李向春，黎雪君，彭 玲，王文婷

（新疆石河子職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆石河子 832000）

0 引言

智慧溫室，屬于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一個(gè)發(fā)展主流，現(xiàn)階段被廣泛應(yīng)用在規(guī)模較大的溫室生產(chǎn)當(dāng)中，為溫室大棚實(shí)現(xiàn)精確調(diào)節(jié)及控制提供幫助，滿足于高質(zhì)量、增產(chǎn)、增長周期有效調(diào)節(jié)、經(jīng)濟(jì)效益全面提高等各項(xiàng)需求。農(nóng)作物的生長不再受以往季節(jié)限制，可以為我國的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)進(jìn)步發(fā)展提供重要的驅(qū)動力。那么，為維持智慧溫室整個(gè)環(huán)境當(dāng)中溫濕度的穩(wěn)定，便需要對這些作物定位滴灌。而為能夠達(dá)到更加有效的滴灌控制，則對智慧溫室當(dāng)中滴灌控制的合理設(shè)計(jì)開展綜合分析，有著一定的現(xiàn)實(shí)意義和價(jià)值。

1 智慧溫室概述

所謂智慧溫室，它是集成無線通信及物聯(lián)網(wǎng)各項(xiàng)技術(shù)建設(shè)的一種智能化溫室大棚或自動化的溫室。借助手機(jī)及電腦等智能設(shè)備，對溫室大棚實(shí)施管理，對移動天窗、保溫、遮陽系統(tǒng)、風(fēng)扇冷卻專項(xiàng)系統(tǒng)、濕窗簾、移動苗床、噴霧灌溉或是滴灌系統(tǒng)等設(shè)施設(shè)備運(yùn)行實(shí)現(xiàn)自動化的控制，對農(nóng)業(yè)的溫室環(huán)境實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理[1]。

2 智慧溫室當(dāng)中的滴灌控制研究及其設(shè)計(jì)

2.1 在滴灌控制裝置設(shè)計(jì)層面

為能夠?qū)⒌喂嗨烤珳?zhǔn)有效且簡單地確定下來，此次針對盆栽植物的生長期以周作為基本單位予以合理分段，短期性生長因素所致質(zhì)量變化忽略。把盆栽植物當(dāng)成是單一區(qū)塊，盆栽環(huán)境之下，根系土層和下層部分土壤當(dāng)中水分實(shí)際交換量則忽略不計(jì)，以此獲取可變列式，即ΔM=I-ETe。滴灌控制裝置需要對水分散失的實(shí)際變化予以把控，確保ΔM為零，也就是盆栽作物的水分含量始終維持最適宜的有效范圍當(dāng)中，滴灌水量即為I=ETe。

此次研究選定質(zhì)量的變化量，對盆栽累積的蒸發(fā)散量進(jìn)行測定，以此為滴灌水量有效控制的重要依據(jù)，并以土壤水分張力計(jì)方法作為比較。明確農(nóng)作物可以正常生長狀態(tài)之下水分的有效范圍，即經(jīng)24 h重力的自然排水之后容水量到有阻礙農(nóng)作物生長的土壤相應(yīng)水分含量形成之間。此次研究選取5個(gè)盆栽為試樣，選定淹灌浸泡這一方式，確保其能夠達(dá)到一種飽和狀態(tài)，經(jīng)24 h之后再實(shí)行重力的自然排水，獲取有效性水分上限實(shí)際對應(yīng)的一個(gè)質(zhì)量，借由土壤水分張力計(jì)實(shí)施測量操作，獲取土壤的水分張力（即表征土壤的水分張力實(shí)際pF值是1.5～2.0）為對照和作物有效性的水分上限。針對農(nóng)作物整個(gè)生長過程受阻水分點(diǎn)對應(yīng)pF值是2.4～3.0土壤的水分張力為農(nóng)作物實(shí)際生長過程有效性的水分下限，且對應(yīng)著質(zhì)量的相應(yīng)下限值[2]。定量卻不定時(shí)這一灌溉方式之下，固定的灌溉周期明確后，改變灌溉作業(yè)水量往往由氣候的變化因子決定，以農(nóng)作物實(shí)際生長過程當(dāng)中有效性水分含量的上限為灌溉作業(yè)停止點(diǎn)基本無問題存在，但氣候變化若是呈現(xiàn)較大差異性，則土壤實(shí)際有效性的水分含量會逐漸降低到阻礙作物生長處于水分含量下范圍，實(shí)行固定的灌溉周期之下這種灌溉方法，往往很難實(shí)現(xiàn)對作業(yè)的實(shí)時(shí)反應(yīng)[3]。對此，智慧溫室當(dāng)中滴灌控制層面上，選定固定的灌溉水量和可變動性灌溉周期為主要的灌溉管理實(shí)時(shí)策略，便于滿足氣候變化下對灌溉周期實(shí)時(shí)自動調(diào)整操作的需求。以盆栽的質(zhì)量方法為滴灌管理重要依據(jù)，那么，結(jié)合黑盒子法層面分析，盆栽質(zhì)量這一方法是處于外部復(fù)雜性氣候環(huán)境當(dāng)中介質(zhì)水分改變后所致的一種質(zhì)量變化。故滴灌控制整個(gè)系統(tǒng)管控之下有效水分的設(shè)計(jì)范圍，應(yīng)當(dāng)以淹灌浸泡為主要方式，確保盆栽栽培的介質(zhì)能夠達(dá)到一種飽和狀態(tài)，待24 h之后實(shí)施重力式自然排水，實(shí)際容水量便可為有效的水分含量上限（TAM）。

