摘 要: 針對(duì)溫室袋培番茄人工灌溉施肥勞動(dòng)強(qiáng)度大、水肥資源浪費(fèi)及智能化程度不高等問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一套基于光合輻射和袋培番茄所需水肥規(guī)律的智能灌溉施肥控制系統(tǒng)。 采用 C#語(yǔ)言對(duì)上位機(jī)進(jìn)行開發(fā),用 SQL Server 軟件建立了數(shù)據(jù)庫(kù),用 GX Works2 軟件對(duì) PLC 程序進(jìn)行編寫,通過(guò)上位機(jī)調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)中傳感器實(shí)時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和番茄需水規(guī)律計(jì)算出灌溉施肥量和灌溉施肥時(shí)間,并通過(guò) PLC Monitor Unity 軟件改變 PLC 程序中出水泵的工作時(shí)間,保證 PLC 每天對(duì)番茄進(jìn)行合理灌溉施肥。 對(duì)構(gòu)建的智能灌溉施肥系統(tǒng)進(jìn)行了不同時(shí)間內(nèi)的出水量均勻性以及 EC 值、pH 值響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn),結(jié)果表明:在 4. 5min 時(shí)最低均勻系數(shù)為 98. 61% ,在 9min 時(shí)最低均勻系數(shù)為99. 02% ,在 12min 時(shí)最低均勻系數(shù)為 99. 16% ,EC 值在系統(tǒng)運(yùn)行 25s 時(shí)穩(wěn)定,穩(wěn)定后保持在( 1. 290 ± 0. 03 ) mS /cm 以內(nèi),pH 值在系統(tǒng)運(yùn)行 20s 時(shí)穩(wěn)定,穩(wěn)定后保持在 6. 00± 0. 07 以內(nèi)。 針對(duì)溫室袋培番茄灌溉施肥,系統(tǒng)可根據(jù)光合輻射變化制定不同的灌溉施肥量,不僅減輕了人工勞動(dòng)強(qiáng)度,還具有響應(yīng)速度快、灌溉施肥精確及所用水肥量符合番茄生長(zhǎng)需求的特點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞: 灌溉施肥系統(tǒng); 上位機(jī); 均勻性; 袋培番茄

　　引言

　　人工或者手動(dòng)灌溉施肥系統(tǒng)對(duì)作物進(jìn)行灌溉施肥,不僅增加人工的勞動(dòng)強(qiáng)度,還容易造成大量的水肥資源浪費(fèi),肥料濫用也會(huì)對(duì)環(huán)境和土壤造成污染。因此,如何利用智能技術(shù)和根據(jù)不同作物生長(zhǎng)需求對(duì)作物 進(jìn) 行 適 時(shí)、 適 量 地 灌 溉 施 肥 具 有 重 要 研 究 意義[1-3]。相比其他發(fā)達(dá)國(guó)家,我國(guó)的智能灌溉還處于初步研究階段。

　　目前,國(guó)內(nèi)大多數(shù)對(duì)于作物灌溉系統(tǒng)的研究都是基于環(huán)境因子,或者定時(shí)對(duì)作物進(jìn)行灌溉施肥。 黃語(yǔ)燕等[ 4 ] 構(gòu)建了一套基于溫室基質(zhì)栽培的施肥系統(tǒng),通過(guò)蠕動(dòng)泵吸取母液肥料,并混合成合適的濃度,通過(guò)控制肥液的 EC、pH 值和肥液進(jìn)入管道的灌溉時(shí)間,根據(jù)不同作物對(duì)水肥的需求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)施肥。李雅靜等[ 5 ]設(shè)計(jì)了一種基于 PLC 控制的溫室灌溉控制系統(tǒng),可根據(jù)不同植物對(duì)水的需求進(jìn)行分量灌溉。

　　金永 奎 等[ 6 ] 等 設(shè) 計(jì) 了 一 種 灌 溉、 施 肥、 過(guò) 濾 于 一體的全自動(dòng)灌溉施肥機(jī),并對(duì)不同壓力效果下的流量及固定壓力下不同水肥比例的配比響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了測(cè)試,發(fā)現(xiàn) 100 ∶ 1 的水肥比例響應(yīng)速度為 32s。 王佳明等[ 7 ] 設(shè) 計(jì) 了 一 種 無(wú) 土 栽 培 遠(yuǎn) 程 控 制 系 統(tǒng), 以MSP430 單片機(jī)作為檢測(cè)與控制核心,并用 Qt 編程設(shè)計(jì)了配套的上位機(jī)軟件,以對(duì)作物的灌溉情況進(jìn)行可視化監(jiān)控,并采用 GPRS 無(wú)線傳輸技術(shù)對(duì)上位機(jī)和下位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步通信。 試驗(yàn)表明:該系統(tǒng)對(duì) EC值調(diào)控誤差不超過(guò) 0. 11mS / cm,pH 值調(diào)控誤差不超過(guò) 0. 08。 Rahul 等[ 8 ]使用 Event-B 建立了一個(gè)智能灌溉系統(tǒng),基于傳感器監(jiān)測(cè)天氣情況、土壤條件、蒸發(fā)及植物用水的情況進(jìn)行灌溉。

