一種實(shí)用新型溫室精細(xì)灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)及其應(yīng)用

黎啟江，盧永志，黎競(jìng)雄，王祥寧

（1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院花卉研究所，云南 昆明 650205；2.昆明普潤(rùn)源灌溉技術(shù)有限公司，云南 昆明 650106）

一種實(shí)用新型溫室精細(xì)灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)及其應(yīng)用

黎啟江1，盧永志2，黎競(jìng)雄2，王祥寧1

（1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院花卉研究所，云南 昆明 650205；2.昆明普潤(rùn)源灌溉技術(shù)有限公司，云南 昆明 650106）

文章在消化吸收當(dāng)今國(guó)內(nèi)外水肥灌溉自控系統(tǒng)設(shè)備的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)情省情和現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)—溫室大棚種植灌溉所需，研發(fā)了一種實(shí)用新型溫室精細(xì)灌溉自動(dòng)控制裝置（專(zhuān)利號(hào)：ZL 2013.2 0587276.5），根據(jù)植物和環(huán)境變化，實(shí)現(xiàn)植物生長(zhǎng)水肥灌溉自動(dòng)控制，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)向智慧農(nóng)業(yè)種植管理自動(dòng)控制技術(shù)裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與技術(shù)創(chuàng)新。在資源緊缺，提倡節(jié)水灌溉，發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，實(shí)現(xiàn)高效高產(chǎn)的今天，該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用將對(duì)溫室種植管理產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

溫室灌溉；自控裝置；分析應(yīng)用

在溫室大棚的生產(chǎn)管理中，作物的水肥灌溉是一個(gè)極為重要的組成部分。目前溫室大棚的水肥灌溉基本采用半自動(dòng)（非智能）灌溉，這種灌溉方法存在一些問(wèn)題：實(shí)施灌溉過(guò)程相對(duì)麻煩，必須人工操作；不能準(zhǔn)確控制灌溉中作物所需要的最佳水量，往往是不多即少，造成浪費(fèi)；不能根據(jù)作物的需求做出實(shí)時(shí)灌溉；需要人力資源的投入，養(yǎng)護(hù)成本較高。所以，提供一種自動(dòng)精準(zhǔn)的作物實(shí)時(shí)灌溉測(cè)控系統(tǒng)就非常必要了。

精細(xì)農(nóng)業(yè)是目前國(guó)際農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向和潮流，精細(xì)灌溉則是精細(xì)農(nóng)業(yè)理論研究和實(shí)踐的重要內(nèi)容之一。通過(guò)對(duì)水肥的精細(xì)調(diào)控確保農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)，也是提高灌溉管理水平、實(shí)現(xiàn)節(jié)水農(nóng)業(yè)的一個(gè)必然趨勢(shì)。現(xiàn)代精細(xì)灌溉技術(shù)是按照田間各操作單元作物生長(zhǎng)對(duì)灌水時(shí)間、灌溉水量、灌溉點(diǎn)以及灌水成分的精細(xì)要求，精細(xì)準(zhǔn)確地調(diào)整灌溉管理措施，最大限度地提高水的利用率和利用效率，并充分保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)水土資源的有效利用和管理。

云南花卉和蔬菜等經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)，憑借得天獨(dú)厚的自然氣候條件，產(chǎn)業(yè)規(guī)模和市場(chǎng)占有率不斷擴(kuò)大，技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高，出口量逐年迅猛增長(zhǎng)。隨著國(guó)際花卉龍頭公司的介入，迅速推動(dòng)了云南相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和技術(shù)升級(jí)，特別是對(duì)水肥要求的提高，經(jīng)濟(jì)作物的溫室綜合調(diào)控技術(shù)成為急待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。

作為溫室作物種植管理中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，精確灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)的成功運(yùn)用對(duì)提高溫室作物品質(zhì)和產(chǎn)量、降低管理成本、病蟲(chóng)害發(fā)生等方面將起到重要的作用。

