预测。3)为了验证水肥一体机的结构合理性，进行了吸肥性能对比试验和灌溉试验，结果表明:该水肥一体机结构合理，可实现精准灌溉。

参考文献:

［1］张明生．浙江省水资源可利用与优化研究［D］．杭州:浙江大学，2005．

［2］王孝龙．水肥精准配比控制系统研发［D］．杨凌:西北农林科技大学，2018．

［3］高祥照，杜森，钟永红，等．水肥一体化发展现状与展望［J］．中国农业信息，2015(5):14－19．

［4］尹飞虎．节水农业及滴灌水肥一体化技术的发展现状及应用前景［J］．中国农垦，2018(6):30－32．

［5］孟一斌．微灌施肥装置水力性能研究［D］．北京:中国农业大学，2006．

［6］赵文星，吴至境，刘德力，等．基于农业物联网的果园环境智能监测系统设计［J］．江苏农业科学，2016，45(5):391－394．

［7］姜年昌．人机界面测试方法探讨［J］．电子质量，2019(8):1－3．

［8］成大先．机械设计手册［K］．北京:机械工业出版社，2010:15－32．

作者：焦学磊 单位：四川财经职业学院