基于移動苗床的潮汐式灌溉系統(tǒng)的研究

吳軍輝，黃榮蓉，陳杰*，司慧萍，林開顏，施建鋒，周全

（1.同濟(jì)大學(xué)；2.國家設(shè)施農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心；3.上海設(shè)施農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海200000）

基于移動苗床的潮汐式灌溉系統(tǒng)的研究

吳軍輝1，2，3，黃榮蓉1，陳杰1，2，3*，司慧萍1，2，3，林開顏1，2，3，施建鋒1，2，3，周全1，2，3

（1.同濟(jì)大學(xué)；2.國家設(shè)施農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心；3.上海設(shè)施農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海200000）

潮汐式灌溉是一種利用毛細(xì)原理實(shí)現(xiàn)為植物從根部進(jìn)行灌溉的技術(shù)，該技術(shù)可以避免葉面產(chǎn)生水膜，使葉片接觸更多陽光，促進(jìn)光合作用，提高水肥利用率，易控制相對濕度，減少病蟲害。但目前，國內(nèi)對相關(guān)技術(shù)的研究較少，且整體水平較為落后，相關(guān)的研究論文數(shù)量和專利數(shù)量也較少。基于此種情況，加強(qiáng)潮汐式苗床灌溉系統(tǒng)的研究力度，并且投入到溫室使用，可以使灌溉效率和水分利用率明顯提高，同時(shí)減少氮肥施用。這種基于計(jì)算機(jī)控制來實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物灌溉施肥的系統(tǒng)，將具有廣闊的應(yīng)用前景。

潮汐式；控制系統(tǒng)；苗床；灌溉；觸摸屏

潮汐式苗床灌溉是一種從栽培容器底部進(jìn)行灌溉的技術(shù)。在營養(yǎng)液漲潮時(shí)，植物利用毛細(xì)作用進(jìn)行水分和營養(yǎng)的吸收；營養(yǎng)液在退潮后被回收，經(jīng)過濾和消毒后又可以被循環(huán)利用，達(dá)到節(jié)水省肥的目的。此灌溉系統(tǒng)最早來源于園藝設(shè)施技術(shù)較發(fā)達(dá)的荷蘭［1-2］，后來日本、美國和英國也有同類灌溉產(chǎn)品［3-4］，且正在快速地成為發(fā)達(dá)國家溫室灌溉的主要方式。目前，國內(nèi)很多灌溉系統(tǒng)是從國外直接引進(jìn)的，而潮汐式灌溉應(yīng)用才剛剛開始，與國外相比有一定的差距，同時(shí)也有很大的發(fā)展空間。

在國內(nèi)研究較少的前提下，研究潮汐式苗床灌溉系統(tǒng)就顯得尤為重要。實(shí)現(xiàn)苗床灌溉系統(tǒng)的基本功能是研究出發(fā)點(diǎn)，其開發(fā)流程為：確定灌溉系統(tǒng)組成；確定組成該系統(tǒng)的各個(gè)子模塊及其工作原理；機(jī)械圖設(shè)計(jì)；在機(jī)械實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)；硬件調(diào)試；軟件設(shè)計(jì)；軟件編程，以及軟硬件聯(lián)調(diào)。為了提高系統(tǒng)的自動化程度以及更好地觀測營養(yǎng)液的濃度平衡問題，研究中增加了一塊DGUS觸摸屏，方便實(shí)時(shí)觀察和操作。本文側(cè)重于潮汐苗床灌溉系統(tǒng)的整體介紹，對于苗床的機(jī)械設(shè)計(jì)和灌溉系統(tǒng)的各子系統(tǒng)做了較詳細(xì)的介紹。

1 潮汐式苗床灌溉系統(tǒng)原理介紹

潮汐式苗床灌溉系統(tǒng)主要由移動苗床系統(tǒng)和潮汐式灌溉系統(tǒng)這兩大部分組成。移動式苗床主要包括苗床運(yùn)動機(jī)構(gòu)、栽培苗床和穴盤式栽培容器等。潮汐式灌溉系統(tǒng)主要由營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)（灌溉水箱、回收水箱、沉淀小水池、循環(huán)水泵、管路等）、營養(yǎng)液消毒系統(tǒng)、營養(yǎng)液濃度檢測系統(tǒng)、營養(yǎng)液濃度管理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部分組成。潮汐式苗床灌溉系統(tǒng)的基本組成如圖1所示。

