溫室苗床均衡精準(zhǔn)智能噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

任楓軒，王忠勇

(1.河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河南鄭州 450046；2.鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院，河南鄭州 450001)

幼苗期是作物生長(zhǎng)的重要階段，幼苗移植前主要在溫室大棚內(nèi)進(jìn)行培育，苗床作為其主要的生長(zhǎng)環(huán)境，需要精細(xì)化的管理[1]。由于幼苗生長(zhǎng)的土壤性質(zhì)及環(huán)境各有不同，故會(huì)造成幼苗土壤含水率的差異。其中，控制苗床的土壤含水率非常關(guān)鍵，如果土壤水分過(guò)高，幼苗根系長(zhǎng)期被浸泡，會(huì)使幼苗不能進(jìn)行正常的有氧呼吸，影響發(fā)育，也容易導(dǎo)致病蟲(chóng)害或者根系腐爛；如果土壤水分過(guò)低，不能滿足幼苗正常生長(zhǎng)所需的水分，會(huì)導(dǎo)致幼苗發(fā)育不良，從而影響幼苗最終的產(chǎn)量[2-3]。目前，國(guó)內(nèi)外常用的技術(shù)主要有滴管和噴灌2種方式，其中滴管技術(shù)是通過(guò)地埋管道對(duì)根部進(jìn)行直接給水，而噴灌技術(shù)則是通過(guò)空中噴灑的方式進(jìn)行灌溉，前者容易使土壤的局部水分過(guò)高及不均衡，后者傳統(tǒng)的人工噴灌方式噴灑較均勻，但容易導(dǎo)致噴灑沖擊力過(guò)大毀壞幼苗，且沒(méi)有考慮按需灌溉的思想，所以兩者均不能達(dá)到精細(xì)化作業(yè)的要求[4-5]。結(jié)合溫室幼苗的生長(zhǎng)情況和需要，設(shè)計(jì)了適用于溫室苗床的均衡精準(zhǔn)智能噴灌系統(tǒng)，通過(guò)采集苗床不同位置土壤的濕度，并與幼苗的生長(zhǎng)階段最適宜的含水量進(jìn)行對(duì)比，如果實(shí)際的含水量偏低，則控制智能移動(dòng)噴灌運(yùn)動(dòng)車到指定的位置進(jìn)行噴灌作業(yè)，噴灌的水量和噴灑力度可通過(guò)控制噴灑時(shí)長(zhǎng)和水壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

均衡精準(zhǔn)智能噴灌系統(tǒng)主要由苗床土壤墑情采集、智能移動(dòng)噴灌車和決策服務(wù)器組成，考慮到溫室大棚布線實(shí)施的繁瑣，本研究利用無(wú)線蜂窩自組網(wǎng)協(xié)議(ZigBee)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行各單元的通信，也利于后期的維護(hù)和擴(kuò)展[6-8]。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

每個(gè)苗床上安裝1套土壤墑情采集單元，由m個(gè)土壤濕度傳感器TDR-3、控制器和ZigBee無(wú)線模塊組成。濕度傳感器均勻布局在苗床的不同位置，每個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)一個(gè)位置坐標(biāo)。土壤墑情采集單元每0.5 h采集1次數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線模塊將數(shù)據(jù)上傳至決策服務(wù)器；決策服務(wù)器是一臺(tái)安裝專業(yè)管理軟件的計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)庫(kù)中存有各階段最佳的土壤濕度范圍，通過(guò)帶有ZigBee功能的外圍部件互連總線(peripheral component interconnect，PCI)板卡接入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。首先接收來(lái)自各苗床的土壤墑情數(shù)據(jù)，根據(jù)幼苗的生長(zhǎng)周期，將接收到的數(shù)據(jù)與最佳的土壤濕度范圍進(jìn)行比較，如果低于最低值，則須要進(jìn)行補(bǔ)水，通過(guò)土壤墑情變化模型計(jì)算局部需水量，并將位置和需水量信息發(fā)送給對(duì)應(yīng)的移動(dòng)噴灌車，移動(dòng)噴灌車行駛到預(yù)定的坐標(biāo)進(jìn)行噴灌作業(yè)，完畢后回到原點(diǎn)等待命令，做到有的放矢，實(shí)現(xiàn)苗床全局土壤墑情達(dá)到均衡，整個(gè)過(guò)程無(wú)需人為參與，既省人工，還能保證精確。

