生態(tài)溫室雨水綜合利用自動化控制系統(tǒng)研究

郭志冬

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門峽 472000）

1.前言

上世紀(jì)70年代，電子技術(shù)迅猛發(fā)展，微型計算機問世，促進溫室綜合自動化控制技術(shù)良好發(fā)展，1974年荷蘭將計算機作為溫室氣候控制系統(tǒng)的核心部分，而從80年代到90年代，以色列溫室技術(shù)更新了三代。國內(nèi)溫室技術(shù)從上世紀(jì)60年代開始，采用簡易的塑料大棚針對蔬菜進行種植，直到80年代初，才從美國、保加利亞以及荷蘭等國引進了成套設(shè)備，為后續(xù)生態(tài)溫室雨水綜合利用自動化控制系統(tǒng)的良好研發(fā)奠定基礎(chǔ)。

2.生態(tài)溫室雨水綜合利用自動化控制系統(tǒng)的必要性

在農(nóng)業(yè)發(fā)展的幾千年歷史之中，針對雨水進行充分有效的利用，是節(jié)水灌溉工作中的重要內(nèi)容，同樣對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起到了極其重要的影響。水資源緊缺的社會現(xiàn)實，促進人們越來越重視集雨農(nóng)業(yè)技術(shù)。國內(nèi)針對雨水利用技術(shù)的系統(tǒng)化研究，是從上世紀(jì)80年代開始的，在這些年來的不斷研究中，取得了良好的進展。但是需要注意的是，集雨農(nóng)業(yè)本身涉及到了較多的方面，設(shè)計環(huán)節(jié)的復(fù)雜性以及系統(tǒng)性，對于技術(shù)要求較高，其中包含了收集、存儲、輸送以及最終利用等環(huán)節(jié)，針對這種情況，就需要有著較高自動化的調(diào)節(jié)和控制系統(tǒng)作為支撐，才能促進該項技術(shù)系統(tǒng)能夠在無人值守的情況下自動運轉(zhuǎn)。自動化控制系統(tǒng)的研發(fā)和推廣，對于現(xiàn)階段生態(tài)溫室雨水的綜合利用工作具有十分重要的作用，能夠有效推進現(xiàn)代農(nóng)業(yè)自動化的發(fā)展，為促進農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的健康穩(wěn)定增長提供良好的前提技術(shù)條件。

3.生態(tài)溫室雨水綜合利用自動化控制系統(tǒng)的組織部分和工作原理

在實際應(yīng)用過程中，生態(tài)溫室雨水綜合利用自動化控制系統(tǒng)需要針對雨水進行收集、過濾，并將過濾后的雨水存儲到集雨池之中，這樣當(dāng)該系統(tǒng)下達相應(yīng)的灌溉命令的時候，就能夠在水泵的作用下及時提取雨水，開啟田間灌溉設(shè)備，從而針對農(nóng)作物進行有效灌溉。從控制系統(tǒng)本身的實際運行流程來看，就能夠發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)之中主要包含了三個方面：一是雨水收集系統(tǒng)，其中包含雨水收集設(shè)備和存儲設(shè)備；二是田間灌溉系統(tǒng)，該子系統(tǒng)中涵蓋了田間監(jiān)測設(shè)備、供水電網(wǎng)以及灌溉設(shè)備這三個方面；三是自動控制系統(tǒng)，其中主要是分為硬件設(shè)施和軟件設(shè)施兩個方面。針對生態(tài)溫室雨水綜合利用自動化控制系統(tǒng)的具體組成部分情況進行分析，能夠發(fā)現(xiàn)其中主要包含了棚膜、集雨槽、排水口、集雨池、水泵、井口、水桶、輸水管、鐵架、電磁閥、土壤濕度傳感器、灌水器（滴頭和滴灌管）、支管、配電箱（儀表）、電腦以及轉(zhuǎn)換模塊等方面。

3.1 雨水收集系統(tǒng)

雨水收集系統(tǒng)（見圖1）是生態(tài)溫室雨水綜合利用自動化控制系統(tǒng)之中的重要組成部分，顧名思義，就是針對雨水進行收集的運行系統(tǒng)，其中主要包含了集雨池、溫室棚膜、集雨槽和排水管這四個方面，涵蓋了收集設(shè)備和儲存設(shè)備。

圖1 雨水收集系統(tǒng)效果圖

3.2 田間灌溉系統(tǒng)