圖1 潮汐式苗床灌溉系統(tǒng)基本原理示意圖

該系統(tǒng)的工作原理是將植盆或穴盤置于栽培床上，濃縮營養(yǎng)液罐中的濃縮營養(yǎng)液在灌溉水箱中與自來水混合，配比成適合灌溉的營養(yǎng)液。該營養(yǎng)液從灌溉水箱被專用循環(huán)電機(jī)和水泵組1抽出送至栽培苗床，將栽培床淹沒2～3厘米的深度。一段時(shí)間后，營養(yǎng)液因毛細(xì)原理上升至穴盤中基質(zhì)的表面，然后打開回液調(diào)節(jié)口，將營養(yǎng)液排出到沉淀小水池，經(jīng)過過濾網(wǎng)除去水中的基質(zhì)纖維等雜質(zhì)［5］，避免引起大多數(shù)作物病害的傳播。營養(yǎng)液消毒后通過電機(jī)和水泵組3使其流到回收水箱中，再通過電機(jī)和水泵機(jī)組2回到灌溉水箱中。在此過程中，營養(yǎng)液經(jīng)過消毒系統(tǒng)消毒，同時(shí)營養(yǎng)液濃度監(jiān)測器檢測營養(yǎng)液濃度，根據(jù)檢測的濃度做出相應(yīng)的營養(yǎng)液濃度配比，方便在栽培苗床需水時(shí)再次灌溉。該系統(tǒng)具有控制精確、工作效率高、省水省肥、多次循環(huán)利用等特點(diǎn)。

2 栽培苗床系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動原理

2.1 移動苗床系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

潮汐式苗床部分主要技術(shù)研究從以下幾點(diǎn)出發(fā)：苗床的輸運(yùn)整體系統(tǒng)研究規(guī)劃和調(diào)度優(yōu)化；單層次苗床結(jié)構(gòu)以及傳動系統(tǒng)研究；多自由度多層次多種類苗床結(jié)構(gòu)以及傳動系統(tǒng)研究；多自由度多層次多種類苗床控制系統(tǒng)研究；苗床的位置檢測和定位控制研究；節(jié)能、高效、精確定位的苗床輸運(yùn)運(yùn)行系統(tǒng)的動力學(xué)控制方法研究。

2.2 移動苗床系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)苗床主體材料主要采用不銹鋼、鍍鋅鋼材及40160型材等。整個(gè)苗床系統(tǒng)需要放在課題組示范溫室里，考慮到體積跟溫室里空間配比問題，單個(gè)單體苗床的大小定制為2265×1045米，比正常的單體苗床小，整個(gè)苗床的體積為13.696×12米，如圖2所示。移動苗床系統(tǒng)主要包括栽培區(qū)域（區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域3）、苗床工作區(qū)域（單氣缸工作區(qū)域和雙氣缸工作區(qū)域），以及移動苗床操作控制區(qū)［6-7］。

圖2 苗床基本組成結(jié)構(gòu)圖一

2.3 移動苗床系統(tǒng)的運(yùn)動原理

苗床系統(tǒng)的最外兩側(cè)設(shè)有X導(dǎo)軌，單體苗床進(jìn)入苗床系統(tǒng)時(shí)沿著X的正方向運(yùn)動，離開苗床系統(tǒng)則沿著X的負(fù)方向運(yùn)動，兩側(cè)的X導(dǎo)軌相當(dāng)于兩個(gè)苗床的運(yùn)輸或輪空區(qū)域。單體苗床在浮動導(dǎo)軌Y1和固定導(dǎo)軌Y2之間形成的新的軌道Y上縱向運(yùn)動，在兩個(gè)新的軌道之間不能進(jìn)行橫向運(yùn)動。另外，苗床系統(tǒng)四周留有兩層苗床的空間余量。

運(yùn)動總體規(guī)劃為：固定軌道X（進(jìn)口）—軌道Y—固定軌道X（出口）。運(yùn)動規(guī)劃時(shí)，苗床沿軌道X橫向一側(cè)進(jìn)入，再進(jìn)行Y縱向運(yùn)動，Y1、Y2或者Y3路徑均可作為選擇，再從另一側(cè)軌道X退出，如圖3所示。

圖3 苗床系統(tǒng)區(qū)域平面圖

2.4 移動苗床系統(tǒng)的裝置特點(diǎn)

