摘 要: 針對溫室袋培番茄人工灌溉施肥勞動強度大、水肥資源浪費及智能化程度不高等問題,設計了一套基于光合輻射和袋培番茄所需水肥規律的智能灌溉施肥控制系統。 采用 C#語言對上位機進行開發,用 SQL Server 軟件建立了數據庫,用 GX Works2 軟件對 PLC 程序進行編寫,通過上位機調取數據庫中傳感器實時傳輸的數據和番茄需水規律計算出灌溉施肥量和灌溉施肥時間,并通過 PLC Monitor Unity 軟件改變 PLC 程序中出水泵的工作時間,保證 PLC 每天對番茄進行合理灌溉施肥。 對構建的智能灌溉施肥系統進行了不同時間內的出水量均勻性以及 EC 值、pH 值響應時間試驗,結果表明:在 4. 5min 時最低均勻系數為 98. 61% ,在 9min 時最低均勻系數為99. 02% ,在 12min 時最低均勻系數為 99. 16% ,EC 值在系統運行 25s 時穩定,穩定后保持在( 1. 290 ± 0. 03 ) mS /cm 以內,pH 值在系統運行 20s 時穩定,穩定后保持在 6. 00± 0. 07 以內。 針對溫室袋培番茄灌溉施肥,系統可根據光合輻射變化制定不同的灌溉施肥量,不僅減輕了人工勞動強度,還具有響應速度快、灌溉施肥精確及所用水肥量符合番茄生長需求的特點。

　　關鍵詞: 灌溉施肥系統; 上位機; 均勻性; 袋培番茄

　　引言

　　人工或者手動灌溉施肥系統對作物進行灌溉施肥,不僅增加人工的勞動強度,還容易造成大量的水肥資源浪費,肥料濫用也會對環境和土壤造成污染。因此,如何利用智能技術和根據不同作物生長需求對作物 進 行 適 時、 適 量 地 灌 溉 施 肥 具 有 重 要 研 究 意義[1-3]。相比其他發達國家,我國的智能灌溉還處于初步研究階段。

　　目前,國內大多數對于作物灌溉系統的研究都是基于環境因子,或者定時對作物進行灌溉施肥。 黃語燕等[ 4 ] 構建了一套基于溫室基質栽培的施肥系統,通過蠕動泵吸取母液肥料,并混合成合適的濃度,通過控制肥液的 EC、pH 值和肥液進入管道的灌溉時間,根據不同作物對水肥的需求實現自動施肥。李雅靜等[ 5 ]設計了一種基于 PLC 控制的溫室灌溉控制系統,可根據不同植物對水的需求進行分量灌溉。

　　金永 奎 等[ 6 ] 等 設 計 了 一 種 灌 溉、 施 肥、 過 濾 于 一體的全自動灌溉施肥機,并對不同壓力效果下的流量及固定壓力下不同水肥比例的配比響應時間進行了測試,發現 100 ∶ 1 的水肥比例響應速度為 32s。 王佳明等[ 7 ] 設 計 了 一 種 無 土 栽 培 遠 程 控 制 系 統, 以MSP430 單片機作為檢測與控制核心,并用 Qt 編程設計了配套的上位機軟件,以對作物的灌溉情況進行可視化監控,并采用 GPRS 無線傳輸技術對上位機和下位機的數據進行同步通信。 試驗表明:該系統對 EC值調控誤差不超過 0. 11mS / cm,pH 值調控誤差不超過 0. 08。 Rahul 等[ 8 ]使用 Event-B 建立了一個智能灌溉系統,基于傳感器監測天氣情況、土壤條件、蒸發及植物用水的情況進行灌溉。

　　Liao Renkuan[9] 等研究了一種基于實時土壤水分數據的智能灌溉系統,根據土壤水分分布的時空特征對作物耗水情況進行估算,根據得到的數據采用一個中央灌溉控制器進行精確灌溉。筆者根據當日光合有效輻射和基質袋培番茄的需水規律,設計了一套基于 PLC 控制的智能灌溉施肥系統,通過上位機調取當日數據庫的數據對番茄進行水肥決策,再將當日的灌溉施肥量換算為水肥灌溉時間,通過修改出水泵工作時間進行控制當日灌溉施肥量;同時,對鋪設的管路進行了出水量均勻性及 EC 值和 pH 值的時間響應測試。

