智慧溫室中滴灌控制的研究與設計淺析

李向春，黎雪君，彭 玲，王文婷

（新疆石河子職業(yè)技術學院，新疆石河子 832000）

0 引言

智慧溫室，屬于現代農業(yè)的一個發(fā)展主流，現階段被廣泛應用在規(guī)模較大的溫室生產當中，為溫室大棚實現精確調節(jié)及控制提供幫助，滿足于高質量、增產、增長周期有效調節(jié)、經濟效益全面提高等各項需求。農作物的生長不再受以往季節(jié)限制，可以為我國的現代農業(yè)實現進步發(fā)展提供重要的驅動力。那么，為維持智慧溫室整個環(huán)境當中溫濕度的穩(wěn)定，便需要對這些作物定位滴灌。而為能夠達到更加有效的滴灌控制，則對智慧溫室當中滴灌控制的合理設計開展綜合分析，有著一定的現實意義和價值。

1 智慧溫室概述

所謂智慧溫室，它是集成無線通信及物聯網各項技術建設的一種智能化溫室大棚或自動化的溫室。借助手機及電腦等智能設備，對溫室大棚實施管理，對移動天窗、保溫、遮陽系統、風扇冷卻專項系統、濕窗簾、移動苗床、噴霧灌溉或是滴灌系統等設施設備運行實現自動化的控制，對農業(yè)的溫室環(huán)境實現遠程管理[1]。

2 智慧溫室當中的滴灌控制研究及其設計

2.1 在滴灌控制裝置設計層面

為能夠將滴灌水量精準有效且簡單地確定下來，此次針對盆栽植物的生長期以周作為基本單位予以合理分段，短期性生長因素所致質量變化忽略。把盆栽植物當成是單一區(qū)塊，盆栽環(huán)境之下，根系土層和下層部分土壤當中水分實際交換量則忽略不計，以此獲取可變列式，即ΔM=I-ETe。滴灌控制裝置需要對水分散失的實際變化予以把控，確保ΔM為零，也就是盆栽作物的水分含量始終維持最適宜的有效范圍當中，滴灌水量即為I=ETe。

此次研究選定質量的變化量，對盆栽累積的蒸發(fā)散量進行測定，以此為滴灌水量有效控制的重要依據，并以土壤水分張力計方法作為比較。明確農作物可以正常生長狀態(tài)之下水分的有效范圍，即經24 h重力的自然排水之后容水量到有阻礙農作物生長的土壤相應水分含量形成之間。此次研究選取5個盆栽為試樣，選定淹灌浸泡這一方式，確保其能夠達到一種飽和狀態(tài)，經24 h之后再實行重力的自然排水，獲取有效性水分上限實際對應的一個質量，借由土壤水分張力計實施測量操作，獲取土壤的水分張力（即表征土壤的水分張力實際pF值是1.5～2.0）為對照和作物有效性的水分上限。針對農作物整個生長過程受阻水分點對應pF值是2.4～3.0土壤的水分張力為農作物實際生長過程有效性的水分下限，且對應著質量的相應下限值[2]。定量卻不定時這一灌溉方式之下，固定的灌溉周期明確后，改變灌溉作業(yè)水量往往由氣候的變化因子決定，以農作物實際生長過程當中有效性水分含量的上限為灌溉作業(yè)停止點基本無問題存在，但氣候變化若是呈現較大差異性，則土壤實際有效性的水分含量會逐漸降低到阻礙作物生長處于水分含量下范圍，實行固定的灌溉周期之下這種灌溉方法，往往很難實現對作業(yè)的實時反應[3]。對此，智慧溫室當中滴灌控制層面上，選定固定的灌溉水量和可變動性灌溉周期為主要的灌溉管理實時策略，便于滿足氣候變化下對灌溉周期實時自動調整操作的需求。以盆栽的質量方法為滴灌管理重要依據，那么，結合黑盒子法層面分析，盆栽質量這一方法是處于外部復雜性氣候環(huán)境當中介質水分改變后所致的一種質量變化。故滴灌控制整個系統管控之下有效水分的設計范圍，應當以淹灌浸泡為主要方式，確保盆栽栽培的介質能夠達到一種飽和狀態(tài)，待24 h之后實施重力式自然排水，實際容水量便可為有效的水分含量上限（TAM）。

