智慧溫室中滴灌控制的研究與設計

朱創(chuàng)錄++陰國富

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.116

3.渭南市智慧城市工程技術研究中心，陜西渭南 714000）摘要：為滿足智慧溫室灌溉需求，以黑盒子理論設計1種溫室內適合盆栽植物的，且在生長環(huán)境（日照、溫度、相對濕度）交互作用下能滿足其水分需求的滴灌控制管理系統(tǒng)。將溫室內盆栽植物在周圍環(huán)境交互作用下所產生的動態(tài)蒸發(fā)散量變化看作1種水分需求的黑盒子，利用蒸發(fā)散量所表現(xiàn)的質量變化進行監(jiān)測，實現(xiàn)植物生長過程中蒸散作用下水分需求與周圍氣候環(huán)境交互作用機制下所需多重傳感器的控制。采用工業(yè)上普遍使用的可編程控制器研究設計能適用于西北地區(qū)半開放溫室內盆栽作物環(huán)境信息與滴灌管理的組合控制系統(tǒng)，根據(jù)不同作物能夠進行靈活的參數(shù)設置，并且維修方便。通過功能測試發(fā)現(xiàn)，灌溉水量控制目標與參照目標的抽樣均方根誤差在可控范圍。通過對參數(shù)的適當調整，該設計可普遍應用于智慧農業(yè)的滴灌控制。

關鍵詞：智慧溫室；蒸發(fā)散量；水分需求；滴灌控制；灌溉水量；目標控制；參數(shù)設置；傳感器控制

中圖分類號：S24 文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）10-0398-04

收稿日期：2016-04-21

基金項目：國家自然科學基金（編號：11304230）；渭南師范學院科研項目（編號：14YKS005；15YKF006）。

作者簡介：朱創(chuàng)錄（1977—），男，陜西興平人，碩士，副教授，主要研究方向為智慧農業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)工程。Tel：（0913）2133965；E-mail：wnsyzcl@126.com。長期以來，陜西省渭南市農業(yè)發(fā)展占全市經濟比重比較大，但因受到自然條件及農業(yè)經營水平等因素的制約，農業(yè)生產的現(xiàn)代化水平仍然較低。2013年，渭南市獲批國家級智慧城市的試點城市后，當?shù)卣Y合秦東地區(qū)的發(fā)展特點，將智慧農業(yè)作為渭南市智慧城市建設的重要方向，2014、2015年分別在富平、蒲城、華縣進行智慧農業(yè)的試點，有力促進了農業(yè)生產的現(xiàn)代化、集約化、規(guī)?；Ｔ谥腔坜r業(yè)設施建設和試點過程中，也遇到了許多問題，因此有必要針對其中的滴管控制問題進行研究。

1理論背景與方法設計

1.1土壤水分平衡控制

對于水資源相對匱乏的西部地區(qū)，農業(yè)生產需要進行精確的灌溉控制以達到節(jié)約水資源的目的，精確化的灌溉管理要求對灌溉的時間及灌溉量進行精確控制，這些因素都是由農作物的需水量決定的，一般可通過直接測量和間接評估等方法獲得農作物的水分需求量。直接測量通常是通過觀測土壤的水分需求完成的，是由土壤的有效水分來決定的；間接評估以理論或經驗公式配合氣象因子進行評估，由農作物蒸發(fā)散量（ETc）決定。在智慧農業(yè)溫室中土壤水分平衡公式：