該自動移動苗床系統(tǒng)采用短鏈條軌道架拼接的方式，可以標(biāo)準(zhǔn)化、成組化和模塊化生產(chǎn)，從而達(dá)到減小生產(chǎn)成本的效果，同時(shí)也可以減小故障率。推板在短鏈條帶動往返距離縮短，可以減輕移動機(jī)構(gòu)的能耗。推板裝置采用單向柔性推動方式設(shè)計(jì)，也是保證短鏈條軌道架拼接成功的條件之一。支撐板采用型材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)緊湊，架構(gòu)平穩(wěn)，安裝其他零部件比較方便，符合現(xiàn)代設(shè)計(jì)的要求。定桿、浮動桿及兩者之間的連接桿采用凹型槽鋼結(jié)構(gòu)，使單體苗床底部的滾輪設(shè)計(jì)趨于標(biāo)準(zhǔn)簡單化，便于單體苗床滾輪在槽鋼上滑動，運(yùn)行更加平穩(wěn)，如圖4所示。

圖4 苗床基本組成結(jié)構(gòu)圖

3 潮汐式灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其原理

3.1 潮汐灌溉系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)描述

潮汐灌溉系統(tǒng)的核心是營養(yǎng)液的供應(yīng)和循環(huán)，該部分主要由沉淀小水池、回收水箱、灌溉水箱以及多組電機(jī)和水泵組組成。營養(yǎng)液經(jīng)過一次灌溉后回收的廢水需要通過營養(yǎng)液消毒系統(tǒng)及時(shí)消毒，同時(shí)由營養(yǎng)液濃度檢測器實(shí)時(shí)檢測，根據(jù)營養(yǎng)液的情況進(jìn)行相應(yīng)配比。

灌溉系統(tǒng)中的潮汐分為漲潮和退潮兩部分。漲潮部分：在每一個(gè)栽培床的旁邊配置輸送管道，每一根管道都配有電磁閥。灌溉控制器控制電磁閥開啟后，營養(yǎng)液就可以從施肥系統(tǒng)通過管道輸?shù)皆耘嗝绱采?。漲潮需要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成，此時(shí)電磁閥處于閉合狀態(tài)。退潮部分在漲潮工作完成后進(jìn)行：植物經(jīng)過灌溉后，回液調(diào)節(jié)閥開啟，營養(yǎng)液被回收到沉淀小水池內(nèi)，再由灌溉控制器控制水泵啟動將營養(yǎng)液抽回到回收水箱中。

圖5 潮汐式苗床灌溉系統(tǒng)平面圖

如圖5所示，苗床總共設(shè)有27個(gè)苗床電磁閥，通過27個(gè)電磁閥來控制3個(gè)區(qū)域共27個(gè)苗床的灌溉，區(qū)域1：1-9，區(qū)域2：10-18，區(qū)域三：19-27。

自來水管電磁閥的控制：自來水管的電磁閥根據(jù)（4）根據(jù)灌溉水箱液位調(diào)節(jié)閥（3）的信號決定開啟，如果水位偏低，自來水管的電磁閥開啟，如果水位到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)線，電磁閥（4）關(guān)閉，停止進(jìn)水。

苗床電磁閥的控制分為三種情況：情況1，27個(gè)苗床同時(shí)灌溉，苗床灌溉控制電磁閥（1）-（27）同時(shí)開始，灌溉離心泵開始，即電機(jī)和水泵組（1）開始工作，到苗床灌溉時(shí)間結(jié)束，灌溉離心泵停止工作，即電機(jī)和水泵組（1）停止工作；情況2，18個(gè)苗床同時(shí)灌溉，首先，苗床灌溉控制電磁閥（1）-（18）開啟，灌溉離心泵即電機(jī)和水泵組（1）開始工作，到苗床灌溉時(shí)間結(jié)束，電磁閥（1）-（18）關(guān)閉。其次，苗床灌溉控制電磁閥（10）-（27）開啟，灌溉離心泵即電機(jī)和水泵組（1）開始工作，到苗床灌溉時(shí)間結(jié)束，電磁閥（10）-（27）關(guān)閉。最終，苗床灌溉控制電磁閥（1）-（9）和（19）-（27）開啟，灌溉離心泵即電機(jī)和水泵組（1）開始工作，到苗床灌溉時(shí)間結(jié)束，所有苗床灌溉都結(jié)束后，離心泵電機(jī)和水泵組（1）停止工作；情況3，9個(gè)苗床同時(shí)灌溉，首先，苗床灌溉控制電磁閥（1）-（9）開啟，灌溉離心泵即電機(jī)和水泵組（1）開始工作，到苗床灌溉時(shí)間結(jié)束，電磁閥（1）-（9）關(guān)閉。其次，苗床灌溉控制電磁閥（10）-（18）開啟，灌溉離心泵即電機(jī)和水泵組（1）開始工作，到苗床灌溉時(shí)間結(jié)束，電磁閥（10）-（18）關(guān)閉。最終，苗床灌溉控制電磁閥（19）-（27）開啟，灌溉離心泵即電機(jī)和水泵組（1）開始工作，到苗床灌溉時(shí)間結(jié)束，電磁閥（19）-（27）關(guān)閉。所有苗床灌溉都結(jié)束后，離心泵電機(jī)和水泵組（1）停止工作。

