反季刺嫩芽水肥一體化控制系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

摘要：為保證反季刺嫩芽生產(chǎn)過程中水肥的精準(zhǔn)供給，推動(dòng)刺嫩芽滿足反季節(jié)市場(chǎng)需求，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)研發(fā)出適用于反季刺嫩芽生產(chǎn)的水肥一體化控制系統(tǒng)，并分析反季刺嫩芽生產(chǎn)中的水肥智能管控策略。研究表明，反季刺嫩芽生產(chǎn)水肥一體化控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性強(qiáng)、易于操作，能夠?yàn)榉醇敬棠垩康纳a(chǎn)提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：刺嫩芽； 水肥一體化； 自動(dòng)化； 反季生產(chǎn)

中圖分類號(hào)：S224 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2024）03-0061-02

刺嫩芽[Aralia elata（Miq.）Seem.]是一種具有高營養(yǎng)價(jià)值和藥用價(jià)值的多年生草本植物[1-2]。由于刺嫩芽傳統(tǒng)的露天種植方式受季節(jié)和氣候條件的限制，無法滿足市場(chǎng)對(duì)刺嫩芽全年供應(yīng)的需求，刺嫩芽溫室反季節(jié)種植技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。在反季節(jié)生產(chǎn)過程中，合理的水肥管控對(duì)刺嫩芽產(chǎn)量和品質(zhì)影響較大[3-4]，但當(dāng)前反季刺嫩芽生產(chǎn)過程的水肥管理和操作存在調(diào)控響應(yīng)不及時(shí)、自動(dòng)化程度低、生產(chǎn)效率低等問題。因此，在反季刺嫩芽生產(chǎn)中開展水肥一體化技術(shù)具有重要意義。水肥一體化技術(shù)利用管道灌溉系統(tǒng)，將肥料溶解在水中進(jìn)行灌溉與施肥，可適時(shí)、適量滿足作物對(duì)水分和養(yǎng)分的需求，有利于實(shí)現(xiàn)水肥同步管理[5]。目前已有較多關(guān)于水肥一體化技術(shù)在葡萄、藍(lán)莓、棉花、果樹等生產(chǎn)中的應(yīng)用研究[6-7]，但較少針對(duì)反季刺嫩芽生產(chǎn)中的水肥管控進(jìn)行分析[8]。研究結(jié)合刺嫩芽的生長(zhǎng)特性和生產(chǎn)中對(duì)水肥的需求來制定水肥智能控制方式，同時(shí)研制出適用于反季刺嫩芽生產(chǎn)的水肥一體化設(shè)備及物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制平臺(tái)，以期為刺嫩芽的規(guī)?；⒏咝Щa(chǎn)提供技術(shù)支持。

1 反季刺嫩芽生產(chǎn)的水肥一體化控制系統(tǒng)

反季刺嫩芽生產(chǎn)水肥一體化控制系統(tǒng)由水肥一體化設(shè)備及物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制平臺(tái)組成，可支持本地自動(dòng)及手動(dòng)灌溉施肥和遠(yuǎn)程手動(dòng)控制灌溉施肥，灌溉施肥數(shù)據(jù)可以在本地和云端存儲(chǔ)，以便于后期分析、追溯及決策調(diào)整。系統(tǒng)框架由控制、電氣執(zhí)行、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳感4個(gè)模塊組成，如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件由可編程邏輯控制器、觸摸屏、數(shù)據(jù)傳輸器、支架、過濾器、施肥泵、兌肥泵、灌溉泵、電磁閥、排水閥、兌肥管路、灌溉施肥管路、排水管路、流量計(jì)、液位傳感器等組成。

1.2.1 可編程邏輯控制器

可編程邏輯控制器（PLC）是微流量控制施肥裝置的核心。綜合考慮性能、成本及研究設(shè)備的輸出需求，選用中達(dá)優(yōu)控的JT3U系列控制板。該控制板集成16路輸入和16路繼電器輸出，有2路RS-485通信接口，同時(shí)有10路模擬量輸入，功能齊全，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)控制和傳感器數(shù)據(jù)采集。