ΔM=I+D-ETc。（1）

式中：I為灌溉水量，g；D為根系土層與下層土壤的水分交換量（滲透量或毛管水補充），g；ETc為蒸發(fā)散量，g；ΔM為土壤水分變化量，g[1]。

在作物能正常生長的前提下，消耗水量會根據(jù)土壤表面蒸發(fā)、農作物吸收、蒸發(fā)散量及下層的水分供給來決定，而這幾點因素又與農作物附近微氣候環(huán)境有很大關系[2]。智慧溫室中的滴灌控制研究目標是用黑盒子理論設計1種能廣泛應用于智慧農業(yè)溫室內盆栽植物在周圍氣候環(huán)境（光照度、溫度、相對濕度）影響下能滿足植物水分需求管理的滴灌控制系統(tǒng)。在此將智慧農業(yè)溫室內植物在周圍環(huán)境交互作用下所產生的動態(tài)蒸發(fā)散量變化看作1種水分需求的黑盒子，以黑盒子理論利用蒸發(fā)散量荷重變化監(jiān)測回傳信號，去解決植物蒸散作用下水分需求與周圍氣候環(huán)境復雜的交互作用機制下所需多重感測問題。利用蒸發(fā)散量與氣候環(huán)境的關系，進行滴灌管理控制模塊設計，采用工業(yè)級可編程控制器（PLC，下同）及其外圍低壓工業(yè)配線組件設計開發(fā)應用于中西部地區(qū)智慧溫室內盆栽作物滴灌控制器與環(huán)境信息的交互控制系統(tǒng)。PLC具有商品化程度高、批量成本低廉的特點，并且不需要研發(fā)特定的專用計算機控制器硬件，屬開放式控制器，應用場合發(fā)生變化的時候，程序稍作修改即可應用在不同灌溉管理的控制場合，后期的維護及推廣成本較低[3]。通過選擇盆栽櫻桃番茄及草莓2類盆栽進行滴灌控制器的功能測試，同時用滴灌功能測試對智能溫室內的其他農作物進行溫度、濕度、光照度及盆栽質量等參數(shù)的測量并分析，評估設計的滴灌控制系統(tǒng)可適用于農業(yè)溫室內的大部分盆栽作物。

1.2滴灌控制器的設計

為了簡單有效地確定較精確的滴灌水量，本研究將盆栽植物生長期以周為單位進行分段，忽略短期生長因素導致的質量變化，將盆栽植物看作1個單一區(qū)塊，在盆栽環(huán)境下根系土層與下層土壤的水分交換量可忽略不計，因此式（1）可變?yōu)槭剑?）：

ΔM=I-ETc。（2）

滴灌控制器要控制水分散失變化，使ΔM=0，即盆栽作物土壤水分含量保持在合適有效范圍內（通過上下門限值控制），則滴灌水量I=ETc。圖1為溫室內盆栽農作物灌溉管理示意，農作物的滴灌水量（I）是由補充盆栽蒸發(fā)散量（ETc）所引起的土壤水分減少（ΔM）決定的，在具體實施過程中根據(jù)植物各生長期的系數(shù)進行調整。

本研究用質量變化量來測量盆栽累積蒸發(fā)散量作為滴灌水量控制的依據(jù)，土壤水分張力計法作為對比。定義農作物能正常生長的有效水分范圍是經過24 h重力自然排水后的容水量（作為有效水分上限）到致使農作物形成生長阻礙的土壤水分含量（作為有效水分下限）之間。本研究取樣5個盆栽，用淹灌浸泡方式使其達到飽和狀態(tài)，再經過24 h后重力自然排水，取得有效水分上限所對應的質量，用土壤水分張力計測量獲得土壤水分張力（表征土壤水分張力的pF值為1.5～2.0）作為對照及作物的有效水分上限。農作物生長受阻的水分點對應的土壤水分張力（pF值2.4～3.0）作為農作物生長的有效水分下限，并對應質量下限值。圖1是定量不定時（固定灌溉水量、變動灌溉周期）灌溉管理示意，用于解決需要多少水量就給多少的問題，不會像定時定量，有時會太多，有時會不足。對于定時不定量灌溉方式，在決定固定灌溉周期后，變動灌溉水量取決于氣候變化因子，以農作物生長的有效水分含量上限作為灌溉停止點是沒有問題的，但是在氣候變化差異大時，有可能實際土壤有效水分含量在已經降到阻礙農作物生長的水分含量以下時，采用固定灌溉周期的灌溉方法無法實時反映作業(yè)?；谝陨蠋追N情況，智慧溫室中的滴灌控制選擇固定灌溉水量及變動的灌溉周期作為灌溉管理策略，這種策略能夠滿足當氣候變化時自動調整灌溉周期。本研究以盆栽質量法作為滴灌管理的依據(jù)，而從黑盒子方法角度看，盆栽質量法也是1種在外界復雜氣候環(huán)境下由介質水分變化所引起的質量變化。因此，滴灌控制系統(tǒng)管控的有效水分設計范圍是以淹灌浸泡方式使盆栽栽培介質達到飽和狀態(tài)，再經過24 h后重力自然排水的容水量作為有效水分含量上限（TAM）。本研究以取得的有效水分上限所對應的質量作為滴灌控制器控管的滴灌水量上限；同理，以試驗方式取得盆栽在75%TAM時的質量值，作為控管滴灌水量的下限。這樣的方式可使滴灌系統(tǒng)不會造成多余滲水由盆栽底部排出。對于不同種類的溫室盆栽及栽培介質，智慧溫室中的滴灌控制在運行初期要進行TAM量值的初始化并進行控制參數(shù)的適當調整。基于以上控制策略制定的基本假設如下：（1）相同溫室中的微氣候條件是均勻一致的，溫室內的農作物種類、生長周期是相同的，因此可以認為同一溫室中農作物蒸發(fā)散量是趨于一致，點測1盆即可代表整個溫室，即使每盆的初始質量略有不同，這對于采用差動控制方法來說，每盆所需的滴灌水量也不會有太大的個別化差異；（2）同一溫室中可以由灌溉管線分割成多個分區(qū)，各分區(qū)管線均采用雙頭給水，因此可降低各分區(qū)之間的水量及水壓差異，再通過微調校正灌溉控制系統(tǒng)時間，補償后端管流的差異水量，使得各分區(qū)內前后端管線出水量差異再降低，以達到均勻水量的目標。