　　1 系統組成及工作原理

　　1. 1 系統結構

　　組成水肥一體化自動灌溉施肥系統由下位機 PLC、上位機控制軟件、數據庫及傳感器組成。 PLC 選擇的型號為 FX2N-4AD,可提供 4 個模擬量的輸入。 上位機軟件由 C#語言編寫,可以對數據庫的數據進行調取和分析,并改變 PLC 程序中的設定值;PLC 通過控制各泵、閥及根據傳感器的監測數據,對作物進行灌溉施肥。 數據庫由 SQL Server 軟件進行創建,通過云平臺將數據傳入數據表。 環境因子傳感器為光合有效輻射傳感器,用于設備的傳感器有液位檢測、EC 值和 pH值檢測。

　　1. 2 工作原理

　　當到達灌溉時刻時,上位機軟件調取數據庫的數據,經過數據分析后,計算出灌溉施肥量,從而計算水泵工作時間,通過 PLC Monitor Unity 軟件改變 PLC 程序中所設定的值,以此達到控制灌溉施肥量的目的。在改變 PLC 程序中的設定值后,智能灌溉施肥系統控制吸肥泵、脈沖電磁閥及進水開關吸取 A、B 肥及酸液和清水對溶液進行調節,最后通過管道將肥液送入混肥桶中。

　　脈沖電磁閥為 3 通閥,使吸取的肥液和酸液一部分管道輸送至混肥桶,另一部分返還至母液桶,這樣可以更好地進行混肥。 EC 值和 pH 值傳感器安裝于進入混肥桶的管道中,對進入混肥桶中的肥液進行監測,通過傳感器監測的 EC 值和 pH 值與預設值比較,達到合理的范圍后,開啟出水泵,將混肥桶中的肥液輸送至番茄根部;灌溉時間結束后,關閉相應的泵、閥和開關。

　　由于基質袋培番茄所需的水肥量會根據光合輻射而變化,根據湯圓強[ 10 ] 等在智能溫室番茄栽培管理技術中所建議:肥液由 A、B 肥混合而成,根據不同天氣情況及番茄的不同生長階段,確定了不同的灌溉施肥量和 EC 值、pH 值,而陰雨天和晴天的差別主要在于光合輻射不同。

　　2 系統硬件設計

　　2. 1 管路的鋪設

　　根據場地情況對基質袋培番茄的管路和滴箭進行設計、選擇與安裝。 主管道進水與混肥桶連接,主管道連接 12 根支管進行出水,每根支管均布接入 5 個穩流器,以一出四箭的形式安裝滴箭,將 4 根滴箭插于番茄四周的基質上,以保證番茄對營養液是充分吸收。

　　3 系統軟件設計

　　3. 1 上位機的設計

　　上位機采用 C#語言在. NET Framework4. 0 環境下進行開發,主要功能是連接數據庫并調取數據庫中的數據,對其進行分析,從而計算出灌溉施肥量和出水泵工作的時間,通過串口連接 PLC Monitor Unity 軟件并對下位機程序定時器設定值進行修改;記錄每次的灌溉量,通過 Chart 控件使番茄整個生長階段每日灌溉施肥量的變化情況可視化。

　　3. 2PLC 控制流程

　　通過設置每日定時灌溉施肥時間,在到達灌溉施肥時刻后,啟動 A 肥、B 肥、酸液泵和對應的電磁閥及進水開關,在 EC 值和 pH 值達到合理范圍后,啟動出水泵,對作物進行灌溉施肥;灌溉施肥時間結束后,關閉各個工作部件。 在肥液超過混肥桶限位時,則關閉進水開關及 A 肥、B 肥、酸液泵和對應的電磁閥,發生故障時則進行報警。

