無土立體栽培系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

張宗群，馬稚昱,2，李明爵，陳嘉豪，高林鋒，韋鴻鈺 ,2※

（1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510225；2.廣東省特色農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化（精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)智能化裝備）產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510225）

0 引言

我國是農(nóng)業(yè)大國，同時(shí)也是世界上水資源緊缺，肥料浪費(fèi)嚴(yán)重的國家之一。在傳統(tǒng)栽培方式中，農(nóng)民根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)種植物進(jìn)行水肥管理，造成大量水肥資源浪費(fèi)，且導(dǎo)致土壤中殘留大量肥料，嚴(yán)重制約了農(nóng)業(yè)發(fā)展[1,2]。水肥一體化技術(shù)是國際上公認(rèn)的提高水肥利用率的最佳措施。農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家在節(jié)水節(jié)肥方面領(lǐng)先我國近20年。近年來，我國出臺(tái)多個(gè)文件推廣水肥一體化技術(shù)，以全面提升農(nóng)業(yè)水肥利用率，推動(dòng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)健康、高效的發(fā)展[3-5]。

本文設(shè)計(jì)了一套栽培環(huán)境相對(duì)封閉的水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)作物的生長及對(duì)水肥的需求特性實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并具有臭氧殺菌等功能，真正實(shí)現(xiàn)節(jié)水節(jié)肥、環(huán)境友好，解決當(dāng)前農(nóng)業(yè)資源浪費(fèi)、環(huán)境污染的問題。

1 整體方案設(shè)計(jì)

1.1 功能需求分析

為解決傳統(tǒng)栽培方式水肥流失嚴(yán)重的問題，該系統(tǒng)根據(jù)作物生長需求進(jìn)行水肥自動(dòng)灌溉，并可遠(yuǎn)程監(jiān)控灌溉情況，進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。鑒于本設(shè)計(jì)的立體無土栽培系統(tǒng)應(yīng)用于設(shè)施環(huán)境內(nèi)，因此整套系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境應(yīng)相對(duì)封閉，且可以實(shí)現(xiàn)水肥的自動(dòng)清潔及循環(huán)利用[6-8]。

1.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述功能需求，本研究構(gòu)建的水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)由管道栽培子系統(tǒng)、循環(huán)灌溉子系統(tǒng)、營養(yǎng)液檢測(cè)子系統(tǒng)和臭氧殺菌子系統(tǒng)4部分組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。營養(yǎng)液罐中配置有電導(dǎo)率EC傳感器和pH傳感器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)的EC值和pH值，結(jié)合作物品種、環(huán)境因子和生長情況，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)營養(yǎng)液的成分及濃度。通過設(shè)定定時(shí)器灌溉循環(huán)的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)水肥營養(yǎng)液的定時(shí)灌溉，為作物生長提供所需的水分和養(yǎng)料；使用管道隔空栽培實(shí)現(xiàn)作物栽培區(qū)與外界的隔離，過剩的營養(yǎng)液通過回收管道回流進(jìn)回收箱，并通過水位傳感器檢測(cè)控制潛水泵，將回收箱內(nèi)的回流液體輸送回營養(yǎng)液罐，實(shí)現(xiàn)水肥的循環(huán)再利用；氣泵與臭氧發(fā)生器組成的殺菌系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了定期殺菌凈化水體的功能。為了防止?fàn)I養(yǎng)液中鹽分富集，營養(yǎng)液罐中的營養(yǎng)液需要定期排空并及時(shí)處理。

圖1 水肥一體化精準(zhǔn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 管道栽培子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)根據(jù)水培灌溉特點(diǎn)和主要種植作物的生長條件需求以及光照環(huán)境特點(diǎn)，采用倒V型結(jié)構(gòu)做水培支架，選用7根規(guī)格為3 000 mm×108 mm×70 mm的方形管道作為植物的栽培場(chǎng)所，構(gòu)建一個(gè)相對(duì)外界封閉的環(huán)境，便于營養(yǎng)液的回收利用。如圖2，栽培支架呈三角形，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固扎實(shí)；支架下方采用鏤空設(shè)計(jì)，將整個(gè)水培裝置的占地面積以及空間占用體積最小化。

2.2 循環(huán)灌溉子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2 管道栽培子系統(tǒng)