此次研究以獲取有效的水分上限相對應質量為滴灌控制裝置控管當中滴灌水量的上限。通過試驗方式，選定盆栽處于75.00%上限條件之下的質量值為控管的滴灌水量相應下限，此方式之下，滴灌系統往往不會有多余滲水從盆栽底部位置排出。針對種類不同的溫室盆栽和栽培介質，滴灌控制初期運行階段需要初始化其上限量值，且需要適當調整好控制參數[4]。那么，基于上述控制策略，將下列基本假設制定出來：一是相同溫室內部微氣候基礎條件一致，溫室內部農作物的種類及其生長周期一致，故可認為相同溫室內部農作物的蒸發(fā)散量基本一致，那么，點測1盆便能夠代表著整個溫室，每盆初始的質量即便存在差異性，對差動控制法之下，每盆實際需求滴灌水量不會有過大個體差異產生。二是相同溫室內部以灌溉管線為基礎，將其分割為不同分區(qū)，不同分區(qū)管線實行雙頭給水，故可促使所有分區(qū)相互間水量和水壓層面的差異降低，再對灌溉控制整個系統時間予以微調校正，并對后端管流的差異水量予以補償，確保所有分區(qū)內部前后端的管線實際出水量層面差異進一步下降，達到均勻水量這一目標。選取3個區(qū)域范圍滴灌的盆栽作物為主要控制對象，對灌溉管控功能模塊予以合理設計?？刂撇呗援斨屑僭O灌溉區(qū)內部為同等情況，故僅需配置1套荷重的傳感裝置和一臺加壓泵即可，但此區(qū)域范圍一定要選定目標盆栽為試驗樣本，才可實現自動灌溉目的。試驗灌溉的管控模塊選定1區(qū)范圍指標盆栽的質量變化△w1（所對應栽培土的介質25%有效水分的差值變化）作為基本目標控制。第1區(qū)范圍指標盆栽的質量變化為△w（t1）=△w1條件之下，第1區(qū)范圍執(zhí)行灌溉相應操作，控制裝置程序軟件則自動對灌溉操作整個過程當中所耗費實際灌溉時間△ti實施同步的記憶學習，再以同等灌溉時間ti對第2～3區(qū)范圍實施灌溉操作，獲取灌溉水量△w2i、△w3i。針對滴灌控制裝置總體設計，依照著同區(qū)范圍當中盆栽實際蒸發(fā)散量，對農作物散失水分予以補充，還可借助以往的實踐經驗，借助各種人工微調方式予以合理調整，確保能夠與農作物實際的生長需求相符。適當實行分區(qū)輪灌這一方式，能夠防止大區(qū)域范圍管線的前后端位置水量不均情況出現，同時期內各區(qū)灌溉實際水量能夠達到一致性。

結合上述思路，開發(fā)設計適合應用至智慧溫室當中滴灌控制綜合系統，其內部配置Sharp JW20系列的PLC主機、Tedea-1022的荷重單元、HTS-801型號溫濕度的傳感裝置、LI-COR-200SZ型號的光照度計。該智慧溫室當中滴灌控制綜合系統實操方式以自動、手動這兩種為主[5]。Tedea-1022的荷重單元能夠實現對0～20 kg限定范圍的物體檢測，實際靈敏度達到0.80 kg，所輸出模擬的電流I（4～20 mA）和被物體的質量w（kg）之間屬于線性關系，詳細列式，即w=1.25*I-5。那么，經由PLC與模數轉換裝置（ADC）可獲取數碼D和模擬電流I之間轉換關系式，即D=100*I。結合上述列式，便可獲取盆栽質量w和數碼D相互間轉換列式，即D=80*w+400。從上述列式便可了解到，每位精度為12.50 g。PLC和模數轉換裝置（ADC）聯合之后，ADC負責實施盆栽質量相關模擬信號實時接收，且轉換成PLC內部相應邏輯變量，借助PLC所構建的比較裝置功能，以該邏輯變量的用數值對比方式為多段的對比輸出，產生的控制性邏輯變量為功能需求層面的邏輯驗算。