1 背景

在現(xiàn)有的溫室灌溉自動(dòng)控制設(shè)備中，多數(shù)從國(guó)外進(jìn)口（荷蘭、以色列居多），一套系統(tǒng)安裝起來(lái)，少則幾十萬(wàn)，多則上百萬(wàn)，價(jià)格昂貴，遇到問(wèn)題常常得不到及時(shí)解決。這類(lèi)灌溉自動(dòng)控制設(shè)備近些年來(lái)，除了在一些科研試驗(yàn)和示范園區(qū)的溫室大棚內(nèi)少量使用外，并沒(méi)得到大量的推廣應(yīng)用。而國(guó)內(nèi)少數(shù)廠家研發(fā)的此類(lèi)產(chǎn)品，價(jià)格雖然比進(jìn)口低一些，但其性能和精度又不及進(jìn)口產(chǎn)品，導(dǎo)致使用中常不能滿足用戶需要。

文章所述溫室精細(xì)灌溉系統(tǒng)，其設(shè)備為大棚溫室作物自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)的硬件、軟件（可選配空氣濕度、土壤濕度、溫度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度、pH值和EC值等數(shù)據(jù)顯示）。該系統(tǒng)由傳感檢測(cè)電路、信號(hào)處理電路、外設(shè)（鍵盤(pán)、顯示器等） 配置接口電路、輸出控制電路、電源控制電路及相關(guān)設(shè)備等構(gòu)成。它能夠?qū)崿F(xiàn)多路采集輸入和多路輸出控制功能（價(jià)格僅為同功能進(jìn)口設(shè)備的1/3）。硬件設(shè)計(jì)方面，采用品牌電腦驅(qū)動(dòng)控制電路和執(zhí)行裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴灌操作，計(jì)算機(jī)根據(jù)用戶設(shè)定參數(shù)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)繼電器控制閥門(mén)是否打開(kāi)，閥門(mén)的打開(kāi)與否就可以控制噴滴頭來(lái)進(jìn)行對(duì)作物的實(shí)時(shí)噴滴灌。實(shí)驗(yàn)證明，該電路可對(duì)噴滴灌電磁閥在噴滴灌時(shí)間1 s～99 min 59 s、間歇時(shí)間1 min～99 h任意調(diào)節(jié)，每個(gè)噴滴灌電磁閥可任意分配和組合，較好地解決了不同作物、同種作物不同生長(zhǎng)時(shí)期灌溉的溫室生產(chǎn)等實(shí)際問(wèn)題。該系統(tǒng)只需在原供水裝置上增設(shè)自動(dòng)控制電路即可實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，具有一定的實(shí)用價(jià)值和推廣前景。

2 系統(tǒng)組成及原理分析

2.1 系統(tǒng)要素組成

系統(tǒng)要素組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)要素組成框圖

從圖1可知，系統(tǒng)主要由PC機(jī)、多路控制器、控制節(jié)點(diǎn)（閘閥）、電源控制柜、施肥泵、ABC肥液池、離心泵、反沖洗過(guò)濾器、酸堿度監(jiān)測(cè)儀、進(jìn)水端儲(chǔ)水池等設(shè)備和管件組成。

2.2 各控制要素的作用

2.2.1 PC機(jī)

通過(guò)各傳感控制裝置收集各控制點(diǎn)的監(jiān)測(cè)信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理、貯存后，按控制要求，發(fā)出相應(yīng)的指令至多路控制器。同時(shí)還承擔(dān)控制區(qū)域的資料編輯存檔、控制程序修改等。如果以互聯(lián)網(wǎng)為平臺(tái)，利用現(xiàn)代通信技術(shù)和手段還可實(shí)現(xiàn)手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.2.2 多路控制器

根據(jù)PC機(jī)輸出指令，按要求對(duì)相關(guān)控制要素或設(shè)備發(fā)出開(kāi)啟或關(guān)閉的工作信號(hào)。

2.2.3 電源控制柜

對(duì)需要用電的要素提供安全可靠的電源，并對(duì)用電設(shè)備提供缺相、斷路、過(guò)流過(guò)載保護(hù)等。

2.2.4 施肥泵

將多個(gè)不同性質(zhì)的肥液池里的肥液，泵壓至供水管路，通過(guò)供水管路水肥混合后，經(jīng)管路送至各需水的植物區(qū)。采用機(jī)械注入式施肥泵，可通過(guò)調(diào)節(jié)計(jì)量泵的沖程長(zhǎng)度和沖程頻率來(lái)調(diào)節(jié)注入肥液或pH值調(diào)節(jié)液，滿足所種植物生長(zhǎng)所需。