以3個區(qū)域滴灌盆栽作物作為控制對象，設計灌溉管理控制模塊。控制策略中的假設認為，灌溉區(qū)內基本情況都是相同的，因此只需要1套荷重傳感器與1只加壓泵，但該區(qū)一定要有目標盆栽作為樣本，以達到自動灌溉目的。試驗灌溉管理控制模塊選擇第1區(qū)指標盆栽質量變化Δw1（即對應栽培土介質的25%有效水分差值變化）為目標控制。當?shù)?區(qū)指標盆栽質量變化Δw（t1）等于Δw1時，第1區(qū)執(zhí)行灌溉操作，控制器程序軟件自動同步記憶學習該灌溉操作所耗費的灌溉時間Δti，接著以相同灌溉時間ti對第2、第3區(qū)進行灌溉操作，得到對應的灌溉水量Δw2i、Δw3i。滴灌控制器的設計可依據(jù)同區(qū)內盆栽蒸發(fā)散量來補充農作物散失的水分，也可以依據(jù)使用者經驗通過人工微調方式調整，以達到更加符合農作物生長的需求（例如每個栽培區(qū)盆栽生長期或微氣候間的差異化）。適當采取分區(qū)輪灌方式，可避免大區(qū)域管線前后端水量不均問題，也能夠達到同時期各區(qū)灌溉水量一致的目的。定量不定時的控制流程如圖2所示。

根據(jù)以上思路設計1種適用于溫室內的滴灌環(huán)境管理控制系統(tǒng)，PLC控制部分如圖3所示，主要包括PLC主機（Sharp JW20系列）、荷重單元（Tedea-1022），并有光照度計（LI-COR-200SZ）、溫濕度傳感器（HTS-801），滴灌環(huán)境管理控

制系統(tǒng)操作方式有手動、自動2種。荷重單元Tedea-1022可以檢測0～20 kg內的物體，靈敏度為0.8 kg，其輸出模擬電流I（4～20 mA）與被感測物體質量w（kg）呈線性關系，如式（3）所示：

w=1.25·I-5。（3）

通過PLC和模數(shù)轉換器（ADC），可得數(shù)碼D與模擬電流I（mA）的轉換關系：

D=100·I。（4）

根據(jù)式（4）可獲得根據(jù)設定盆栽質量w與數(shù)碼D的換算式：

D=80·w+400。（5）

由式（5）、式（3）可以看出，每位的精度是12.5 g。通過PLC與ADC結合，由ADC負責接收盆栽質量模擬信號，并將其轉換為PLC內部的邏輯變量，接著使用PLC構建比較器功能，將此邏輯變量用數(shù)值比較方式作多段比較輸出，能產生控制邏輯變量作為功能需求上的邏輯演算，其中控制依據(jù)為式（2）。

2結果與分析

在試驗過程中將灌溉區(qū)分在3個栽培區(qū)，第1區(qū)中選擇1個盆栽并測量其質量，作為盆栽質量指標對象，第2或第3區(qū)為驗證對照區(qū)。控制系統(tǒng)設置連接這3個區(qū)的電磁閥、壓力泵、第1區(qū)的荷重計及溫室內農作物環(huán)境區(qū)的溫濕度與光照度計，設置第1區(qū)盆栽有效水分含量的上、下限對應質量作為初始值。第2、第3區(qū)的荷重計及設施內作物環(huán)境區(qū)的溫濕度、光照度量的量測值均儲存于PLC存儲單元。根據(jù)定量不定時的灌溉管理策略，由可編程控制器通過荷重傳感器傳回來的信號判斷何時灌溉及該灌溉水量（定量不定時）的操作指令輸出到電磁閥，同時進行學習記憶，分區(qū)執(zhí)行每區(qū)灌溉作業(yè)。分別針對定量不定時策略記錄第1區(qū)與第2、第3區(qū)隨機每次灌溉量（荷重計前后差值分別為Δw2i、Δw3i）及灌溉次數(shù)評估滴灌控制器功能的穩(wěn)定性及精確性，本研究是以均方根誤差（RMSE）作為量化值，詳見式（6）：