2 智能移動(dòng)噴灌車設(shè)計(jì)

在溫室大棚集群中，通常會(huì)規(guī)劃單獨(dú)的育苗棚進(jìn)行統(tǒng)一育苗管理，為了適應(yīng)規(guī)模化生產(chǎn)，設(shè)計(jì)了智能移動(dòng)噴灌車。智能移動(dòng)噴灌車是整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行單元，主要接收和執(zhí)行來(lái)自決策服務(wù)器的指令，每輛車上安裝多個(gè)噴頭，每個(gè)噴頭可覆蓋的有效苗床面積可通過(guò)離地高度h和噴頭壓強(qiáng)P控制，土壤濕度傳感器預(yù)埋在5 cm深度，智能移動(dòng)噴灌車布局如圖2所示。

2.1 智能移動(dòng)噴灌車結(jié)構(gòu)

智能移動(dòng)噴灌車主要由車輪、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、水箱、增壓泵、控制器、壓力傳感器、無(wú)線模塊、噴頭和噴頭電控閥門等組成，截面示意圖如圖3所示?？紤]到幼苗本身的需水量不大，且每輛智能移動(dòng)噴灌車覆蓋的范圍較小，因此為每輛車設(shè)計(jì)了車載水箱，容積為50 L，能夠滿足使用需要。其中，控制器是智能移動(dòng)噴灌車的核心，通過(guò)無(wú)線模塊與決策服務(wù)進(jìn)行通信[9-10]。智能移動(dòng)噴灌車接收決策服務(wù)器發(fā)來(lái)的控制指令，指令主要包括工作位置坐標(biāo)、噴頭工作壓力(即水箱壓力)和噴灌時(shí)長(zhǎng)等信息，噴灌作業(yè)時(shí)的執(zhí)行步驟如下：(1)接收決策服務(wù)器發(fā)來(lái)需要噴灌的坐標(biāo)，通過(guò)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器電機(jī)帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)和角度計(jì)算行走的距離，到達(dá)預(yù)定地點(diǎn)；(2)控制增壓泵對(duì)水箱進(jìn)行加壓，同時(shí)利用壓力傳感器進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)的工作壓力值P時(shí)，控制器向增壓泵發(fā)出停止工作的指令；(3)控制對(duì)應(yīng)的噴頭閥門，根據(jù)該區(qū)域計(jì)算的需水量，保持噴頭開(kāi)啟時(shí)間為t(s)后關(guān)閉；在噴灌作業(yè)過(guò)程中，如果水箱的壓力低于預(yù)設(shè)的最低值，則自動(dòng)開(kāi)啟增壓泵；(4)啟動(dòng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn)，使智能移動(dòng)噴灌車回到原點(diǎn)。

2.2 智能移動(dòng)噴灌車控制單元

智能移動(dòng)噴灌車控制單元采用處理器LPC2129作為控制核心，壓力傳感器安裝在密閉的水箱上方，經(jīng)過(guò)調(diào)理放大電路后與處理器的模塊轉(zhuǎn)換(analog-to-digital converter，ADC)接口連接，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)；處理器通過(guò)通用輸入/輸出(general purpose output，GPIO)接口經(jīng)三極管驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制繼電器的開(kāi)合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)增壓泵和噴頭電控閥門的控制；通過(guò)脈沖寬度調(diào)制(pilse width modulation，PWM)接口輸出脈沖信號(hào)對(duì)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行控制，再根據(jù)車輪的外半徑大小計(jì)算行進(jìn)距離；處理器的串行外設(shè)接口(serial peripheral interpace，SPI)接口與ZigBee無(wú)線模塊連接，實(shí)現(xiàn)與決策服務(wù)器的信息交互。由于車載功率較大，所以整個(gè)智能移動(dòng)噴灌車采用 220 V 的交流供電，根據(jù)各模塊的需要將其轉(zhuǎn)化為48.0、12.0、5.0、1.8 V的直流電來(lái)使用。智能移動(dòng)噴灌車控制單元結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.3 工作模式及運(yùn)動(dòng)控制