沉淀小水池的控制：沉淀小水池的液位到達(dá)浮球及小水池液位調(diào)節(jié)閥（1）規(guī)定的最高高度時(shí)，電機(jī)和電機(jī)組（3）開啟，把小水池的回收液打回到回收水箱，當(dāng)沉淀小水池的液位到達(dá)浮球及小水池液位調(diào)節(jié)閥（1）規(guī)定的最低高度時(shí)，電機(jī)和電機(jī)組（3）關(guān)閉.

臭氧消毒的控制：當(dāng)說有的苗床都灌溉完畢，苗床電磁閥（1）-（27）都關(guān)閉，灌溉離心水泵電機(jī)和水泵組（1）也關(guān)閉時(shí)，打開臭氧消毒泵，同時(shí)開啟臭氧消毒機(jī)和氧氣制備機(jī)，以及氣水射流混合器，進(jìn)行臭氧消毒，時(shí)間約為3小時(shí)。

3.2 潮汐灌溉的營養(yǎng)液消毒系統(tǒng)

臭氧具有良好的消毒效果，本灌溉系統(tǒng)使用臭氧技術(shù)通過射流法對營養(yǎng)液進(jìn)行消毒，由臭氧發(fā)生器、氧氣發(fā)生器、氣水射流混合器、水泵四部分組成。受到臭氧產(chǎn)生條件和部件壽命的影響，臭氧的生成一般都需要對空氣進(jìn)行預(yù)處理或直接采用高濃度氧氣源。本消毒系統(tǒng)由氧氣發(fā)生器產(chǎn)生高濃度氧氣，經(jīng)臭氧發(fā)生器得到的臭氧，再通過射流法與水溶和，最終提供給灌溉水箱。工藝流程為：空氣→氧氣發(fā)生器→臭氧發(fā)生器→臭氧→氣體射流→攪拌泵→消毒［8］，如圖6。

臭氧混合灌是為了增加水和臭氧的溶解，這里用攪拌泵替代了臭氧混合灌的功能，把廢水和臭氧通過水泵送達(dá)灌溉水箱，通過攪拌泵來增加溶解率，最終達(dá)到消毒的目的。

圖6 營養(yǎng)液消毒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 潮汐灌溉的營養(yǎng)液管理系統(tǒng)

營養(yǎng)液管理系統(tǒng)由營養(yǎng)液濃度檢測器、濃縮營養(yǎng)液罐、蠕動泵和營養(yǎng)液控制器組成。營養(yǎng)液濃度檢測系統(tǒng)包括檢測筒、取樣泵、pH傳感器、EC傳感器、營養(yǎng)液液溫和硝態(tài)氮傳感器。pH傳感器的測量范圍0～14.00pH，測量精度0.2級；EC傳感器的測量范圍0～10.0mS.cm-1，營養(yǎng)液液溫測量范圍+2至40℃；硝態(tài)氮傳感器測量范圍0～1000mg/ml，精度為測量值的5%+0.2mg/L；pH的范圍pH5至pH9，操作溫度（空氣）-20至45℃，如圖7。

濃縮營養(yǎng)液罐由四個(gè)營養(yǎng)液罐組成，分別裝有Acid、硝態(tài)氮肥料、微量元素和其他大量元素。營養(yǎng)液需要通過濃度檢測器實(shí)時(shí)檢測EC、pH、硝氮、氯離子濃度和營養(yǎng)液溫度，并在控制端顯示這些參數(shù)。按照營養(yǎng)液檢測結(jié)果，配合控制器上設(shè)置的營養(yǎng)液控制方法和控制參數(shù)，控制蠕動泵的啟動和停止，將四個(gè)濃縮營養(yǎng)液罐中的濃縮營養(yǎng)液噴灑到灌溉水箱里，使得營養(yǎng)液的EC、pH，硝氮維持在設(shè)定的范圍內(nèi)［9］。泵系統(tǒng)設(shè)置有互鎖功能，每一個(gè)泵在工作時(shí)，其余的泵則處在停止?fàn)顟B(tài)。每一種濃縮營養(yǎng)液添加后系統(tǒng)都會設(shè)置一定的穩(wěn)定時(shí)間，經(jīng)過設(shè)置的時(shí)間以后，才會根據(jù)下一步的檢測值啟動后續(xù)濃縮液的添加。