生態(tài)溫室內(nèi)部的雨水利用系統(tǒng)需要采用自動化控制的方式，因而在針對其中的各方面系統(tǒng)組成部分進行有效選擇和控制的時候，需要選擇一些能夠有效連接到自動化設(shè)備的系統(tǒng)，這樣才能有效推進自動化手段的良好實施。對于田間灌溉系統(tǒng)來說，需要針對適用范圍、省水以及省電等方面條件進行充分考量，同時還需要盡可能地選用一些設(shè)備投資價格較低的設(shè)備。田間灌溉系統(tǒng)中采用了滴灌方式，內(nèi)鑲式滴灌管，是該系統(tǒng)中常用的滴灌帶，其中壁厚為0.02mm，直徑為16mm，而出水孔之間的距離為30cm。在連接滴灌管的過程中，使用了聚乙烯硬塑管的輸水支管，其直徑是30mm[1]。

3.3 自動化控制系統(tǒng)

生態(tài)溫室雨水綜合利用自動化控制系統(tǒng)中的核心設(shè)計部分就是自動化方面，系統(tǒng)本身的自動化強度和優(yōu)劣效果，將能夠直接影響到系統(tǒng)整體的功能強弱效果。本文中的生態(tài)溫室雨水綜合利用自動化控制系統(tǒng)中，主要采用了智能儀表，將其作為核心控制系統(tǒng)，能夠有效開展智能化的自動控制工作，促進自動化控制工作更為全面的開展。溫室雨水自動化控制系統(tǒng)之中主要包含了硬件設(shè)施和軟件設(shè)施兩個方面，其中硬件設(shè)施中包含了上位機、下位機以及執(zhí)行結(jié)構(gòu)、檢測傳感器、聲光報警電路以及具體的控制電路等多方面。工控機作為自動化控制系統(tǒng)中的上位機，其能夠針對系統(tǒng)的運行時間進行良好設(shè)定，同時準(zhǔn)確控制好灌區(qū)的具體灌溉參數(shù)。而下位機方面，則主要是選擇了智能儀表，在具體的通訊接口中，需要將其與轉(zhuǎn)換器進行良好的連接，一般采用的轉(zhuǎn)換器為RS232和RS485[2]。

4.生態(tài)溫室雨水綜合利用自動化控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)在實際應(yīng)用的過程中，需要在上位機上安裝好事先編制好的軟件，這樣將能夠有效控制后相應(yīng)的下位機和田間各項設(shè)備。本文控制系統(tǒng)中的上位機軟件設(shè)計過程中主要是采用了組態(tài)王和Visual C++6.0這兩種軟件形式[3]。

4.1 作物土壤相對含水量查詢系統(tǒng)

設(shè)計作物土壤相對含水量的查詢系統(tǒng)，將能夠為自動化控制系統(tǒng)的良好運行提供前提條件。首先需要設(shè)計好該查詢系統(tǒng)自身的作物名稱和類型，將其作為相應(yīng)的變量，并以此為根據(jù)開展作物灌溉信息和土壤相對含水量的查詢工作，從而具有較強的應(yīng)用效果[4]。以溫室常見蔬菜土壤含水量的相關(guān)情況為例，針對含水量查詢系統(tǒng)的應(yīng)用情況進行介紹，具體情況如下表1。

表1 溫室常見蔬菜土壤含水量的相關(guān)情況表

而具體在查詢相關(guān)數(shù)據(jù)的過程中，首先需要針對地區(qū)進行選擇，然后針對溫室類型進行選擇，在此基礎(chǔ)上選擇相應(yīng)的灌溉方式和土壤類型；其次，需要選擇作物類型和作物名稱；最后，需要點擊相應(yīng)的查詢按鈕，系統(tǒng)頁面將會直接顯示出具體的結(jié)果。

4.2 自動化灌溉軟件設(shè)計工作

針對自動化灌溉軟件進行有效設(shè)計，需要全面掌握其具體的運行流程，從雨水收集出發(fā)，按照田間作物自身的需水情況，按照缺水時候自動灌溉的原則進行設(shè)計，直到滿足田間作物的需水要求后停止灌溉，這樣將能夠?qū)崿F(xiàn)整體的自動化效果[5]。在具體設(shè)計自動化灌溉軟件過程中，首先需要針對系統(tǒng)的主界面進行設(shè)計，其中主要是包含了工作間、室外和種植區(qū)域這三個部分，而在界面之中能夠直接顯示出來溫室作物自身的土壤濕度和溫度情況[6]。其次，需要針對參數(shù)設(shè)置界面進行設(shè)計，從土壤相對含水量查詢系統(tǒng)軟件出發(fā)，按照實際作物的種植情況針對土壤含水量的報警值進行設(shè)定，這樣將能夠有效確定出最終灌溉系統(tǒng)的啟動條件。通常情況下，針對土壤含水量報警值進行設(shè)定的過程中，需要將報警值設(shè)定在3%～5%的范圍內(nèi)，只有在這個區(qū)間內(nèi)，才會誘發(fā)相應(yīng)的報警條件，從而完成相應(yīng)的灌溉工作[7]。

