趙 倩，郭文忠*，李友麗，王琨琦，聶銘君，李銀坤

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

近年來(lái)，隨著中國(guó)設(shè)施農(nóng)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(shù)也得到了較為廣泛的應(yīng)用[1-3]，相對(duì)應(yīng)的關(guān)于水肥耦合[4]和精確施肥[5-6]的研究也在逐步細(xì)化和完善。但是，針對(duì)穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)控制策略的研究卻相對(duì)缺乏。事實(shí)上，中國(guó)各個(gè)地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展水平參差不齊，栽培模式多樣復(fù)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(shù)能否向著更高的層面進(jìn)一步發(fā)展；同時(shí)，在水肥一體化設(shè)備的實(shí)際推廣應(yīng)用中，與生產(chǎn)實(shí)際需求的結(jié)合程度以及設(shè)備成本的高低是決定其占領(lǐng)市場(chǎng)的關(guān)鍵因素?；诖?，針對(duì)單體溫室，著眼于系統(tǒng)實(shí)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(dòng)控制系統(tǒng)，其工作原理是通過(guò)采集和分析現(xiàn)場(chǎng)布置的一系列傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行施肥啟動(dòng)時(shí)間和施肥量的智能決策，同時(shí)調(diào)控灌溉液電導(dǎo)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(zhǎng)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(dá)到高產(chǎn)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(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)介紹如下。

1 系統(tǒng)硬件接口設(shè)計(jì)

基于水分傳感器的單體日光溫室水肥一體化自動(dòng)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(duì)水分的耗需情況，據(jù)此計(jì)算目標(biāo)灌溉量，從而發(fā)送指令給核心控制器，自動(dòng)進(jìn)行灌溉過(guò)程。針對(duì)目前大多數(shù)水肥一體化設(shè)備控制的目標(biāo)量均為直接開(kāi)關(guān)型變量的情況，同時(shí)考慮到系統(tǒng)長(zhǎng)期自動(dòng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和魯棒性，設(shè)計(jì)系統(tǒng)以可編程控制器（PLC）為控制核心，擴(kuò)展模擬量輸入模塊進(jìn)行傳感器或變送器數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件組成

參照?qǐng)D1，系統(tǒng)擴(kuò)展的2個(gè)模擬量輸入模塊分別定義為從站1號(hào)和從站2號(hào)。從站1號(hào)預(yù)留4路4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸入端口，主要功能是進(jìn)行作物生長(zhǎng)環(huán)境信息的采集，可依次連接水分傳感器、光照強(qiáng)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(hào)預(yù)留4路4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸入端口，主要功能是進(jìn)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(jì)。輸入端預(yù)留3路開(kāi)關(guān)量端口，分別為手動(dòng)、自動(dòng)模式旋鈕輸入和快速灌溉按鈕輸入。輸出端預(yù)留16路開(kāi)關(guān)量端口，其中，通道1預(yù)留為通過(guò)交流接觸器控制380 V灌溉水泵，通道2預(yù)留為通過(guò)中間繼電器控制220 V灌溉水泵，通道3～7預(yù)留為文丘里管負(fù)壓吸肥通道上安裝的5路吸肥加酸吸藥閥門(mén)，通道8～15預(yù)留為田間8區(qū)支路電磁閥，通道16預(yù)留為蜂鳴報(bào)警輸出。此外，系統(tǒng)還配置一個(gè)本地監(jiān)控觸摸屏和一個(gè)中控上位機(jī)。其中，本地監(jiān)控觸摸屏用來(lái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置部分控制參數(shù)；中控上位機(jī)與本地觸摸屏通訊，定時(shí)抓取數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

2 系統(tǒng)控制邏輯實(shí)現(xiàn)

基于水分傳感器的單體日光溫室水肥一體化自動(dòng)控制系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的時(shí)間控制器，它將實(shí)時(shí)采集的氣象因子數(shù)據(jù)和土壤實(shí)際含水率數(shù)據(jù)與用戶根據(jù)當(dāng)?shù)匾酝a(chǎn)經(jīng)驗(yàn)自主交互的預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)滿足特定條件時(shí)的啟動(dòng)控制、根據(jù)作物所處環(huán)境條件計(jì)算灌溉量和灌溉過(guò)程中電導(dǎo)率值的實(shí)時(shí)調(diào)控。根據(jù)以上控制要求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)由啟動(dòng)控制、灌溉量控制及灌溉液電導(dǎo)率調(diào)控3部分組成。其中，啟動(dòng)控制原理為基于水分傳感器采集的土壤實(shí)際含水率進(jìn)行邏輯判斷，啟動(dòng)設(shè)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(jì)算灌溉量，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)際灌溉流量，以此為依據(jù)控制實(shí)際灌溉流量與計(jì)算灌溉量相同；灌溉液濃度控制原理為根據(jù)電導(dǎo)率傳感器監(jiān)測(cè)的灌溉液濃度與預(yù)設(shè)閾值上下限關(guān)系，執(zhí)行打開(kāi)或關(guān)閉吸肥電磁閥的動(dòng)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(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求和管理，考慮到氣象因子參數(shù)對(duì)灌溉的影響及各個(gè)地方生產(chǎn)管理的差異，系統(tǒng)設(shè)計(jì)在啟動(dòng)控制環(huán)節(jié)增加了光照強(qiáng)度臨界值和啟動(dòng)灌溉時(shí)刻兩個(gè)交互參數(shù)，以提高策略普適性和灌溉合理性。完整的自動(dòng)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(yù)設(shè)光照啟動(dòng)臨界值、啟動(dòng)灌溉時(shí)刻和水分控制下限；系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集溫室內(nèi)光照強(qiáng)度值和土壤實(shí)際含水率，并通過(guò)軟件將啟動(dòng)灌溉時(shí)刻與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，從而產(chǎn)生啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，打開(kāi)相關(guān)執(zhí)行器件，并產(chǎn)生啟動(dòng)標(biāo)志。其次，系統(tǒng)接收到啟動(dòng)標(biāo)志后，進(jìn)入灌溉量控制過(guò)程，該過(guò)程首先基于土壤水分傳感器的控制模型決策出計(jì)算灌溉量，然后與流量計(jì)監(jiān)測(cè)的本次灌溉量相比較，產(chǎn)生停止驅(qū)動(dòng)信號(hào)，關(guān)閉相關(guān)執(zhí)行器件，并產(chǎn)生停止標(biāo)志。同時(shí)，灌溉液濃度實(shí)時(shí)控制由啟動(dòng)控制產(chǎn)生的標(biāo)志位啟動(dòng)，由灌溉量控制產(chǎn)生的標(biāo)志位停止；調(diào)控過(guò)程中，面向表征濃度的電導(dǎo)率（EC）值進(jìn)行閾值開(kāi)關(guān)控制。3個(gè)部分彼此獨(dú)立，僅通過(guò)標(biāo)志位的改變來(lái)啟動(dòng)和停止過(guò)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(dòng)控制原理

