温室袋培番茄的水肥精准调控系统设计与试验

　　摘 要: 针对温室袋培番茄人工灌溉施肥劳动强度大、水肥资源浪费及智能化程度不高等问题,设计了一套基于光合辐射和袋培番茄所需水肥规律的智能灌溉施肥控制系统。 采用 C#语言对上位机进行开发,用 SQL Server 软件建立了数据库,用 GX Works2 软件对 PLC 程序进行编写,通过上位机调取数据库中传感器实时传输的数据和番茄需水规律计算出灌溉施肥量和灌溉施肥时间,并通过 PLC Monitor Unity 软件改变 PLC 程序中出水泵的工作时间,保证 PLC 每天对番茄进行合理灌溉施肥。 对构建的智能灌溉施肥系统进行了不同时间内的出水量均匀性以及 EC 值、pH 值响应时间试验,结果表明:在 4. 5min 时最低均匀系数为 98. 61% ,在 9min 时最低均匀系数为99. 02% ,在 12min 时最低均匀系数为 99. 16% ,EC 值在系统运行 25s 时稳定,稳定后保持在( 1. 290 ± 0. 03 ) mS /cm 以内,pH 值在系统运行 20s 时稳定,稳定后保持在 6. 00± 0. 07 以内。 针对温室袋培番茄灌溉施肥,系统可根据光合辐射变化制定不同的灌溉施肥量,不仅减轻了人工劳动强度,还具有响应速度快、灌溉施肥精确及所用水肥量符合番茄生长需求的特点。

　　关键词: 灌溉施肥系统; 上位机; 均匀性; 袋培番茄

　　引言

　　人工或者手动灌溉施肥系统对作物进行灌溉施肥,不仅增加人工的劳动强度,还容易造成大量的水肥资源浪费,肥料滥用也会对环境和土壤造成污染。因此,如何利用智能技术和根据不同作物生长需求对作物 进 行 适 时、 适 量 地 灌 溉 施 肥 具 有 重 要 研 究 意义[1-3]。相比其他发达国家,我国的智能灌溉还处于初步研究阶段。

　　目前,国内大多数对于作物灌溉系统的研究都是基于环境因子,或者定时对作物进行灌溉施肥。 黄语燕等[ 4 ] 构建了一套基于温室基质栽培的施肥系统,通过蠕动泵吸取母液肥料,并混合成合适的浓度,通过控制肥液的 EC、pH 值和肥液进入管道的灌溉时间,根据不同作物对水肥的需求实现自动施肥。李雅静等[ 5 ]设计了一种基于 PLC 控制的温室灌溉控制系统,可根据不同植物对水的需求进行分量灌溉。

　　金永 奎 等[ 6 ] 等 设 计 了 一 种 灌 溉、 施 肥、 过 滤 于 一体的全自动灌溉施肥机,并对不同压力效果下的流量及固定压力下不同水肥比例的配比响应时间进行了测试,发现 100 ∶ 1 的水肥比例响应速度为 32s。 王佳明等[ 7 ] 设 计 了 一 种 无 土 栽 培 远 程 控 制 系 统, 以MSP430 单片机作为检测与控制核心,并用 Qt 编程设计了配套的上位机软件,以对作物的灌溉情况进行可视化监控,并采用 GPRS 无线传输技术对上位机和下位机的数据进行同步通信。 试验表明:该系统对 EC值调控误差不超过 0. 11mS / cm,pH 值调控误差不超过 0. 08。 Rahul 等[ 8 ]使用 Event-B 建立了一个智能灌溉系统,基于传感器监测天气情况、土壤条件、蒸发及植物用水的情况进行灌溉。

　　Liao Renkuan[9] 等研究了一种基于实时土壤水分数据的智能灌溉系统,根据土壤水分分布的时空特征对作物耗水情况进行估算,根据得到的数据采用一个中央灌溉控制器进行精确灌溉。笔者根据当日光合有效辐射和基质袋培番茄的需水规律,设计了一套基于 PLC 控制的智能灌溉施肥系统,通过上位机调取当日数据库的数据对番茄进行水肥决策,再将当日的灌溉施肥量换算为水肥灌溉时间,通过修改出水泵工作时间进行控制当日灌溉施肥量;同时,对铺设的管路进行了出水量均匀性及 EC 值和 pH 值的时间响应测试。