4.3 灌溉趨勢曲線查詢界面

在針對生態(tài)溫室雨水綜合利用自動化控制系統(tǒng)本身進行設(shè)計的過程中，需要重點關(guān)注到灌溉趨勢曲線的查詢界面方面，通過這一曲線能夠有效表現(xiàn)出土壤溫濕度變量的實際變化情況，能為自動化控制系統(tǒng)的實際運行工作提供良好的數(shù)據(jù)支持。在具體的設(shè)計工作中，主要采用了組態(tài)王軟件，而在這方面包含了實時曲線和歷史趨勢曲線[8]。

5.生態(tài)溫室雨水綜合利用自動化控制系統(tǒng)的可靠性分析和測試工作

做好生態(tài)溫室雨水綜合利用自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計工作之后，為了有效保證其正常應(yīng)用效果，需要做好相應(yīng)的可靠性分析和測試工作，為系統(tǒng)提供良好的運行分析數(shù)據(jù)。首先，需要做好設(shè)備儀器方面的安裝和校準(zhǔn)工作，這就需要從設(shè)備的具體設(shè)計要求出發(fā)，按照具體的安裝標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范開展具體的配置工作。當(dāng)前生態(tài)溫室雨水綜合利用自動化控制系統(tǒng)在正式使用的時候，需要安裝的硬件設(shè)備包含了溫室試驗田、控制室以及溫室配電柜這三個方面。按照溫室試驗區(qū)域的實際環(huán)境進行綜合考慮，做好田間灌溉部分的設(shè)備安裝工作，通常需要使用到支管和滴灌管，使其二者保持良好的連接效果，并將支管和水桶連接[9]。其次，需要做好測試工作，這其中需要選用專門的試驗基地，可以根據(jù)系統(tǒng)需求選擇合適的地區(qū)和環(huán)境條件，主要是針對自動化灌溉控制和手動灌溉控制的差異性進行測試和對比。

6.結(jié)束語

將溫室雨水利用的理念和自動化控制技術(shù)進行完美融合，通過土壤溫濕度傳感器針對土壤的實際情況進行全面監(jiān)測，同時根據(jù)作物本身土壤含水量數(shù)值的具體變化狀態(tài)，針對溫室雨水自動化灌溉系統(tǒng)進行有效設(shè)計，這樣將能有效提升溫室內(nèi)部灌溉的自動化效果，不僅減少了勞動量，同時還有效提升了生產(chǎn)效率。本文針對生態(tài)溫室雨水綜合利用自動化控制系統(tǒng)的實際設(shè)計和研究過程作了細致的分析和介紹，尤其是針對水收集系統(tǒng)、田間灌溉系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)方面的設(shè)計和應(yīng)用過程進行充分研究，這將能夠為該系統(tǒng)在未來農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中的廣泛應(yīng)用提供良好的前提條件。

【參考文獻】

[1]吳帆.基于計算機C++語言的溫室雨水自動化灌溉系統(tǒng)設(shè)計[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2016,44(12):368-372.

[2]李雪輝,李繼曉.關(guān)于生態(tài)小區(qū)雨水綜合利用標(biāo)準(zhǔn)問題的探討[J].中國標(biāo)準(zhǔn)化,2016,(8x):28-29.

[3]徐志強,秦忠強,蘇曉,等.天津生態(tài)城雨水綜合利用現(xiàn)狀與建議[J].中國給水排水,2016,(12):44-49.

[4]王慧中.城市雨水生態(tài)處理與濕地生態(tài)系統(tǒng)改善技術(shù)及示范[J].中國科技成果,2015,(7):9-10.

[5]魏昊軒,趙新宇,董俊偉,等.鄭州大學(xué)新校區(qū)雨水綜合利用技術(shù)方案探究[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計,2015,(12):125-126.

[6]李新燕,李敏,孫德智.宜興某學(xué)校低影響開發(fā)雨水收集利用系統(tǒng)設(shè)計研究[A].2016全國水環(huán)境污染控制與生態(tài)修復(fù)技術(shù)高級研討會論文集[C].2016.

[7]劉崢,李佳懌,呂潔,等.基于雨水綜合利用的居住區(qū)景觀設(shè)計研究[J].住宅與房地產(chǎn),2016,(1X):158-159.

[8]梁秀連,周懌,刁海峰.淺談城市雨水綜合利用決策及調(diào)蓄、滲透技術(shù)研究[J].城市建設(shè)理論研究(電子版),2015,(11):179-180.

[9]張飛,胡秀云,代勤.武漢城區(qū)雨水綜合利用可行性及案例分析[J].山西建筑,2016,42(15):131-132.