單體日光溫室水肥一體化控制系統(tǒng)構建與實現(xiàn)

趙 倩，郭文忠*，李友麗，王琨琦，聶銘君，李銀坤

（1.北京農業(yè)智能裝備技術研究中心，北京 100097；2.西安工業(yè)大學，陜西 西安 710021）

近年來，隨著中國設施農業(yè)的快速發(fā)展，隨水施肥的灌溉方式日益普遍，水肥一體化技術也得到了較為廣泛的應用[1-3]，相對應的關于水肥耦合[4]和精確施肥[5-6]的研究也在逐步細化和完善。但是，針對穩(wěn)定實現(xiàn)控制策略的研究卻相對缺乏。事實上，中國各個地區(qū)設施農業(yè)發(fā)展水平參差不齊，栽培模式多樣復雜，因此，控制決策的穩(wěn)定性和普適性直接決定著水肥一體化技術能否向著更高的層面進一步發(fā)展；同時，在水肥一體化設備的實際推廣應用中，與生產實際需求的結合程度以及設備成本的高低是決定其占領市場的關鍵因素?；诖耍槍误w溫室，著眼于系統(tǒng)實用性和穩(wěn)定性，課題組提出了一種基于水分傳感器的水肥一體化自動控制系統(tǒng)，其工作原理是通過采集和分析現(xiàn)場布置的一系列傳感器數(shù)據(jù)，進行施肥啟動時間和施肥量的智能決策，同時調控灌溉液電導率值，保證肥液隨水均勻適量地供給，滿足作物不同階段的生長發(fā)育需求，持續(xù)為作物創(chuàng)造最佳水分和養(yǎng)分條件，從而達到高產高效、節(jié)本節(jié)工的目的?，F(xiàn)將單體日光溫室水肥一體化自動控制系統(tǒng)的構建與實現(xiàn)介紹如下。

1 系統(tǒng)硬件接口設計

基于水分傳感器的單體日光溫室水肥一體化自動控制系統(tǒng)的核心在于系統(tǒng)能夠根據(jù)采集的田間土壤含水率，判斷作物對水分的耗需情況，據(jù)此計算目標灌溉量，從而發(fā)送指令給核心控制器，自動進行灌溉過程。針對目前大多數(shù)水肥一體化設備控制的目標量均為直接開關型變量的情況，同時考慮到系統(tǒng)長期自動運行的穩(wěn)定性和魯棒性，設計系統(tǒng)以可編程控制器（PLC）為控制核心，擴展模擬量輸入模塊進行傳感器或變送器數(shù)據(jù)的采集和轉換，系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件組成

參照圖1，系統(tǒng)擴展的2個模擬量輸入模塊分別定義為從站1號和從站2號。從站1號預留4路4～20 mA標準電流輸入端口，主要功能是進行作物生長環(huán)境信息的采集，可依次連接水分傳感器、光照強度傳感器、環(huán)境溫度傳感器和環(huán)境濕度傳感器。從站2號預留4路4～20 mA標準電流輸入端口，主要功能是進行灌溉液信息的采集，可依次連接母液桶液位傳感器、灌溉液EC值傳感器、灌溉液pH傳感器和流量計。輸入端預留3路開關量端口，分別為手動、自動模式旋鈕輸入和快速灌溉按鈕輸入。輸出端預留16路開關量端口，其中，通道1預留為通過交流接觸器控制380 V灌溉水泵，通道2預留為通過中間繼電器控制220 V灌溉水泵，通道3～7預留為文丘里管負壓吸肥通道上安裝的5路吸肥加酸吸藥閥門，通道8～15預留為田間8區(qū)支路電磁閥，通道16預留為蜂鳴報警輸出。此外，系統(tǒng)還配置一個本地監(jiān)控觸摸屏和一個中控上位機。其中，本地監(jiān)控觸摸屏用來現(xiàn)場設置部分控制參數(shù)；中控上位機與本地觸摸屏通訊，定時抓取數(shù)據(jù)實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能。

2 系統(tǒng)控制邏輯實現(xiàn)