營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)主要由3部分組成：營養(yǎng)液箱、水培管、回收箱，如圖3所示。營養(yǎng)液箱與水培管之間通過水泵實(shí)現(xiàn)定時(shí)輸送營養(yǎng)液功能；回收箱與營養(yǎng)液箱的關(guān)系如圖4，當(dāng)回收箱水位達(dá)到一定高度時(shí)，通過水位感應(yīng)器的信息傳遞可使系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)反饋調(diào)節(jié)，將回收箱里過剩營養(yǎng)液通過循環(huán)管道回流到營養(yǎng)液箱，及時(shí)平衡回收箱與營養(yǎng)液箱的水位。

圖3 營養(yǎng)液循環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 回收箱與營養(yǎng)液箱關(guān)系示意圖

2.3 營養(yǎng)液檢測(cè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

營養(yǎng)液是無土栽培作物所需礦質(zhì)營養(yǎng)和水分的主要來源，組成應(yīng)包含作物生長所需的全部營養(yǎng)成分，如氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫等大中量元素和鐵、錳、硼肥、鋅、銅等微量元素。

營養(yǎng)液的總濃度不宜超過0.4%，對(duì)絕大部分植物來說，它們需要的養(yǎng)分濃度宜在0.2%左右。營養(yǎng)液的元素種類及濃度對(duì)植物的生長有直接的影響，電導(dǎo)率EC傳感器可檢測(cè)營養(yǎng)液中的離子濃度，酸堿度傳感器則負(fù)責(zé)檢測(cè)溶液的pH值，通過PLC將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)傳遞到觸摸屏上，管理員通過觸摸屏提供的信息可掌握作物的生長情況并做出相應(yīng)的調(diào)整方案，如圖5所示。

圖5 傳感器系統(tǒng)流程圖

2.4 臭氧殺菌子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

營養(yǎng)液在循環(huán)利用過程中會(huì)滋生細(xì)菌和藻類，兩者長時(shí)間的積累會(huì)影響作物的正常生長。本系統(tǒng)添加的臭氧殺菌裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)營養(yǎng)液的定時(shí)殺菌，在凈化水體的同時(shí)可增強(qiáng)營養(yǎng)液中的含氧量，給作物提供一個(gè)更適合生長的良好環(huán)境。圖6為臭氧發(fā)生器的使用連接圖。

圖6 臭氧裝置連接圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

人機(jī)交互系統(tǒng)主要由三菱FX2N-40MT PLC和三菱GT1675-VNBA工控屏構(gòu)成，開發(fā)環(huán)境為Windows系統(tǒng)，采用GX Works2、GT Designer3軟件。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)栽培的自動(dòng)控制和手動(dòng)控制，主要功能有實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)檢測(cè)、參數(shù)反饋、定時(shí)灌溉。

3.1 實(shí)時(shí)監(jiān)控

實(shí)時(shí)監(jiān)控程序通過對(duì)營養(yǎng)液的pH值和EC值的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和自動(dòng)調(diào)控，使之在合理范圍之內(nèi)?？刂茀?shù)為營養(yǎng)液中pH值和EC值。系統(tǒng)開始工作時(shí)，數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)營養(yǎng)液中的pH值和EC值進(jìn)行采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后判斷實(shí)測(cè)值是否在設(shè)定的合理范圍內(nèi)（pH值5.5～6.5，EC值1 600～2 000μs/cm）。當(dāng)營養(yǎng)液pH值或EC值不在合理范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)聲，提醒管理人員進(jìn)行人工干預(yù)，并將pH值和EC值顯示在液晶屏幕上，給出調(diào)整建議。

3.2 數(shù)據(jù)檢測(cè)

數(shù)據(jù)檢測(cè)是利用三菱FX2N-4AD模擬量模塊，將pH和EC電極的0～5 V電壓模擬量信號(hào)輸送給A/D轉(zhuǎn)換器，AD轉(zhuǎn)換器將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，由緩存儲(chǔ)存器（BFM）讀出指令輸送到PLC，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)檢測(cè)。

3.3 參數(shù)反饋

工控屏通電后，通過GT1675-VNBA觸摸屏與PLC實(shí)現(xiàn)RS422通信，系統(tǒng)經(jīng)過初始化，PLC緩存存儲(chǔ)器將需要顯示的數(shù)據(jù)輸送給GT1675-VNBA觸摸屏，液晶屏幕上顯示出測(cè)試營養(yǎng)液中的pH值和EC值。

