潮汐式苗床灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳軍輝，黃榮蓉，陳 杰，司慧萍，林開顏，董 淼，鄭 永

(1.同濟(jì)大學(xué) 國家設(shè)施農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 201804；2.同濟(jì)大學(xué) 上海設(shè)施農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 201804；3.同濟(jì)大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程研究院，上海 201804)

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潮汐式苗床灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳軍輝1,2，黃榮蓉3，陳 杰1,2，司慧萍1,2，林開顏1,2，董 淼3，鄭 永3

(1.同濟(jì)大學(xué) 國家設(shè)施農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 201804；2.同濟(jì)大學(xué) 上海設(shè)施農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 201804；3.同濟(jì)大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程研究院，上海 201804)

針對(duì)國內(nèi)農(nóng)業(yè)種植水肥浪費(fèi)嚴(yán)重、耗電多、人工成本高，相關(guān)技術(shù)裝備整體水平落后的現(xiàn)狀，文中提出了一種節(jié)水、節(jié)肥的潮汐式灌溉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)利用植物的毛細(xì)原理，通過漲潮達(dá)到植物根部吸收水肥的目的，落潮時(shí)廢液回收，經(jīng)消毒等處理后可以再次循環(huán)利用，所有功能均由控制系統(tǒng)完成。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，且采用潮汐灌溉方式，其灌溉用水量，耗電量和用工量，分別為人工噴灌的36.13%～44.21%，57.06%～59.64%和18.54%。潮汐式灌溉可以推動(dòng)植物工廠化育苗的發(fā)展，具有良好的應(yīng)用前景。

潮汐式灌溉；控制系統(tǒng)；觸摸屏；栽培實(shí)驗(yàn)

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)。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)液退潮后被回收，經(jīng)過濾和消毒后可以被循環(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[1-4]，日本、美國和英國也有同類灌溉產(chǎn)品[5-6]，已成為發(fā)達(dá)國家溫室灌溉的主要方式。目前，國內(nèi)大部分灌溉系統(tǒng)從國外直接引進(jìn)，而相關(guān)研究處于起步階段。本研究實(shí)現(xiàn)了苗床灌溉系統(tǒng)的自主研發(fā)，集成了灌溉、回收、消毒和營養(yǎng)液配置等功能。系統(tǒng)的開發(fā)流程：電路設(shè)計(jì)及調(diào)試，軟件設(shè)計(jì)及開發(fā)，軟硬件聯(lián)調(diào)。研究中增設(shè)DGUS觸摸屏，方便實(shí)時(shí)觀察和操作，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及原理

系統(tǒng)主要由移動(dòng)式苗床系統(tǒng)和潮汐式灌溉系統(tǒng)兩部分組成。移動(dòng)式苗床系統(tǒng)主要包括苗床運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、栽培床和栽培容器等。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。基本組成如圖1所示。

圖1 潮汐式苗床灌溉系統(tǒng)原理示意圖

系統(tǒng)工作原理：濃縮營養(yǎng)液在灌溉水箱中與水配比成適合灌溉的營養(yǎng)液，由循環(huán)電機(jī)和水泵組1抽送至栽培床，將栽培床淹沒2～3 cm。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，此時(shí)打開回液調(diào)節(jié)閥，將廢液排出至沉淀池，沉淀池上方的過濾網(wǎng)用于除去水中的基質(zhì)纖維等雜質(zhì)[7]，避免引起作物病害的傳播。過濾后的廢液由電機(jī)和水泵組3抽至回收水箱，再經(jīng)由電機(jī)和水泵機(jī)組2回到灌溉水箱。在此過程中，廢液經(jīng)過消毒系統(tǒng)消毒，同時(shí)由濃度監(jiān)測器檢測其濃度，營養(yǎng)液管理控制器根據(jù)檢測的濃度做出相

應(yīng)的濃度配比，用于下一次灌溉。該系統(tǒng)具有控制精確、工作效率高、省水省肥、可循環(huán)利用等特點(diǎn)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由主控制電路、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2所示。主控制板預(yù)留了ZigBee模塊接口，利用CC2530的透傳功能，把數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，通過后臺(tái)管理軟件實(shí)現(xiàn)室內(nèi)監(jiān)控[8-9]。

圖2 潮汐式灌溉系統(tǒng)的硬件架構(gòu)圖

主控制電路作為控制系統(tǒng)的核心，當(dāng)接收到回收水箱、灌溉水箱及沉淀池的液位信息，依據(jù)系統(tǒng)執(zhí)行規(guī)則做出相應(yīng)的決策命令。繼電器輸出板接收命令后，執(zhí)行灌溉、回水和消毒等操作。傳感器電路板采集EC、pH和硝態(tài)氮濃度值，配合營養(yǎng)液管理系統(tǒng)工作。整個(gè)操作在控制系統(tǒng)的電控箱上完成。為了使操作更加智能化，研究使用DGUS觸摸屏，并通過觸摸屏控制板來完成主控制板和觸摸屏之間的通訊任務(wù)。