　　Liao Renkuan[9] 等研究了一種基于實(shí)時(shí)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的智能灌溉系統(tǒng),根據(jù)土壤水分分布的時(shí)空特征對(duì)作物耗水情況進(jìn)行估算,根據(jù)得到的數(shù)據(jù)采用一個(gè)中央灌溉控制器進(jìn)行精確灌溉。筆者根據(jù)當(dāng)日光合有效輻射和基質(zhì)袋培番茄的需水規(guī)律,設(shè)計(jì)了一套基于 PLC 控制的智能灌溉施肥系統(tǒng),通過(guò)上位機(jī)調(diào)取當(dāng)日數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)對(duì)番茄進(jìn)行水肥決策,再將當(dāng)日的灌溉施肥量換算為水肥灌溉時(shí)間,通過(guò)修改出水泵工作時(shí)間進(jìn)行控制當(dāng)日灌溉施肥量;同時(shí),對(duì)鋪設(shè)的管路進(jìn)行了出水量均勻性及 EC 值和 pH 值的時(shí)間響應(yīng)測(cè)試。

　　1 系統(tǒng)組成及工作原理

　　1. 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　組成水肥一體化自動(dòng)灌溉施肥系統(tǒng)由下位機(jī) PLC、上位機(jī)控制軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)及傳感器組成。 PLC 選擇的型號(hào)為 FX2N-4AD,可提供 4 個(gè)模擬量的輸入。 上位機(jī)軟件由 C#語(yǔ)言編寫,可以對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)取和分析,并改變 PLC 程序中的設(shè)定值;PLC 通過(guò)控制各泵、閥及根據(jù)傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)作物進(jìn)行灌溉施肥。 數(shù)據(jù)庫(kù)由 SQL Server 軟件進(jìn)行創(chuàng)建,通過(guò)云平臺(tái)將數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)表。 環(huán)境因子傳感器為光合有效輻射傳感器,用于設(shè)備的傳感器有液位檢測(cè)、EC 值和 pH值檢測(cè)。

　　1. 2 工作原理

　　當(dāng)?shù)竭_(dá)灌溉時(shí)刻時(shí),上位機(jī)軟件調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析后,計(jì)算出灌溉施肥量,從而計(jì)算水泵工作時(shí)間,通過(guò) PLC Monitor Unity 軟件改變 PLC 程序中所設(shè)定的值,以此達(dá)到控制灌溉施肥量的目的。在改變 PLC 程序中的設(shè)定值后,智能灌溉施肥系統(tǒng)控制吸肥泵、脈沖電磁閥及進(jìn)水開關(guān)吸取 A、B 肥及酸液和清水對(duì)溶液進(jìn)行調(diào)節(jié),最后通過(guò)管道將肥液送入混肥桶中。

　　脈沖電磁閥為 3 通閥,使吸取的肥液和酸液一部分管道輸送至混肥桶,另一部分返還至母液桶,這樣可以更好地進(jìn)行混肥。 EC 值和 pH 值傳感器安裝于進(jìn)入混肥桶的管道中,對(duì)進(jìn)入混肥桶中的肥液進(jìn)行監(jiān)測(cè),通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)的 EC 值和 pH 值與預(yù)設(shè)值比較,達(dá)到合理的范圍后,開啟出水泵,將混肥桶中的肥液輸送至番茄根部;灌溉時(shí)間結(jié)束后,關(guān)閉相應(yīng)的泵、閥和開關(guān)。

　　由于基質(zhì)袋培番茄所需的水肥量會(huì)根據(jù)光合輻射而變化,根據(jù)湯圓強(qiáng)[ 10 ] 等在智能溫室番茄栽培管理技術(shù)中所建議:肥液由 A、B 肥混合而成,根據(jù)不同天氣情況及番茄的不同生長(zhǎng)階段,確定了不同的灌溉施肥量和 EC 值、pH 值,而陰雨天和晴天的差別主要在于光合輻射不同。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2. 1 管路的鋪設(shè)

　　根據(jù)場(chǎng)地情況對(duì)基質(zhì)袋培番茄的管路和滴箭進(jìn)行設(shè)計(jì)、選擇與安裝。 主管道進(jìn)水與混肥桶連接,主管道連接 12 根支管進(jìn)行出水,每根支管均布接入 5 個(gè)穩(wěn)流器,以一出四箭的形式安裝滴箭,將 4 根滴箭插于番茄四周的基質(zhì)上,以保證番茄對(duì)營(yíng)養(yǎng)液是充分吸收。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3. 1 上位機(jī)的設(shè)計(jì)

　　上位機(jī)采用 C#語(yǔ)言在. NET Framework4. 0 環(huán)境下進(jìn)行開發(fā),主要功能是連接數(shù)據(jù)庫(kù)并調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù),對(duì)其進(jìn)行分析,從而計(jì)算出灌溉施肥量和出水泵工作的時(shí)間,通過(guò)串口連接 PLC Monitor Unity 軟件并對(duì)下位機(jī)程序定時(shí)器設(shè)定值進(jìn)行修改;記錄每次的灌溉量,通過(guò) Chart 控件使番茄整個(gè)生長(zhǎng)階段每日灌溉施肥量的變化情況可視化。