基于水分傳感器的單體日光溫室水肥一體化自動控制系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的時間控制器，它將實時采集的氣象因子數(shù)據(jù)和土壤實際含水率數(shù)據(jù)與用戶根據(jù)當?shù)匾酝a經驗自主交互的預設值進行比較，實現(xiàn)滿足特定條件時的啟動控制、根據(jù)作物所處環(huán)境條件計算灌溉量和灌溉過程中電導率值的實時調控。根據(jù)以上控制要求，設計系統(tǒng)由啟動控制、灌溉量控制及灌溉液電導率調控3部分組成。其中，啟動控制原理為基于水分傳感器采集的土壤實際含水率進行邏輯判斷，啟動設備或監(jiān)控等；灌溉量控制原理為根據(jù)控制模型決策出計算灌溉量，并實時監(jiān)測實際灌溉流量，以此為依據(jù)控制實際灌溉流量與計算灌溉量相同；灌溉液濃度控制原理為根據(jù)電導率傳感器監(jiān)測的灌溉液濃度與預設閾值上下限關系，執(zhí)行打開或關閉吸肥電磁閥的動作，以保證肥料隨水灌溉、均勻供給?？刂圃砣鐖D2所示。

為了更好地結合實際生產需求和管理，考慮到氣象因子參數(shù)對灌溉的影響及各個地方生產管理的差異，系統(tǒng)設計在啟動控制環(huán)節(jié)增加了光照強度臨界值和啟動灌溉時刻兩個交互參數(shù)，以提高策略普適性和灌溉合理性。完整的自動控制流程為：首先，系統(tǒng)上電后，在水肥一體化首部的本地監(jiān)控觸摸屏上預設光照啟動臨界值、啟動灌溉時刻和水分控制下限；系統(tǒng)實時采集溫室內光照強度值和土壤實際含水率，并通過軟件將啟動灌溉時刻與預設值進行比較，從而產生啟動驅動信號，打開相關執(zhí)行器件，并產生啟動標志。其次，系統(tǒng)接收到啟動標志后，進入灌溉量控制過程，該過程首先基于土壤水分傳感器的控制模型決策出計算灌溉量，然后與流量計監(jiān)測的本次灌溉量相比較，產生停止驅動信號，關閉相關執(zhí)行器件，并產生停止標志。同時，灌溉液濃度實時控制由啟動控制產生的標志位啟動，由灌溉量控制產生的標志位停止；調控過程中，面向表征濃度的電導率（EC）值進行閾值開關控制。3個部分彼此獨立，僅通過標志位的改變來啟動和停止過程，減少了模塊交叉可能引起的干擾，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。具體的控制流程如圖3所示。

圖2 基于水分傳感器的水肥一體化自動控制原理

圖3 自動控制程序流程圖

3 系統(tǒng)其他功能

系統(tǒng)充分結合生產與生產管理者的實際需求，開發(fā)了半自動灌溉、數(shù)據(jù)存儲與歷史查詢、自動攪拌及報警等功能。

3.1 半自動灌溉模式

在我國，設施農業(yè)生產一線的絕大部分人員年齡在50歲以上，他們從事生產管理工作幾十年，已積攢了豐富的經驗，形成了固有的生產管理模式，包括水肥管理，讓其接受全自動水肥管控方式需要一定過程。因此，結合其現(xiàn)有水肥管理方式，開發(fā)了一種人為干預灌溉量或灌溉時長的半自動管理模式，即生產人員在對應參數(shù)設置區(qū)輸入本次灌溉量或灌溉時長，按下面板上“快速灌溉”按鈕，系統(tǒng)啟動灌溉，在達到灌溉量或灌溉時長時自動結束灌溉。半自動模式下的灌溉過程如圖4所示。

3.2 實時存儲和查詢歷史數(shù)據(jù)

為了給園區(qū)管理者或技術人員的后續(xù)管理提供依據(jù)，同時便于生理病害發(fā)生后及時進行病情診斷，系統(tǒng)提供歷史數(shù)據(jù)存儲和查詢功能，如圖5所示。