智能移動(dòng)噴灌車有2種工作模式：定點(diǎn)局部噴灌和全局噴灌。定點(diǎn)局部噴灌主要針對(duì)個(gè)別區(qū)域土壤濕度偏低時(shí)，智能移動(dòng)噴灌機(jī)會(huì)自動(dòng)運(yùn)動(dòng)到對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)，進(jìn)行噴灌作業(yè)，任務(wù)完成后，再回到原點(diǎn)等待命令；全局噴灌指當(dāng)檢測(cè)到整個(gè)苗床的土壤濕度普遍偏低或者須要進(jìn)行噴灌施肥和施藥時(shí)或者須要進(jìn)行大面積連續(xù)噴灌作業(yè)時(shí)，根據(jù)控制策略，對(duì)噴灌車的移動(dòng)速度v、重復(fù)噴灌次數(shù)n和水箱壓強(qiáng)P進(jìn)行控制，從而完成噴灌作業(yè)。

假設(shè)移動(dòng)噴灌車輪的外緣半徑為R，苗床的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，苗床過(guò)道間隙距離為l，每個(gè)苗床均勻設(shè)置m個(gè)土壤濕度傳感器，當(dāng)監(jiān)測(cè)到第i個(gè)苗床的第j個(gè)傳感器點(diǎn)的濕度較低時(shí)，說(shuō)明須要對(duì)該區(qū)域進(jìn)行噴灌作業(yè)，如步進(jìn)電機(jī)與車主軸的傳動(dòng)比為k，此時(shí)須控制步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度θ，具體見(jiàn)公式(1)：

(1)

控制器通過(guò)PWM給步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)特定的脈沖數(shù)量，控制其轉(zhuǎn)過(guò)的角度，即智能移動(dòng)噴灌車行駛的距離，根據(jù)脈沖信號(hào)的頻率來(lái)調(diào)節(jié)行進(jìn)的速度。故可通過(guò)決策服務(wù)器下發(fā)的指令，計(jì)算要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度θ及移動(dòng)速度v[11]。

3 土壤墑情變化模型及決策服務(wù)器

由于噴灌出的水不能及時(shí)到達(dá)土壤中傳感器的感應(yīng)區(qū)域，響應(yīng)較慢，有必要建立土壤墑情變化模型，找出土壤濕度變化與灌溉需水量的關(guān)系，從而預(yù)算當(dāng)前濕度情況下需要噴灌的用水量。

3.1 土壤墑情變化模型

作物要正常生長(zhǎng)須要滿足特定的土壤墑情條件，而且在作物不同的生長(zhǎng)階段，需要的墑情環(huán)境也有所不同。同時(shí)，受土壤水分蒸發(fā)和作物根系吸水的作用，土壤的墑情會(huì)隨時(shí)發(fā)生變化[12-13]。為了保證幼苗的正常生長(zhǎng)，須要及時(shí)給作物補(bǔ)充水分。本研究采用噴灌方法，細(xì)小的水珠通過(guò)噴頭灑到苗床土壤表面時(shí)，由于滲透需要一定的時(shí)間，埋在地下5 cm處的濕度傳感器不能及時(shí)探測(cè)到，為了避免造成過(guò)量噴灌，須要建立的土壤墑情變化模型提前計(jì)算出局部的需水量，通過(guò)定量噴灌即可達(dá)到預(yù)定的濕度值。同時(shí)，根據(jù)噴頭的特性，須要找到需水量Q與噴頭覆蓋面積s(πr2，r為噴頭輻射半徑)、噴頭出水流量q、水箱壓強(qiáng)P、噴灌時(shí)長(zhǎng)t的關(guān)系。噴頭的選取決定了噴灌的出水流量和均勻度，本設(shè)計(jì)中使用Nelson D3000的噴頭，它的噴嘴直徑只有7.2 mm，可承受30～250 kPa 的壓強(qiáng)。在安裝過(guò)程中，控制噴頭與土壤的距離為50 cm，能有效避免對(duì)幼苗造成沖擊損害，單噴頭的噴灑輻射半徑正好為0.5 m，即s=0.52π，文獻(xiàn)[14]對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的研究，得出單噴頭流量與壓強(qiáng)的關(guān)系：

q=0.214 2×P0.481 8。

(2)