　　3. 2PLC 控制流程

　　通過(guò)設(shè)置每日定時(shí)灌溉施肥時(shí)間,在到達(dá)灌溉施肥時(shí)刻后,啟動(dòng) A 肥、B 肥、酸液泵和對(duì)應(yīng)的電磁閥及進(jìn)水開關(guān),在 EC 值和 pH 值達(dá)到合理范圍后,啟動(dòng)出水泵,對(duì)作物進(jìn)行灌溉施肥;灌溉施肥時(shí)間結(jié)束后,關(guān)閉各個(gè)工作部件。 在肥液超過(guò)混肥桶限位時(shí),則關(guān)閉進(jìn)水開關(guān)及 A 肥、B 肥、酸液泵和對(duì)應(yīng)的電磁閥,發(fā)生故障時(shí)則進(jìn)行報(bào)警。

　　4 試驗(yàn)結(jié)果分析

　　試驗(yàn)于 2020 年 10 月在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所的溫室進(jìn)行,分別進(jìn)行了出水量均勻性試驗(yàn)和 EC 值、pH 值響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)。

　　4. 1 出水量均勻性試驗(yàn)依次選取第 1、3、5、7、9、11 根支管,并依次選取支管第 1、3、5 個(gè)位置作為出水量試驗(yàn)的出水點(diǎn),分別作為 A 組、B 組和 C 組,共 18 個(gè)位置,分別在 4. 5、9、12min 時(shí)對(duì)每個(gè)點(diǎn)的出水量進(jìn)行測(cè)量,對(duì)出水量誤差和均勻度進(jìn)行分析。

　　滴箭出水量與管道長(zhǎng)度成反比,水流過(guò)的管道越長(zhǎng),出水量越少,水流過(guò)的管道越短,出水量越多。 這是因?yàn)榍懊娴牡渭�先有水流�?jīng)過(guò),所以不同位 置 出 水 量 會(huì) 有 一 定 差 距。 由 表 8 可 知: 在 前4. 5min 時(shí),各組出水量誤差最大,各組均勻度系數(shù)較小。 隨著時(shí)間的變化,各組誤差逐漸變小,且均勻度更高,最高可達(dá) 99. 27%。 總體來(lái)說(shuō),3 個(gè)時(shí)間段內(nèi),各組出水量均勻度系數(shù)和誤差都在可接受范圍內(nèi),均勻度系數(shù)最低為 98. 61%,最大誤差為 3%,能夠滿足番茄灌溉需求。

　　4. 2 EC、pH 值響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)本試驗(yàn)主要對(duì) EC 值、pH 值達(dá)到合理范圍的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行測(cè)試,通過(guò)各個(gè)泵、閥和開關(guān)配合工作,使得實(shí)際測(cè)量值接近預(yù)設(shè)值,并穩(wěn)定于合理范圍內(nèi)。 A 肥桶母液的 EC 值為 6. 2mS / cm,B 肥桶母液的 EC 值為3. 9mS / cm,酸液桶的 pH 值為 2. 16,EC 值的預(yù)設(shè)值設(shè)置為 1. 29mS / cm,pH 值的預(yù)設(shè)值為 6. 0。

　　園藝栽培論文范例：園藝栽培與養(yǎng)護(hù)管理技術(shù)探析

　　5 結(jié)論

　　1)根據(jù)溫室基質(zhì)袋培番茄的所需水肥規(guī)律及當(dāng)日的光合有效輻射情況,建立了一套智能灌溉施肥系統(tǒng),可以減小人工勞動(dòng)強(qiáng)度和節(jié)約水肥資源。

　　2)對(duì)智能灌溉系統(tǒng)進(jìn)行了出水量均勻性試驗(yàn),結(jié)果表明:出水量在 4. 5min 時(shí)最大誤差為 3%,最低均勻系數(shù)為 98. 61%;在 9min 時(shí)最大誤差為 2%,最低均勻系數(shù)為 99. 02%;在 12min 時(shí)最大誤差為 1. 88%,最低均勻系數(shù)為 99. 16%,總體符合作物生長(zhǎng)需求。

　　3)對(duì)智能灌溉系統(tǒng)進(jìn)行了 EC 值、pH 值響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn),結(jié)果表明:EC 值在 25s 時(shí)接近預(yù)設(shè)值,并進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài),穩(wěn)定后 EC 值范圍保持在( 1. 290±0. 03) mS /cm 以內(nèi);pH 值在 20s 的時(shí)候接近預(yù)設(shè)值,并進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài),穩(wěn)定后 pH 值范圍保持在 6. 00±0. 07 以內(nèi),總體滿足要求。

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　　作者：韓坤林1, 陳毅飛2, 喻 晨2, 馬 艷2, 楊會(huì)民2, 蔣永新2