　　1 系统组成及工作原理

　　1. 1 系统结构

　　组成水肥一体化自动灌溉施肥系统由下位机 PLC、上位机控制软件、数据库及传感器组成。 PLC 选择的型号为 FX2N-4AD,可提供 4 个模拟量的输入。 上位机软件由 C#语言编写,可以对数据库的数据进行调取和分析,并改变 PLC 程序中的设定值;PLC 通过控制各泵、阀及根据传感器的监测数据,对作物进行灌溉施肥。 数据库由 SQL Server 软件进行创建,通过云平台将数据传入数据表。 环境因子传感器为光合有效辐射传感器,用于设备的传感器有液位检测、EC 值和 pH值检测。

　　1. 2 工作原理

　　当到达灌溉时刻时,上位机软件调取数据库的数据,经过数据分析后,计算出灌溉施肥量,从而计算水泵工作时间,通过 PLC Monitor Unity 软件改变 PLC 程序中所设定的值,以此达到控制灌溉施肥量的目的。在改变 PLC 程序中的设定值后,智能灌溉施肥系统控制吸肥泵、脉冲电磁阀及进水开关吸取 A、B 肥及酸液和清水对溶液进行调节,最后通过管道将肥液送入混肥桶中。

　　脉冲电磁阀为 3 通阀,使吸取的肥液和酸液一部分管道输送至混肥桶,另一部分返还至母液桶,这样可以更好地进行混肥。 EC 值和 pH 值传感器安装于进入混肥桶的管道中,对进入混肥桶中的肥液进行监测,通过传感器监测的 EC 值和 pH 值与预设值比较,达到合理的范围后,开启出水泵,将混肥桶中的肥液输送至番茄根部;灌溉时间结束后,关闭相应的泵、阀和开关。

　　由于基质袋培番茄所需的水肥量会根据光合辐射而变化,根据汤圆强[ 10 ] 等在智能温室番茄栽培管理技术中所建议:肥液由 A、B 肥混合而成,根据不同天气情况及番茄的不同生长阶段,确定了不同的灌溉施肥量和 EC 值、pH 值,而阴雨天和晴天的差别主要在于光合辐射不同。

　　2 系统硬件设计

　　2. 1 管路的铺设

　　根据场地情况对基质袋培番茄的管路和滴箭进行设计、选择与安装。 主管道进水与混肥桶连接,主管道连接 12 根支管进行出水,每根支管均布接入 5 个稳流器,以一出四箭的形式安装滴箭,将 4 根滴箭插于番茄四周的基质上,以保证番茄对营养液是充分吸收。

　　3 系统软件设计

　　3. 1 上位机的设计

　　上位机采用 C#语言在. NET Framework4. 0 环境下进行开发,主要功能是连接数据库并调取数据库中的数据,对其进行分析,从而计算出灌溉施肥量和出水泵工作的时间,通过串口连接 PLC Monitor Unity 软件并对下位机程序定时器设定值进行修改;记录每次的灌溉量,通过 Chart 控件使番茄整个生长阶段每日灌溉施肥量的变化情况可视化。

　　3. 2PLC 控制流程

　　通过设置每日定时灌溉施肥时间,在到达灌溉施肥时刻后,启动 A 肥、B 肥、酸液泵和对应的电磁阀及进水开关,在 EC 值和 pH 值达到合理范围后,启动出水泵,对作物进行灌溉施肥;灌溉施肥时间结束后,关闭各个工作部件。 在肥液超过混肥桶限位时,则关闭进水开关及 A 肥、B 肥、酸液泵和对应的电磁阀,发生故障时则进行报警。