　　4 試驗結果分析

　　試驗于 2020 年 10 月在新疆農業科學院農業機械化研究所的溫室進行,分別進行了出水量均勻性試驗和 EC 值、pH 值響應時間試驗。

　　4. 1 出水量均勻性試驗依次選取第 1、3、5、7、9、11 根支管,并依次選取支管第 1、3、5 個位置作為出水量試驗的出水點,分別作為 A 組、B 組和 C 組,共 18 個位置,分別在 4. 5、9、12min 時對每個點的出水量進行測量,對出水量誤差和均勻度進行分析。

　　滴箭出水量與管道長度成反比,水流過的管道越長,出水量越少,水流過的管道越短,出水量越多。 這是因為前面的滴箭先有水流經過,所以不同位 置 出 水 量 會 有 一 定 差 距。 由 表 8 可 知: 在 前4. 5min 時,各組出水量誤差最大,各組均勻度系數較小。 隨著時間的變化,各組誤差逐漸變小,且均勻度更高,最高可達 99. 27%。 總體來說,3 個時間段內,各組出水量均勻度系數和誤差都在可接受范圍內,均勻度系數最低為 98. 61%,最大誤差為 3%,能夠滿足番茄灌溉需求。

　　4. 2 EC、pH 值響應時間試驗本試驗主要對 EC 值、pH 值達到合理范圍的響應時間進行測試,通過各個泵、閥和開關配合工作,使得實際測量值接近預設值,并穩定于合理范圍內。 A 肥桶母液的 EC 值為 6. 2mS / cm,B 肥桶母液的 EC 值為3. 9mS / cm,酸液桶的 pH 值為 2. 16,EC 值的預設值設置為 1. 29mS / cm,pH 值的預設值為 6. 0。

　　園藝栽培論文范例：園藝栽培與養護管理技術探析

　　5 結論

　　1)根據溫室基質袋培番茄的所需水肥規律及當日的光合有效輻射情況,建立了一套智能灌溉施肥系統,可以減小人工勞動強度和節約水肥資源。

　　2)對智能灌溉系統進行了出水量均勻性試驗,結果表明:出水量在 4. 5min 時最大誤差為 3%,最低均勻系數為 98. 61%;在 9min 時最大誤差為 2%,最低均勻系數為 99. 02%;在 12min 時最大誤差為 1. 88%,最低均勻系數為 99. 16%,總體符合作物生長需求。

　　3)對智能灌溉系統進行了 EC 值、pH 值響應時間試驗,結果表明:EC 值在 25s 時接近預設值,并進入穩定狀態,穩定后 EC 值范圍保持在( 1. 290±0. 03) mS /cm 以內;pH 值在 20s 的時候接近預設值,并進入穩定狀態,穩定后 pH 值范圍保持在 6. 00±0. 07 以內,總體滿足要求。

　　參考文獻：

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　　[2] 滕紅麗,李承輝,仝浩遠,等. 基于無線傳感網絡的智能節水灌溉系統研究[ J] . 科學技術創新,2021 ( 2) :98 -100.

　　[3] 楊波,魏文政,陳盟,等. 基于神經網絡的智能化節水灌溉系統設計研究[ J] . 水利技術監督,2020(5) :44-48.

　　[4] 黃語燕,劉善文,陳永快,等. 溫室基質栽培水肥一體化施肥系統的構建[ J] . 江蘇農業科學,2019,47(21) :278-281.

　　[5] 李雅靜,孟慧,張小青. 基于 PLC 控制系統的溫室灌溉系統設計[ J] . 機械工程與自動化,2018(6) :165-166.

　　[6] 金永奎,盛斌科. 一體化全自動灌溉施肥機設計與試驗[ J] . 中國農村水利水電,2019(8) :63-68.

　　[7] 王佳明,陳思,荊騰,等. 無土栽培遠程灌溉控制系統[ J] . 排灌機械工程學報,2020,38(9) :959-965.

　　作者：韓坤林1, 陳毅飛2, 喻 晨2, 馬 艷2, 楊會民2, 蔣永新2