2.2.5 ABC肥液池

為滿足栽種物營(yíng)養(yǎng)需要，系統(tǒng)水肥供給常設(shè)多個(gè)不同肥液的池子。當(dāng)需要供給相應(yīng)的肥液時(shí)，對(duì)應(yīng)的肥液閘閥打開(kāi)，經(jīng)施肥泵供給水管送至相應(yīng)需肥的植物區(qū)。

2.2.6 離心泵（加壓抽水泵）

按指令工作，把蓄水池或沉淀池的水抽至供水管。

2.2.7 反沖洗過(guò)濾器

對(duì)離心泵抽至供水管道中的水進(jìn)行過(guò)濾后再送至各需水區(qū)管道，避免水質(zhì)差造成滴頭或噴頭堵塞。反沖洗裝置自動(dòng)化程度高，可定時(shí)對(duì)過(guò)濾器進(jìn)行自動(dòng)沖洗，節(jié)省人力和管理成本。

2.2.8 酸堿度監(jiān)測(cè)儀

對(duì)供水管道中的水肥液體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，避免因酸堿度（EC、pH值）過(guò)高或過(guò)低對(duì)植物帶來(lái)不良影響。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)直接送至PC機(jī)處理。當(dāng)pH值過(guò)高偏堿性時(shí)，PC機(jī)輸出指令，打開(kāi)酸性肥液池，經(jīng)施肥泵把酸性肥液送至供水管道，調(diào)節(jié)中和輸送的肥液達(dá)到要求；當(dāng)pH值過(guò)低偏酸性時(shí)，PC機(jī)輸出指令，打開(kāi)堿性肥液池，經(jīng)施肥泵把堿性肥液送至供水管道，調(diào)節(jié)中和輸送的肥液達(dá)到要求。

2.2.9 供水管路及回收管路

供水管路把首部輸出的水肥液送至各栽種物，回收管路把栽種床或槽滲漏的多余的水肥回收再利用。

2.3 溫室作物灌溉量分析

2.3.1 溫室作物灌溉量——經(jīng)驗(yàn)法分析

經(jīng)驗(yàn)法分析，是以歷史資料為主要依據(jù)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需要，通過(guò)頻率分析，根據(jù)氣象中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)來(lái)預(yù)測(cè)作物灌溉量的一種方法，并在國(guó)外得到了較好推廣和應(yīng)用。在溫室作物灌溉中，即使在同一地區(qū)，作物生長(zhǎng)期內(nèi)的實(shí)際氣象因素、土壤因素及作物生長(zhǎng)情況在不同年份都會(huì)相差很大，因而計(jì)算得到的灌溉量與實(shí)際所需灌溉量有很大出入。另外，這種方法要求實(shí)施溫室作物灌溉的當(dāng)?shù)匦璺e累大量的歷史資料，而現(xiàn)實(shí)中往往不具備這一條件。特別是，溫室栽培在中國(guó)興起不久，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)難以推廣應(yīng)用。同時(shí)，經(jīng)驗(yàn)分析法通常采取測(cè)定旬、月蒸發(fā)量作為計(jì)算方法，往往因?yàn)槭墙?jīng)驗(yàn)性的，與實(shí)際有差異，所以不是令人十分滿意的方法。

2.3.2 溫室作物灌溉量——水量平衡法

水量平衡法，是采用各類(lèi)型和大小不同的蒸發(fā)器來(lái)直接測(cè)定作物蒸發(fā)量的方法。但由于蒸發(fā)器內(nèi)土柱與自然土壤隔絕，因而器內(nèi)土柱的水、熱狀況與自然土壤有一定差別，特別是在有作物覆蓋的情況下更顯突出。