RMSE=∑ni=1（Δw2i-Δw1）2+∑ni=1（Δw3i-Δw1）22n×100%/Δw1。（6）

式中：Δw2i、Δw3i分別為第2、第3區(qū)每次灌溉水量，kg；Δw1為第1區(qū)指標盆栽質量變化（對應栽培土介質的25%有效水分差值變化量），kg；n為第2、第3區(qū)的灌溉數(shù)，次。

1994年Baille等在溫室作物需水量研究中指出，以作物蒸發(fā)散量值所表示的室內光照度、飽和蒸汽壓差的線性式可用以量化作物需水量[4]。2013年Carmassi等根據(jù)Baille等的Penman-Monteith（P-M）方程[4]提出溫室內用光照度、VPD（蒸氣壓差）、LAI（葉面積指數(shù)）來表示植物蒸發(fā)散量ET速率[5]，在試驗過程中根據(jù)Carmassi等的方法，以質量法直接測量并以作物蒸發(fā)散量模式為室內短波光照度與蒸汽壓差的函數(shù)，推導盆栽蒸發(fā)散質量速率可表示為式（7）：

ETpot=α·Isλ+β·VPD。（7）

式中：λ=2 502.535 29-2.385 752 42·（T-273.16）；Is為室內短波輻射量，W/m2；λ為水蒸發(fā)潛熱，J/kg；α、β為經驗常數(shù)，根據(jù)作物類別、生長期及溫室狀態(tài)等操作環(huán)境確定（本研究中的數(shù)值見表1）；VPD為蒸氣壓差，其計算式見式（8）：

VPD=（1-RH）·Ps。（8）

式中：RH為相對濕度，%；Ps為飽和蒸汽壓，MPa。

表1試驗中的經驗常數(shù)選擇

類別αβ試驗盆栽1（櫻桃西紅柿）554.638±65.250.001 36±0.000 425試驗盆栽2（草莓）434.256±42.540.001 85±0.000 254

圖4、圖5分別為盆栽型櫻桃番茄、草莓蒸發(fā)散質量速率的蒸發(fā)散量模式計算結果（y）對應于其量測值（x）的線性回歸分析，可見蒸發(fā)散量模式驗證評估與實測其蒸發(fā)散質量速率變化之間有一致趨勢。圖5結果表明，3～4 d內的LAI不變而以1 d測量數(shù)據(jù)擬合參數(shù)代入原模式計算的3 d盆栽蒸發(fā)散速率，單位為g/（h·盆）。溫室內簡易蒸發(fā)散量模式結合以電子質量為主的通用型滴灌控制系統(tǒng)可驗證評估盆栽型櫻桃番茄及草莓在此生長期的作物灌溉量實測值與根據(jù)現(xiàn)場氣候（溫濕度及日射量）的估計值，其趨勢基本保持一致。

3結論與建議

本研究設計的滴灌控制系統(tǒng)可適用于多種溫室盆栽作物，其控制方式與品種、生長期無關。試驗中采用質量的上下限設定基準，其目的是為了方便使環(huán)境中因素（如光照度、溫

度、濕度等）能對應相對的蒸發(fā)散量，從而獲得動態(tài)的每日作物需水量與環(huán)境中溫濕度及光照度的對應關系。本研究采用定量不定時的灌溉控制方法，這種灌溉管理策略能適時適量地提供作物生長所需水分。同時，由本研究可知，定量不定時的控制方式能夠確保盆栽介質的水分含量在一定的有效范圍內，有利于作物生長，比較適合在溫室設施中進行推廣使用。

采用差動間隙的控制方法比較適合以盆栽質量的減少量測作為作物需水量依據(jù)。本研究根據(jù)每次量測代表的盆栽質量差的變化，運用可編程控制技術轉換成其內部定時器的時間差來控制其他各區(qū)盆栽的灌溉水量?？刂颇K會隨著每次的量測情況加以比對轉換成時間差，時間差的對比是以當時的管線水量水壓為基準，不是一個固定值。此外，控制模塊設計校準功能來增減可編程控制器內部定時器的時間差來控制其他各區(qū)的灌溉水量，能夠達到實時、精確控制的目的。

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