圖3 自動(dòng)控制程序流程圖

3 系統(tǒng)其他功能

系統(tǒng)充分結(jié)合生產(chǎn)與生產(chǎn)管理者的實(shí)際需求，開(kāi)發(fā)了半自動(dòng)灌溉、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與歷史查詢、自動(dòng)攪拌及報(bào)警等功能。

3.1 半自動(dòng)灌溉模式

在我國(guó)，設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一線的絕大部分人員年齡在50歲以上，他們從事生產(chǎn)管理工作幾十年，已積攢了豐富的經(jīng)驗(yàn)，形成了固有的生產(chǎn)管理模式，包括水肥管理，讓其接受全自動(dòng)水肥管控方式需要一定過(guò)程。因此，結(jié)合其現(xiàn)有水肥管理方式，開(kāi)發(fā)了一種人為干預(yù)灌溉量或灌溉時(shí)長(zhǎng)的半自動(dòng)管理模式，即生產(chǎn)人員在對(duì)應(yīng)參數(shù)設(shè)置區(qū)輸入本次灌溉量或灌溉時(shí)長(zhǎng)，按下面板上“快速灌溉”按鈕，系統(tǒng)啟動(dòng)灌溉，在達(dá)到灌溉量或灌溉時(shí)長(zhǎng)時(shí)自動(dòng)結(jié)束灌溉。半自動(dòng)模式下的灌溉過(guò)程如圖4所示。

3.2 實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和查詢歷史數(shù)據(jù)

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

3.3 母液自動(dòng)攪拌

在常規(guī)生產(chǎn)中，配制母液一般是先將水溶性肥料加入一個(gè)容器中，手動(dòng)攪拌使其充分溶解后，再倒入母液桶中，此溶解過(guò)程繁瑣、費(fèi)工費(fèi)時(shí)。我們?cè)谀敢和爸邪惭b攪拌器，并通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)攪拌功能。一方面，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到缺肥信號(hào)時(shí)，自動(dòng)向母液桶內(nèi)補(bǔ)充定量清水，生產(chǎn)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(dòng)攪拌系統(tǒng)，充分?jǐn)嚢柚练柿贤耆芙猓涣硪环矫?，為了使水肥均一性更好，系統(tǒng)在灌溉過(guò)程中打開(kāi)造浪泵，以保證肥液隨水均勻供給。

3.4 異常報(bào)警提示

系統(tǒng)針對(duì)已獲得灌溉需求的信號(hào)或已經(jīng)產(chǎn)生灌溉行為時(shí)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(bào)警提示功能，即在短時(shí)的轟鳴報(bào)警聲后跳出警示界面。

圖4 半自動(dòng)模式下的灌溉過(guò)程

圖5 歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢

4 小結(jié)

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(qiáng)度等傳感器，可實(shí)時(shí)獲取相關(guān)信息，并判斷作物水分的耗需情況，實(shí)現(xiàn)水肥的自動(dòng)管理。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上以可編程控制器（PLC）為核心，擴(kuò)展模擬量輸入模塊進(jìn)行傳感器或變送器數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了決策參數(shù)可輸入，決策指標(biāo)數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)獲取、傳輸、分析及存儲(chǔ)，使該系統(tǒng)在生產(chǎn)應(yīng)用上具有廣適性，水分管理更符合作物實(shí)際的需求規(guī)律。在控制邏輯實(shí)現(xiàn)上，以基于水分傳感器的模型控制方法為核心，結(jié)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(shí)適量為作物生長(zhǎng)提供水分和養(yǎng)分，較好地實(shí)現(xiàn)了啟動(dòng)、灌溉量和肥液濃度的協(xié)同控制。與常規(guī)經(jīng)驗(yàn)的灌溉管理模式相比，該系統(tǒng)可節(jié)省勞動(dòng)力15%～20%，提高灌溉水利用效率50%以上，增產(chǎn)10%以上，有效地提高了生產(chǎn)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(chǎn)中應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了作物水肥自動(dòng)管理。但是，在我國(guó)日光溫室土壤栽培中，土壤類型多樣、均勻性較差，這對(duì)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(duì)傳感器的選擇或補(bǔ)償漂移算法的相關(guān)工作有待開(kāi)展。同時(shí)，應(yīng)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(zhǔn)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(shè)計(jì)和控制邏輯實(shí)現(xiàn)上進(jìn)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(shè)備的使用壽命。

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