在溫室作物灌溉中，通常把土壤計(jì)劃溫潤(rùn)層的儲(chǔ)水量變化用式1的水平衡方程來(lái)表示：

式中，W0、Wt—分別為時(shí)段和時(shí)段末的土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)儲(chǔ)水量

WT—由于計(jì)劃濕潤(rùn)層增大而增加的水量

P0—保存于土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)的有效降雨

K—時(shí)段內(nèi)地下水補(bǔ)給量

M—時(shí)段內(nèi)的灌水量

E—時(shí)段內(nèi)作物需水量

溫室內(nèi)的降雨量為零。由于溫室作物根系一般較淺，且灌水頻繁毋需過(guò)多的儲(chǔ)水量，故計(jì)劃濕潤(rùn)層可保持一較淺的深度不變，則因計(jì)劃濕潤(rùn)層增深而增加的土壤儲(chǔ)水量為零。由于計(jì)劃濕潤(rùn)層地勢(shì)較高，其濕度高于周?chē)寥赖臐穸?，且大部分溫室作物采用培養(yǎng)缽或穴盤(pán)無(wú)土栽培，故在溫室中地下水的補(bǔ)給量也可認(rèn)為是零。則溫室種植中，土壤水量平衡方程可簡(jiǎn)化為：

當(dāng)土壤濕度保持不變時(shí)，Wt應(yīng)與W0相等，由上式得M=E。

在溫室中，只要監(jiān)測(cè)分析出作物需水規(guī)律，結(jié)合各生長(zhǎng)階段對(duì)水肥的需求變化，即可計(jì)算其所需灌溉量。這種簡(jiǎn)化大大方便了溫室種植中灌溉量的計(jì)算，并提高了其準(zhǔn)確度，從而進(jìn)一步保證了實(shí)現(xiàn)溫室中灌溉量精確控制的可能性。

2.3.3 溫室作物需水量分析

在溫室種植栽培中，土壤、作物、環(huán)境是影響作物需水量的連續(xù)體，作物水分損耗量的指標(biāo)確定，計(jì)算模型及檢測(cè)裝置是確定作物精準(zhǔn)灌溉和灌溉制度必須要考慮的環(huán)節(jié)。在以日光溫室種植面積和灌溉需水量為主要研究對(duì)象的設(shè)施農(nóng)業(yè)種植中，對(duì)灌溉水技術(shù)、灌水量及水分生產(chǎn)進(jìn)行分析計(jì)算，通過(guò)建立預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)設(shè)施農(nóng)業(yè)種植范圍的需水量，為科學(xué)節(jié)約用水提供理論依據(jù)和計(jì)劃安排，是今后設(shè)施農(nóng)業(yè)種植用水必須要考慮的重要因素。

參照作物騰發(fā)量常用ET0表示。對(duì)于某一具體作物，其在某一生長(zhǎng)階段的騰發(fā)量為參照作物騰發(fā)量與一系數(shù)的乘積。此系數(shù)稱為作物系數(shù)，一般用Kc表示。作物騰發(fā)量的計(jì)算由求作物系數(shù)和求參照作物騰發(fā)量?jī)刹糠纸M成。作物系數(shù)主要由作物種類(lèi)及其生長(zhǎng)狀態(tài)決定，求法尚無(wú)公式或模型可依，可由資料或?qū)嶒?yàn)獲得。

彭曼法所考慮的氣象因素最為全面，理論上最為完善，應(yīng)用最為廣泛，而且至今仍在不斷優(yōu)化、發(fā)展中，并為聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織所推薦，具有很高的權(quán)威性，是目前公認(rèn)的計(jì)算參照作物騰發(fā)量的最佳方法。

在實(shí)際生產(chǎn)中通常無(wú)法得到足夠的溫室氣象資料來(lái)計(jì)算溫室內(nèi)的參考作物蒸發(fā)蒸騰量。針對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐，文章借鑒河海大學(xué)彭世章等對(duì)溫室滴灌西瓜作物需水量的實(shí)驗(yàn)研究成果和西北農(nóng)林科技大學(xué)何華等對(duì)溫室黃瓜需水規(guī)律的研究成果等，對(duì)于溫室作物的灌溉量，在應(yīng)用彭曼一蒙特斯法或其它計(jì)算法進(jìn)行控制時(shí)，引進(jìn)溫室狀態(tài)系數(shù)。