使用GT Designer3進(jìn)行編程，觸摸屏編程中的指示燈元件用來反饋PLC中輔助繼電器M和輸入輸出X、Y等元件的狀態(tài)；通過數(shù)值輸入/顯示元件進(jìn)行參數(shù)反饋，設(shè)定輸入數(shù)值和顯示的地址，數(shù)據(jù)類型為有符號(hào)十進(jìn)制數(shù)，顯示位數(shù)為6位。使檢測(cè)到的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在用戶界面。

3.4 定時(shí)灌溉

在植物栽培過程中灌溉直接影響到品質(zhì)和產(chǎn)量，灌溉控制模塊可以根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的開啟時(shí)間及間隔時(shí)間進(jìn)行定時(shí)灌溉，由栽培槽滲出的營養(yǎng)液通過管道回收到回收箱內(nèi)，當(dāng)回收箱內(nèi)水位達(dá)到一定高度后，通過水泵和電磁閥將回收箱內(nèi)的營養(yǎng)液過濾后抽回到營養(yǎng)液箱中，實(shí)現(xiàn)了營養(yǎng)液的循環(huán)利用，具有很好的節(jié)水節(jié)肥效果。同時(shí)通過這種液體的循環(huán)，可以使水培管內(nèi)的營養(yǎng)分子保持最大的流動(dòng)性，增大水中養(yǎng)分，為保證監(jiān)控和檢測(cè)最優(yōu)化提供最新的工作環(huán)境。

4 系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試

系統(tǒng)硬件、軟件搭建完成后，為了保證系統(tǒng)的可靠性和程序的正確性，需要對(duì)系統(tǒng)做穩(wěn)定性試驗(yàn)測(cè)試。

根據(jù)無土立體栽培系統(tǒng)控制要求，將編寫的程序輸入到PLC中，并將GT Designer3設(shè)計(jì)的程序下載到工控屏中，確認(rèn)無誤后在機(jī)器上進(jìn)行實(shí)際功能操作試驗(yàn)。工控屏系統(tǒng)功能操作示意圖如圖7所示，可視化界面主要分為：主操作菜單、手動(dòng)操作模塊、自動(dòng)運(yùn)行模塊和定時(shí)灌溉模塊，如圖8—11所示。

圖7 系統(tǒng)功能操作示意圖

圖8 主操作菜單界面圖

圖9 手動(dòng)操作模塊功能界面圖

圖10 自動(dòng)運(yùn)行模塊功能界面圖

圖11 定時(shí)灌溉模塊界面圖

經(jīng)測(cè)試，通過工控屏輸入定時(shí)時(shí)長和灌溉時(shí)長等參數(shù)，在自動(dòng)運(yùn)行模式下，系統(tǒng)能穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)定時(shí)灌溉、定時(shí)殺菌功能；在手動(dòng)模式中，水泵啟動(dòng)、殺菌裝置啟動(dòng)及系統(tǒng)停止等功能均能按設(shè)定啟動(dòng)營養(yǎng)液中的水泵和臭氧發(fā)生器，驗(yàn)證了系統(tǒng)在手動(dòng)模式下的穩(wěn)定性。同時(shí)，在傳感器的監(jiān)視下，管理員可通過工控屏的監(jiān)視界面查看營養(yǎng)液中的EC值和pH值，以便及時(shí)對(duì)營養(yǎng)液進(jìn)行調(diào)整。

5 結(jié)語

本研究設(shè)計(jì)的小型立體栽培灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、制作容易、管理方便，可靈活變換大小和樣式，適宜在室內(nèi)園藝領(lǐng)域使用。本項(xiàng)目開發(fā)的整個(gè)控制系統(tǒng)操作界面簡單，農(nóng)民易學(xué)、易懂、易掌握，培訓(xùn)過程簡單，后期維護(hù)費(fèi)用較低，是農(nóng)戶容易接受的水肥一體化系統(tǒng)，可應(yīng)用于廣東省設(shè)施農(nóng)業(yè)中的果蔬無土栽培，有效提高果蔬的產(chǎn)量與品質(zhì)，值得推廣應(yīng)用。