2.2 在試驗分析層面

此次試驗過程當中，把灌溉區(qū)分為3個不同的栽培區(qū)。針對第1區(qū)內部，選定1個盆栽，對其質量實施測量分析，為盆栽的重要質量指標對象；針對第2或是第3區(qū)，作為驗證的相應對照區(qū)[6]。滴灌控制綜合系統內設連接3個區(qū)當中的壓力泵、電磁閥，且第1區(qū)范圍配置荷重計、溫室內部農作物的環(huán)境區(qū)域溫濕度及光照度計等，對第1區(qū)范圍盆栽有效的水分含量實際上/下限所對應的質量為其初始值。針對第2～3區(qū)范圍荷重計、設施內部作物的環(huán)境區(qū)域溫濕度及光照度量等實際量測值，全部儲存至PLC存儲單元當中。結合定量及不定時性灌溉管理這一策略，借助可編程的控制裝置，經荷重傳感裝置傳回的信號，針對灌溉時間與灌溉水量等實施精準判斷分析，再把操作指令及時輸出至電磁閥當中，同時實現學習記憶，且分區(qū)對每區(qū)執(zhí)行相應的灌溉作業(yè)指令[7]。對定量及不定時這一策略整個實施過程予以詳細記錄，針對第1區(qū)和第2～3區(qū)范圍每次隨機的灌溉量、灌溉次數等予以詳細記錄，便于對滴灌控制裝置功能實際精確性和穩(wěn)定性實施評估分析，此次研究以均方根的誤差（RMSE）為主要的量化值，列式：

式中，n代表第2～3區(qū)內實際灌溉次數；

Δw1代表第1區(qū)范圍指標盆栽的質量變化（kg）；

Δw2i、Δw3i分別代表第2～3區(qū)內每次實際的灌溉水量（kg）。

那么，Penman－Monteith（P-M）方程當中，以溫室內部所用光照度、葉面積的指數（LAI）、蒸汽壓差（VPD）等代表植物的蒸發(fā)散量ET實際速率。試驗過程當中以Penman－Monteith（P-M）方程為基礎，并借助質量方法予以直接測量，以作物的蒸發(fā)散量這一模式作為室內短波光照度和蒸汽壓差基本函數，由此便可獲取盆栽實際蒸發(fā)散熱的質量速率列式：

式中，α和β代表經驗常數，結合作為類別和生長期、溫室狀態(tài)實際環(huán)境情況，確定具體數值；

λ代表水的蒸發(fā)潛熱（J/kg）；

Is代表室內短波輻射量（W/m2）；

VPD代表蒸汽壓差。具體列式：

式中，Ps代表飽和性蒸汽壓（MPa）；

RH代表相對濕度（%）。

此次分別對盆栽型的櫻桃番茄及草莓實際蒸發(fā)散的質量速率，處于蒸發(fā)散量這一模式下的計算結果（y）所對應量測值（x）開展線性的回歸分析，經分析后可確定蒸發(fā)散量這一模式之下驗證評估和蒸發(fā)散的質量速率實測變化基本相一致[8]。3～4天之內LAI基本維持不變，以1天實測數據的擬合參數合理代入原模后，對3天盆栽實際蒸發(fā)散的速率予以計算。溫室當中蒸發(fā)散量簡易模式與基于電子質量通用類型的滴灌控制綜合系統結合后，經驗證評估及分析后發(fā)現，對盆栽型的櫻桃番茄和草莓處于此生長期當中灌溉量的實測值和現場氣候估計值基本相一致。

3 結語

綜上所述，此次研究并開發(fā)設計的智慧溫室當中滴灌控制綜合系統，能夠應用于多種溫室的盆栽作物，控制方式和作物的品種及其生長期不存在關聯性。此次試驗當中，實行質量上/下限的設定基準，主要是為確保環(huán)境當中溫濕度及光照度各層面因素能夠對應著相應蒸發(fā)散量，獲取每日作物動態(tài)化需水量和環(huán)境內部溫濕度、光照度之間對應關系。此次研究設計實行定量及不定時式灌溉控制實施策略，此控制策略能夠為作物適時且適量地提供自身生長所需的水分。定量及不定時這一控制方式之下，可以保證盆栽介質實際水分含量始終維持有效范圍當中，對作物生長十分有利，適宜持續(xù)推廣及應用到溫室設施當中。以差動間隙為控制方法，其比較適宜選定盆栽質量實際減少量測為作物的需水量重要依據。

此次研究設計當中，結合每次量測當中最具代表性盆栽的質量差產生變化，依托可編程的控制技術，將其合理轉換成為內部定時裝置時間差，便于對其余各區(qū)盆栽實際灌溉水量予以精準把控。控制模塊能夠伴隨每次量測的具體情況，及時比對轉換的時間差。那么，此時間差層面對比，以管線當時水量水壓作為基準，并非屬于固定值。此控制模塊當中通過設定相應的校準功能，可對可編程的控制裝置當中定時裝置時間差予以增減操作，便于對各區(qū)實際灌溉水量予以精準把控，可達到對智慧溫室當中農作物的實時及精確化的滴灌控制。