式中：q代表單噴頭流量，m3/h；P代表壓強(qiáng)，kPa；由于幼苗植株比較弱小，不宜用過(guò)大的壓強(qiáng)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，本研究選取固定壓強(qiáng)值為50～150 kPa。結(jié)合本研究中試驗(yàn)土壤的環(huán)境情況，在定點(diǎn)噴灌的條件下進(jìn)行研究，得出單位面積上濕度的變化量ΔH與需水量Q成正比關(guān)系，經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式為

(3)

式中：r表示噴頭輻射半徑，m；由公式(3)可知，濕度的變化量與需水量成正比，與噴頭輻射半徑的平方成反比，與噴灑時(shí)長(zhǎng)t成正比；k為調(diào)節(jié)系數(shù)，根據(jù)不同的土壤性質(zhì)而不同，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)這里k取2.658×10-3，由式(2)和式(3)可知：

(4)

由于幼苗苗床的土質(zhì)較松軟，且滲水性好，仍需要0.5 h左右滲透到5 cm深的位置，即濕度傳感器能感應(yīng)到，故采集周期設(shè)置為0.5 h。

3.2 決策服務(wù)器

決策服務(wù)器是整個(gè)溫室大棚的信息收集和控制中心，主要接收來(lái)自各苗床發(fā)來(lái)的土壤濕度數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行處理，再根據(jù)幼苗的發(fā)育階段，制定幼苗生長(zhǎng)周期需水量，采取不同的控制策略，再控制智能移動(dòng)噴灌車執(zhí)行運(yùn)動(dòng)和噴灌指令等[15]。決策服務(wù)器集中管理軟件借助VC++6.0開(kāi)發(fā)而成，包括ZigBee無(wú)線模塊、苗床配置管理、土壤墑情采集、決策控制管理、噴灌車控制、統(tǒng)計(jì)分析、歷史曲線、數(shù)據(jù)庫(kù)、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和打印/報(bào)警等單元構(gòu)成。決策服務(wù)器管理軟件構(gòu)成如圖5所示。

決策服務(wù)器提前預(yù)設(shè)固定的ZigBee網(wǎng)絡(luò)ID，并在土壤墑情采集單元對(duì)濕度采集終端進(jìn)行數(shù)量和位置的配置，同時(shí)，對(duì)幼苗的生長(zhǎng)周期及所需土壤濕度的最佳范圍進(jìn)行規(guī)劃，即設(shè)定最高濕度和最低濕度值。苗床土壤濕度采集單元和智能移動(dòng)噴灌車開(kāi)啟后主動(dòng)尋找決策服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)ID，自動(dòng)與其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。苗床土壤濕度采集終端每 0.5 h 向決策服務(wù)器發(fā)送1次數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中；決策服務(wù)器根據(jù)預(yù)設(shè)的土壤濕度范圍進(jìn)行判斷，如果小于設(shè)定的最低閾值，通過(guò)建立的土壤墑情變化模型計(jì)算噴灌壓力、時(shí)長(zhǎng)、次數(shù)以及使用哪種工作模式等具體的指令，并通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給智能移動(dòng)噴灌車執(zhí)行。系統(tǒng)還可以通過(guò)曲線的形式對(duì)每個(gè)苗床每個(gè)區(qū)域的濕度情況進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)再現(xiàn)，并可生成日?qǐng)?bào)、月報(bào)和年報(bào)等報(bào)表，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，當(dāng)測(cè)得的土壤濕度值超出了預(yù)設(shè)的范圍時(shí)，還會(huì)發(fā)出警報(bào)信號(hào)提醒溫室管理者關(guān)注。