　　4 试验结果分析

　　试验于 2020 年 10 月在新疆农业科学院农业机械化研究所的温室进行,分别进行了出水量均匀性试验和 EC 值、pH 值响应时间试验。

　　4. 1 出水量均匀性试验依次选取第 1、3、5、7、9、11 根支管,并依次选取支管第 1、3、5 个位置作为出水量试验的出水点,分别作为 A 组、B 组和 C 组,共 18 个位置,分别在 4. 5、9、12min 时对每个点的出水量进行测量,对出水量误差和均匀度进行分析。

　　滴箭出水量与管道长度成反比,水流过的管道越长,出水量越少,水流过的管道越短,出水量越多。 这是因为前面的滴箭先有水流经过,所以不同位 置 出 水 量 会 有 一 定 差 距。 由 表 8 可 知: 在 前4. 5min 时,各组出水量误差最大,各组均匀度系数较小。 随着时间的变化,各组误差逐渐变小,且均匀度更高,最高可达 99. 27%。 总体来说,3 个时间段内,各组出水量均匀度系数和误差都在可接受范围内,均匀度系数最低为 98. 61%,最大误差为 3%,能够满足番茄灌溉需求。

　　4. 2 EC、pH 值响应时间试验本试验主要对 EC 值、pH 值达到合理范围的响应时间进行测试,通过各个泵、阀和开关配合工作,使得实际测量值接近预设值,并稳定于合理范围内。 A 肥桶母液的 EC 值为 6. 2mS / cm,B 肥桶母液的 EC 值为3. 9mS / cm,酸液桶的 pH 值为 2. 16,EC 值的预设值设置为 1. 29mS / cm,pH 值的预设值为 6. 0。

　　园艺栽培论文范例：园艺栽培与养护管理技术探析

　　5 结论

　　1)根据温室基质袋培番茄的所需水肥规律及当日的光合有效辐射情况,建立了一套智能灌溉施肥系统,可以减小人工劳动强度和节约水肥资源。

　　2)对智能灌溉系统进行了出水量均匀性试验,结果表明:出水量在 4. 5min 时最大误差为 3%,最低均匀系数为 98. 61%;在 9min 时最大误差为 2%,最低均匀系数为 99. 02%;在 12min 时最大误差为 1. 88%,最低均匀系数为 99. 16%,总体符合作物生长需求。

　　3)对智能灌溉系统进行了 EC 值、pH 值响应时间试验,结果表明:EC 值在 25s 时接近预设值,并进入稳定状态,稳定后 EC 值范围保持在( 1. 290±0. 03) mS /cm 以内;pH 值在 20s 的时候接近预设值,并进入稳定状态,稳定后 pH 值范围保持在 6. 00±0. 07 以内,总体满足要求。

　　参考文献：

　　[1] 王望来,陈梓晖. 浅析农业智能灌溉技术[ J] . 木工机床,2020(4) :17-19.

　　[2] 滕红丽,李承辉,仝浩远,等. 基于无线传感网络的智能节水灌溉系统研究[ J] . 科学技术创新,2021 ( 2) :98 -100.

　　[3] 杨波,魏文政,陈盟,等. 基于神经网络的智能化节水灌溉系统设计研究[ J] . 水利技术监督,2020(5) :44-48.

　　[4] 黄语燕,刘善文,陈永快,等. 温室基质栽培水肥一体化施肥系统的构建[ J] . 江苏农业科学,2019,47(21) :278-281.

　　[5] 李雅静,孟慧,张小青. 基于 PLC 控制系统的温室灌溉系统设计[ J] . 机械工程与自动化,2018(6) :165-166.

　　[6] 金永奎,盛斌科. 一体化全自动灌溉施肥机设计与试验[ J] . 中国农村水利水电,2019(8) :63-68.

　　[7] 王佳明,陈思,荆腾,等. 无土栽培远程灌溉控制系统[ J] . 排灌机械工程学报,2020,38(9) :959-965.

　　作者：韩坤林1, 陈毅飞2, 喻 晨2, 马 艳2, 杨会民2, 蒋永新2