圖3 控制系統(tǒng)電控箱和苗床實(shí)物圖

2.1 系統(tǒng)主控制板電路設(shè)計(jì)

主控制板電路主要分為電源模塊、時(shí)鐘模塊、存儲(chǔ)模塊、看門狗模塊以及RS485模塊。宏晶的STC15F2K60S2芯片內(nèi)置高可靠復(fù)位電路和ISP編程時(shí)內(nèi)部時(shí)鐘可設(shè)從5～35 MHz，無需外部晶振和復(fù)位。由開關(guān)電源提供的12 V直流電壓經(jīng)過7805穩(wěn)壓芯片獲得5 V電壓VCC。VCC經(jīng)過瓷片電容濾波后獲得5 V穩(wěn)壓為STC芯片、時(shí)鐘芯片DS1302和看門狗芯片IMP813L供電；同時(shí)VCC經(jīng)過穩(wěn)壓器SP1117轉(zhuǎn)成3.3 V，即VCC33，經(jīng)過瓷片電容濾波獲得3.3 V穩(wěn)壓，為存儲(chǔ)芯片AT45和FM24C04供電。如圖4所示，設(shè)計(jì)采用RS485兩線制接線方式，作為總線的雙絞線電纜將各個(gè)子板節(jié)點(diǎn)串聯(lián)起來形成總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，完成與子板的信息交互。

圖4 主控制板原理圖

2.2 系統(tǒng)功能板電路設(shè)計(jì)

采水位輸入板負(fù)責(zé)采集水位信息，輸入板分為輸入模塊和控制模塊兩部分。輸入模塊如圖5所示，系統(tǒng)的水位信息通過二線制測浮球液位開關(guān)采集，浮球開關(guān)為12 V供電，采用TLP521-1光耦隔離器將上下級(jí)電路完全隔離，此時(shí)得到的信號(hào)經(jīng)過單項(xiàng)驅(qū)動(dòng)器74HC244放大后，連接到P0、P1口(16路輸入)，控制模塊和主控制板設(shè)計(jì)思路一致。

圖5 采水位板輸入模塊

繼電器輸出功能板負(fù)責(zé)灌溉、回水和消毒等動(dòng)作的執(zhí)行。通過控制繼電器的閉合達(dá)到弱電控制強(qiáng)電的目的，完成電機(jī)、水泵及電磁閥等開關(guān)的閉合動(dòng)作。輸出模塊如圖6所示，STC15F2K60S2芯片的P0、P1口(16路輸出)輸出低電平，經(jīng)反相器74HC04變成高電平，由非門電路ULN2003驅(qū)動(dòng)后，獲得低電平接入繼電器，達(dá)到控制繼電器的目的。同樣，繼電器輸出功能板的控制模塊的思路和主控制板一致。

圖6 繼電器板輸出模塊

傳感器信息采集板負(fù)責(zé)采集營養(yǎng)液的EC、PH和硝態(tài)氮值，主控制板將接收到的數(shù)據(jù)顯示于觸摸屏上，方便實(shí)時(shí)觀查3個(gè)參數(shù)值的變化。采集板采用8位CMOS微控制器W77E58，和STC系列一樣，該微控制器有兩個(gè)獨(dú)立的全雙工串口，較傳統(tǒng)8051速度提高到1.5～3倍；采用2路RS485通信模塊：一路用于系統(tǒng)電路板間的通訊；一路用于EC、PH和硝態(tài)氮值的采集。觸摸屏控制板負(fù)責(zé)主控制板和觸摸屏的通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換工作。DGUS觸摸屏采用RS232通訊協(xié)議與觸摸屏控制板通訊，觸摸屏控制板采用RS485通訊協(xié)議與主控制板通訊。

3 軟件設(shè)計(jì)

控制板承擔(dān)著各個(gè)功能板之間的任務(wù)分配與統(tǒng)籌工作，采用Polling輪詢機(jī)制。雖然輪詢機(jī)制效率一般，但Polling可以持續(xù)不斷地探測并獲取目標(biāo)，保證主控制板和功能板通訊的穩(wěn)定性和可靠性。

控制板程序設(shè)計(jì)思路：控制板輪詢訪問并獲取各個(gè)功能板的當(dāng)前信息，并按照規(guī)則將決策發(fā)給相應(yīng)的功能板，功能板機(jī)號(hào)包含在發(fā)送的數(shù)據(jù)中，如圖7所示。同時(shí)，定時(shí)器溢出中斷包含兩部分功能：一是軟件復(fù)位看門狗，若程序運(yùn)行出錯(cuò)而導(dǎo)致看門狗未及時(shí)復(fù)位，系統(tǒng)將強(qiáng)制復(fù)位；二是負(fù)責(zé)回流抽水、灌溉和消毒等功能的計(jì)時(shí)?？刂瓢搴凸δ馨逯g采用RS485協(xié)議進(jìn)行通信。功能板的程序思路和控制板大致相同，這里不再贅述。