4 結(jié)果與分析

本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有通用性，可適用于不同類型的作物，為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的智能噴灌系統(tǒng)的工作效果，這里選擇番茄幼苗進(jìn)行試驗(yàn)。

4.1 土壤濕度精度控制試驗(yàn)

番茄幼苗在發(fā)芽、出苗以及分苗定植后的緩苗期需要較高的濕度，對(duì)生長(zhǎng)15 d、長(zhǎng)勢(shì)均勻的番茄幼苗進(jìn)行試驗(yàn)[16]。選擇溫室中的6床番茄幼苗，并分成A和B 2組，每組3床，進(jìn)行對(duì)比。其中，對(duì)A組(苗床1～3)采用本研究設(shè)計(jì)的智能噴灌系統(tǒng)進(jìn)行管理，對(duì)B組(苗床4～6)采用傳統(tǒng)的人工澆灌方法。首先將設(shè)計(jì)的系統(tǒng)及智能移動(dòng)噴灌車按照要求進(jìn)行安裝，在決策服務(wù)器上配置作物幼苗每個(gè)生長(zhǎng)階段的最大土壤濕度Hu和最低土壤濕度Hd，即最佳的生長(zhǎng)濕度為(Hu+Hd)/2，得到每組每天的平均濕度數(shù)據(jù)(表1)。

表1 精度控制試驗(yàn)結(jié)果

平均控制偏差ΔE可表示為

(5)

根據(jù)公式(5)可計(jì)算出A組的平均偏差為1.58%。為了直觀觀察，將得到的表1精度控制試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成可視曲線圖(圖6)。

從圖6可直觀看出，采用本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠很好地控制苗床土壤濕度在設(shè)定的范圍內(nèi)，而采用傳統(tǒng)人工澆灌方法的苗床，土壤濕度時(shí)高時(shí)低，不能做到精確控制。

4.2 噴灑均勻性對(duì)比試驗(yàn)

上邊的數(shù)據(jù)是對(duì)每天的數(shù)據(jù)取平均值得到的，現(xiàn)對(duì)其中1 d(第5天)中2組苗床的一組瞬時(shí)土壤濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得到的噴灑均勻性結(jié)果如表2所示。

表2 噴灑均勻性試驗(yàn)結(jié)果

為了直觀觀察，將表2的噴灑均勻性試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為直觀曲線圖(圖7)。

從圖7可以直觀看出，在某瞬間A組苗床上的各區(qū)域土壤墑情表現(xiàn)均衡，且均在預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)；而B(niǎo)組苗床上各區(qū)域的土壤墑情不僅高低不平，而且還明顯高于預(yù)設(shè)的最高濕度值，容易使幼苗根系濕度過(guò)大，導(dǎo)致病蟲(chóng)害的發(fā)生。

通過(guò)試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，采用本研究技術(shù)的A組幼苗高度整齊，苗徑均勻，成活率比B組的幼苗高9.4%，A組的灌溉用水僅為B組的41.8%，全程不需要人工干預(yù)，操作簡(jiǎn)便，實(shí)現(xiàn)了苗床土壤濕度的精準(zhǔn)控制。

5 結(jié)論與討論

由于溫室幼苗對(duì)土壤濕度有較高的要求，借助無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了適用于溫室苗床的高精度智能噴灌系統(tǒng)，利用濕度傳感器測(cè)量苗床不同區(qū)域的濕度，并由ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)匯聚到?jīng)Q策服務(wù)器進(jìn)行處理，通過(guò)建立的土壤墑情變化模型計(jì)算噴灌需水量。同時(shí)，將需要噴灌的位置坐標(biāo)和指令發(fā)送至智能移動(dòng)噴灌車，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴灌作業(yè)，還可以將肥料或者農(nóng)藥融入水中，進(jìn)行施肥和噴藥。

對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確、通信可靠，與滴管方法相比，節(jié)約了布局大量的地面噴頭，在土壤濕度的調(diào)節(jié)方面比傳統(tǒng)的人工灌溉方式控制更精準(zhǔn)，噴灑更均勻，不僅節(jié)約了用水，而且還節(jié)省了大量的人工，為智能化和精準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

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