圖7 營養(yǎng)液灌溉控制器、營養(yǎng)液濃縮罐、營養(yǎng)液濃度檢測器、蠕動泵和灌溉水箱

基于硝態(tài)氮濃度控制的營養(yǎng)液控制流程如圖8。

圖8 基于硝態(tài)氮濃度控制的營養(yǎng)液控制流程圖

4 潮汐式苗床灌溉系統(tǒng)的控制部分

整個(gè)控制系統(tǒng)的灌溉部分由主控制電路、I/O采水位輸入電路、繼電器輸出電路、傳感器電路、觸摸屏控制電路和觸摸屏組成，如圖9所示。主控制電路、繼電器輸出電路和觸摸屏控制電路采用宏晶公司的8位微控制器STC15F2K60S2；I/O采水位電路采用SST公司的8位微控制器89E516RD-40-C-PIE；傳感器電路采用WINBOND的8位微控制器W77E58。

圖9 潮汐式灌溉系統(tǒng)的硬件架構(gòu)圖

主控制電路是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)接收I/O采水位信息，包括回收水箱、灌溉水箱及沉淀小水池三個(gè)的液位信息。經(jīng)過主控板CPU處理后，系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)則作出相應(yīng)的決策命令，發(fā)送給繼電器輸出板，執(zhí)行灌溉、回水和消毒等命令。傳感器電路板采集EC、pH和硝氮值，配合營養(yǎng)液管理系統(tǒng)工作。整個(gè)操作都可以在控制系統(tǒng)的電控箱上完成。為了使得操作更加智能化，我們增加了由北京迪文公司生產(chǎn)的DGUS觸摸屏。迪文公司所規(guī)定的通訊協(xié)議和我們開發(fā)的通訊協(xié)議不同，增加Display控制板承擔(dān)協(xié)議翻譯工作，使得彼此之間可以正常通訊，更好地配合整個(gè)系統(tǒng)工作，如圖10。

圖10 控制系統(tǒng)電控箱和苗場實(shí)物圖

5 結(jié)語

潮汐式灌溉系統(tǒng)是一種高效的節(jié)水灌溉技術(shù)，適用于多類盆栽植物的種植，尤其是植物的工廠化育苗。目前，此套基于苗床的灌溉系統(tǒng)的基本功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，正應(yīng)用于同濟(jì)大學(xué)新奧生態(tài)園溫室內(nèi)。系統(tǒng)另外，可以通過觸摸屏設(shè)置自動灌溉模式，操作人員不需等待灌溉結(jié)束才能離開，大大降低了人力成本，且自動化程度相對較高。

潮汐式苗床灌溉系統(tǒng)目前正處于研究階段，國內(nèi)這此的研究也相對較少，體系還不是很完善。在實(shí)現(xiàn)基本實(shí)現(xiàn)功能的前提下，后期還有很多研究工作要做：實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對作物的水肥精準(zhǔn)管理和控制［10］；在Web層實(shí)現(xiàn)對灌溉狀況的觀察和操作，提高操作便捷性；控制系統(tǒng)的通信效率還有待提高；有線式通信布線復(fù)雜，影響苗床的運(yùn)動，可以往無線通信的方向繼續(xù)深入研究等。

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網(wǎng)絡(luò)出版地址：2016/9/188：57：00

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：http：//www.cnki.net/kcms/detail/22.1186.s. 20160918.0857.001.html

由國家設(shè)施農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心和上海設(shè)施農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心資助，國家科技支撐項(xiàng)目（2014BAD05B05）

S223

ADOI編號：10.14025/j.cnki.jlny.2016.18.036

吳軍輝，博士，同濟(jì)大學(xué)，副研究員，研究方向：設(shè)施農(nóng)業(yè)嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的研究；黃榮蓉，在讀碩士研究生，同濟(jì)大學(xué)，研究方向：設(shè)施農(nóng)業(yè)；司慧萍，博士，同濟(jì)大學(xué)，副教授，研究方向：設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究；林開顏，博士，同濟(jì)大學(xué)，講師，研究方向：溫室環(huán)境自動控制，農(nóng)業(yè)計(jì)算機(jī)視覺等領(lǐng)域。

陳杰，博士，同濟(jì)大學(xué)，副教授，研究方向：設(shè)施農(nóng)業(yè)相關(guān)領(lǐng)域的研究。