圖7 系統(tǒng)控制板程序流程圖

4 系統(tǒng)測試及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

4.1 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試的主要任務(wù)是測試系統(tǒng)主控制板與各功能板間的通訊能力，以及觸摸屏與主控制板間的通訊能力[10]。通過示波器來監(jiān)測時(shí)間延遲：發(fā)送端T1和接收端T2之間的時(shí)間差Δt=T2-T1。如圖8可知，波特率越高，主控制板與各功能板之間通訊能力越強(qiáng)(延遲時(shí)間Δt越小)；觸摸屏與主控制板間的通訊能力在RS485波特率為9 600 bit·s-1以及RS232波特率為115 200 bit·s-1時(shí)達(dá)到最佳。同時(shí)，通過轉(zhuǎn)接板把數(shù)據(jù)線連接到PC機(jī)，借助調(diào)試工具進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的通訊測試。設(shè)定連續(xù)多次開關(guān)電源的操作來觀察通訊的穩(wěn)定性。除了第一次數(shù)據(jù)有丟失情況(丟失率40%)，后面數(shù)據(jù)丟失率很小(丟失率1.4%)，由于程序做了數(shù)據(jù)合法性判斷，所以并不影響系統(tǒng)通訊。

4.2 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

灌溉系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，由表1可知，小青菜的潮汐式灌溉用水量，耗電量和用工量，分別為人工噴灌的36.13%，59.64%，18.54%；由表2可知，辣椒潮汐式灌溉用水量，耗電量和用工量，分別是人工噴灌的44.21%，57.06%，18.54%。與傳統(tǒng)灌溉方式相比，潮汐式灌溉可大幅降低用水、用工和耗電量，更好地滿足作物生產(chǎn)水肥需求、增加產(chǎn)量，減少了人工和水肥使用量，降低了生產(chǎn)成本[11-14]。

表1 小青菜生長期內(nèi)不同灌溉方式能耗和用工量的比較

表2 辣椒生長期內(nèi)不同灌溉方能耗和用工量的比較

圖8 數(shù)據(jù)收發(fā)延遲時(shí)間

5 結(jié)束語

潮汐式灌溉系統(tǒng)作為高效節(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，此灌溉系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于同濟(jì)大學(xué)新奧生態(tài)園溫室內(nèi)。通過觸摸屏系統(tǒng)設(shè)置為自動(dòng)灌溉模式時(shí)，操作人員無需等待灌溉結(jié)束即可離開，大幅降低了人力成本，自動(dòng)化程度相對(duì)較高。

本灌溉系統(tǒng)處于研究階段，后期仍有很多研究需要開展：實(shí)現(xiàn)通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)作物的水肥精準(zhǔn)管理和控制[15]；在Web層實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉狀況的觀察和操作，提高操作便捷性；控制系統(tǒng)的通信效率的需要提高；有線式通信布線復(fù)雜，影響苗床的運(yùn)動(dòng)，可以向無線通信的方向繼續(xù)深入研究。

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Design and Realization of the Ebb-and-flow Irrigation Control System

WU Junhui1,2，HUANG Rongrong3，CHEN Jie1,2，SI Huiping1,2，LIN Kaiyan1,2，DONG Miao3，ZHENG Yong3

(1. National Engineering Research Center of Protected Agriculture, Tongji University, Shanghai 201804, China；2.Shanghai Engineering Research Center of Protected Agriculture, Tongji University,Shanghai 201804, China；3. Institute of Modern Agricultural Science & Engineering,Tongji University, Shanghai 201804, China)

Based on the background of serious waste problems of irrigation and fertilization, power consumption, and high labor cost in agriculture, and underdeveloped techniques and equipments, a circuit design of the edd-and-flow irrigation control system with water and fertilizer saving is proposed. This system is a use for the realization of the principle of capillary irrigation techniques from plant roots, plant roots absorb water fertilizer by high tide and waste water can be recovered at low tide, after some treatments can be recycled again, such as disinfection, all functions are accomplished by the control system. Meanwhile ,compared to artificial irrigation ,this method can greatly reduce water, electricity and the consumption of labor by 36.13%～44.21%, 57.06%～59.64%, 18.54%.This irrigation can promote the development of plant seedling in factory, and has a broad application prospect.

edd-and-flow irrigation；control system；touch screen；cultivation experiment

2016- 09- 07

國家科技支撐基金資助項(xiàng)目(2014BAD05B05)

吳軍輝(1974-)，男，博士，副研究員，碩士生導(dǎo)師。研究方向：設(shè)施農(nóng)業(yè)嵌入式系統(tǒng)。黃榮蓉(1991-)，女，碩士研究生。研究方向：設(shè)施農(nóng)業(yè)嵌入式系統(tǒng)。陳杰(1968-)，男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向：設(shè)施農(nóng)業(yè)。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.11.017

TP278

A

1007-7820(2016)11-054-05