將溫室狀態(tài)系數(shù)與作物系數(shù)及參考作物騰發(fā)量相乘后，才是作物需水量。則溫室中作物的需水量，即騰發(fā)量可用式2表示：

式中，ET—溫室作物騰發(fā)量

ET0—參考作物騰發(fā)量

KC—溫室作物系數(shù)

KG—溫室狀態(tài)系數(shù)

2.3.4 溫室灌溉控制原理

根據(jù)前面的分析，通過(guò)采集各種氣象變量、溫室狀態(tài)變量的監(jiān)測(cè)，結(jié)合作物的生長(zhǎng)狀況，運(yùn)用控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)作物灌溉量與需水量的平衡控制。該法除了流量計(jì)，運(yùn)用溫室最常用的檢測(cè)設(shè)備和微機(jī)，即可實(shí)施灌溉的自動(dòng)控制，具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性和大規(guī)模推廣的前景。但不可避免地存在著計(jì)算偏差問(wèn)題，作為一種開(kāi)環(huán)控制方法，偏差累積最終有可能導(dǎo)致土壤濕度超出控制范圍。

為克服計(jì)算法存在的缺點(diǎn)，在實(shí)際中也可實(shí)行閉環(huán)控制，即通過(guò)土壤濕度監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)精細(xì)控制灌溉。圖2為閉環(huán)控制狀態(tài)下，溫室綜合參數(shù)控制程序圖。

2.3.5 系統(tǒng)具有靈活、強(qiáng)大的報(bào)表解決方案

報(bào)表文件格式兼容Excel工作表文件，提供類(lèi)Excel的絕大部分功能，包括：編輯功能、計(jì)算功能、圖表功能等。

（1）操作系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)

選用的操作平臺(tái)為WindowsXP

（2）圖形界面標(biāo)準(zhǔn)

建立于Windows操作系統(tǒng)上，圖形界面符合Windows標(biāo)準(zhǔn)。界面全部采用圖形化，操作簡(jiǎn)單，一目了然。

（3）數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)標(biāo)準(zhǔn)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)由管理器和運(yùn)行系統(tǒng)組成，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)將組態(tài)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等以一定的組織形式存儲(chǔ)在介質(zhì)上。管理器是管理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的開(kāi)發(fā)環(huán)境，數(shù)據(jù)可導(dǎo)出Excel工作表文件。

（4）系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

穩(wěn)定性、實(shí)用性、開(kāi)放性、網(wǎng)絡(luò)性、可擴(kuò)性、靈活性、實(shí)時(shí)性。

（5）控制

可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制，自動(dòng)控制，恒壓供水控制，EC、pH值監(jiān)測(cè)。

圖2 溫室綜合參數(shù)控制程序

3 結(jié)論

文章所述的溫室水肥精細(xì)灌溉系統(tǒng)及控制裝置，其優(yōu)點(diǎn)和效果是，可在作物種植、種植基質(zhì)、種植方式發(fā)生重大變化的情況下，通過(guò)管道化、水肥一體化和精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)與作物栽培方式和作物生長(zhǎng)所需的高度統(tǒng)一。本裝置運(yùn)行可靠、穩(wěn)定，維護(hù)性、移植性好，具備很好的行業(yè)推廣及應(yīng)用價(jià)值。本裝置的應(yīng)用不僅減輕了灌溉的工作壓力，降低了運(yùn)行成本和人工費(fèi)用，同時(shí)也提升了管理水平，為進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析提供了數(shù)據(jù)儲(chǔ)備，為其他系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)提供可靠的技術(shù)支持。在本裝置的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)種植的全方位檢測(cè)和自動(dòng)控制。比如對(duì)溫室的溫度、濕度、光照、CO2濃度等小環(huán)境的控制。

2014－07－21

黎啟江（1956-），男，土家族，貴州德江人，副研究員，E-mail：liqj7891@126.com。