3.3 母液自動攪拌

在常規(guī)生產中，配制母液一般是先將水溶性肥料加入一個容器中，手動攪拌使其充分溶解后，再倒入母液桶中，此溶解過程繁瑣、費工費時。我們在母液桶中安裝攪拌器，并通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)了自動攪拌功能。一方面，當系統(tǒng)檢測到缺肥信號時，自動向母液桶內補充定量清水，生產人員只需添加一定量水溶性肥，再按下面板上的“攪拌”按鈕，系統(tǒng)即可啟動攪拌系統(tǒng)，充分攪拌至肥料完全溶解；另一方面，為了使水肥均一性更好，系統(tǒng)在灌溉過程中打開造浪泵，以保證肥液隨水均勻供給。

3.4 異常報警提示

系統(tǒng)針對已獲得灌溉需求的信號或已經產生灌溉行為時園區(qū)出現(xiàn)的不能正常供水的偶然現(xiàn)象或者缺肥現(xiàn)象，增加了異常報警提示功能，即在短時的轟鳴報警聲后跳出警示界面。

圖4 半自動模式下的灌溉過程

圖5 歷史數(shù)據(jù)存儲和查詢

4 小結

該單體日光溫室水肥一體化控制系統(tǒng)連接土壤含水率、光照強度等傳感器，可實時獲取相關信息，并判斷作物水分的耗需情況，實現(xiàn)水肥的自動管理。在系統(tǒng)設計上以可編程控制器（PLC）為核心，擴展模擬量輸入模塊進行傳感器或變送器數(shù)據(jù)的采集和轉換，實現(xiàn)了決策參數(shù)可輸入，決策指標數(shù)據(jù)可實時獲取、傳輸、分析及存儲，使該系統(tǒng)在生產應用上具有廣適性，水分管理更符合作物實際的需求規(guī)律。在控制邏輯實現(xiàn)上，以基于水分傳感器的模型控制方法為核心，結合作物水肥需求規(guī)律、土壤含水率及其他環(huán)境因子等因素的影響，適時適量為作物生長提供水分和養(yǎng)分，較好地實現(xiàn)了啟動、灌溉量和肥液濃度的協(xié)同控制。與常規(guī)經驗的灌溉管理模式相比，該系統(tǒng)可節(jié)省勞動力15%～20%，提高灌溉水利用效率50%以上，增產10%以上，有效地提高了生產效益和資源利用率。

目前，該單體日光溫室水肥一體化控制系統(tǒng)在日光溫室生產中應用，實現(xiàn)了作物水肥自動管理。但是，在我國日光溫室土壤栽培中，土壤類型多樣、均勻性較差，這對土壤水分傳感器的適用性和穩(wěn)定性有較高要求，所以針對傳感器的選擇或補償漂移算法的相關工作有待開展。同時，應用中發(fā)現(xiàn)溫室環(huán)境條件（如高溫、高濕）的特殊性使系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準確性及使用壽命在一定程度上受到了影響，基于此將在系統(tǒng)硬件設計和控制邏輯實現(xiàn)上進一步優(yōu)化，提高該單體日光溫室水肥一體化控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、管理精度及設備的使用壽命。

[1] 李加念,洪添勝,馮瑞玨,等.柑橘園水肥一體化滴灌自動控制裝置的研制[J].農業(yè)工程學報,2012(10): 91-97.

[2] 袁洪波,程曼,龐樹杰,等.日光溫室水肥一體灌溉循環(huán)系統(tǒng)構建及性能試驗[J].農業(yè)工程學報,2014(12):72-78.

[3] 倪宏正,尤春,倪偉.設施蔬菜水肥一體化技術應用[J].中國園藝文摘,2013(4):140-141.

[4] 何進宇,田軍倉.膜下滴灌旱作水稻水肥耦合模型及組合方案優(yōu)化[J].農業(yè)工程學報,2015(13):77-82.

[5] 李加念,洪添勝,馮瑞玨,等.基于脈寬調制的文丘里變量施肥裝置設計與試驗[J].農業(yè)工程學報,2012(8):105-110.

[6] 馬偉,王秀,劉傳,等.單穴水肥一體均勻定量施肥裝置的開發(fā)[J].溫室園藝,2015(16): 32-33.