1.2.2 觸摸屏

觸摸屏可顯示控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行數(shù)據(jù)及環(huán)境數(shù)據(jù)。選用信捷TG765超薄系列觸摸屏。該觸摸屏具有7英寸薄膜晶體管（TFT）液晶顯示器和發(fā)光二極管（LED），支持1 677萬色，畫質(zhì)細(xì)膩無痕，具有128 MB的存儲(chǔ)容量，可實(shí)現(xiàn)下載、啟動(dòng)、運(yùn)行三位一體的超高速響應(yīng)。

1.2.3 水泵

水泵是水肥一體化灌溉施肥裝置運(yùn)送作物所需水和液體肥料的動(dòng)力源，水泵的質(zhì)量決定了施肥裝置的性能。綜合考慮出水量、量程、尺寸及成本，選用增壓自吸離心泵用于施肥，選用潛水泵用于兌肥和攪拌。

1.2.4 傳感器

傳感器用于監(jiān)測(cè)刺嫩芽生產(chǎn)中的環(huán)境參數(shù)，以此來進(jìn)行水肥管控。傳感器參數(shù)見表1。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由PLC程序和觸摸屏程序組成，這兩部分程序通過軟元件寄存器進(jìn)行鏈接，可實(shí)現(xiàn)程序變量的共享與互通。PLC程序的開發(fā)環(huán)境為GX Works2，可以在Windows操作系統(tǒng)下運(yùn)行，施肥、灌溉、兌肥、異常處理、傳感器數(shù)據(jù)的采集功能均由PLC程序?qū)崿F(xiàn)。觸摸屏程序的開發(fā)環(huán)境為TouchWin，組態(tài)功能強(qiáng)大，操作簡(jiǎn)單，通過USB-B下載口能夠?qū)indows環(huán)境下編寫的程序下載到觸摸屏，可實(shí)現(xiàn)水肥一體機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)控制。傳感器能夠同時(shí)對(duì)自動(dòng)及手動(dòng)灌溉、施肥等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如灌溉施肥量、啟動(dòng)時(shí)間等。

2 反季刺嫩芽生產(chǎn)中的水肥智能管控策略

2.1 刺嫩芽的水肥管控要求

水管理要求：對(duì)于無基質(zhì)水插栽培方式，應(yīng)使栽培槽內(nèi)的水位保持在5～7 cm，每3～5 d更換一次栽培槽內(nèi)的水；對(duì)于有基質(zhì)畦插栽培方式，每3 d澆一次水。

肥管理要求：根據(jù)刺嫩芽生長(zhǎng)狀態(tài)來確定噴施液體肥和植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑的用量，推薦量為整個(gè)生育期內(nèi)施氮磷鉀復(fù)合肥25～50 kg。

2.2 刺嫩芽的水肥智能管控策略

水管控策略：對(duì)于無基質(zhì)水插栽培方式，當(dāng)水位傳感器檢測(cè)到栽培槽內(nèi)的水位低于5 cm時(shí)，會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)灌溉模式，直到水位傳感器檢測(cè)到栽培槽內(nèi)的水位高度達(dá)到7 cm時(shí)停止灌溉；對(duì)于有基質(zhì)畦插栽培方式，定時(shí)定量灌溉，每3 d灌溉定量的水。肥管控策略：使用水肥機(jī)定時(shí)定量進(jìn)行養(yǎng)分管理，建議每日9∶00噴施氮磷鉀復(fù)合肥0.56～1.11 kg/667 m2。

3 結(jié)語

研制的針對(duì)反季刺嫩芽生產(chǎn)的水肥一體化控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)刺嫩芽的具體生長(zhǎng)階段、基質(zhì)條件及水培環(huán)境的水質(zhì)狀況的監(jiān)控結(jié)果來實(shí)現(xiàn)對(duì)水肥溶液的精確調(diào)控和定時(shí)定量供給，有效提升了水肥的利用效率，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，可為反季刺嫩芽的栽培提供智能化技術(shù)支撐。

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