此次研究以獲取有效的水分上限相對應(yīng)質(zhì)量為滴灌控制裝置控管當(dāng)中滴灌水量的上限。通過試驗(yàn)方式，選定盆栽處于75.00%上限條件之下的質(zhì)量值為控管的滴灌水量相應(yīng)下限，此方式之下，滴灌系統(tǒng)往往不會有多余滲水從盆栽底部位置排出。針對種類不同的溫室盆栽和栽培介質(zhì)，滴灌控制初期運(yùn)行階段需要初始化其上限量值，且需要適當(dāng)調(diào)整好控制參數(shù)[4]。那么，基于上述控制策略，將下列基本假設(shè)制定出來：一是相同溫室內(nèi)部微氣候基礎(chǔ)條件一致，溫室內(nèi)部農(nóng)作物的種類及其生長周期一致，故可認(rèn)為相同溫室內(nèi)部農(nóng)作物的蒸發(fā)散量基本一致，那么，點(diǎn)測1盆便能夠代表著整個(gè)溫室，每盆初始的質(zhì)量即便存在差異性，對差動控制法之下，每盆實(shí)際需求滴灌水量不會有過大個(gè)體差異產(chǎn)生。二是相同溫室內(nèi)部以灌溉管線為基礎(chǔ)，將其分割為不同分區(qū)，不同分區(qū)管線實(shí)行雙頭給水，故可促使所有分區(qū)相互間水量和水壓層面的差異降低，再對灌溉控制整個(gè)系統(tǒng)時(shí)間予以微調(diào)校正，并對后端管流的差異水量予以補(bǔ)償，確保所有分區(qū)內(nèi)部前后端的管線實(shí)際出水量層面差異進(jìn)一步下降，達(dá)到均勻水量這一目標(biāo)。選取3個(gè)區(qū)域范圍滴灌的盆栽作物為主要控制對象，對灌溉管控功能模塊予以合理設(shè)計(jì)?？刂撇呗援?dāng)中假設(shè)灌溉區(qū)內(nèi)部為同等情況，故僅需配置1套荷重的傳感裝置和一臺加壓泵即可，但此區(qū)域范圍一定要選定目標(biāo)盆栽為試驗(yàn)樣本，才可實(shí)現(xiàn)自動灌溉目的。試驗(yàn)灌溉的管控模塊選定1區(qū)范圍指標(biāo)盆栽的質(zhì)量變化△w1（所對應(yīng)栽培土的介質(zhì)25%有效水分的差值變化）作為基本目標(biāo)控制。第1區(qū)范圍指標(biāo)盆栽的質(zhì)量變化為△w（t1）=△w1條件之下，第1區(qū)范圍執(zhí)行灌溉相應(yīng)操作，控制裝置程序軟件則自動對灌溉操作整個(gè)過程當(dāng)中所耗費(fèi)實(shí)際灌溉時(shí)間△ti實(shí)施同步的記憶學(xué)習(xí)，再以同等灌溉時(shí)間ti對第2～3區(qū)范圍實(shí)施灌溉操作，獲取灌溉水量△w2i、△w3i。針對滴灌控制裝置總體設(shè)計(jì)，依照著同區(qū)范圍當(dāng)中盆栽實(shí)際蒸發(fā)散量，對農(nóng)作物散失水分予以補(bǔ)充，還可借助以往的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，借助各種人工微調(diào)方式予以合理調(diào)整，確保能夠與農(nóng)作物實(shí)際的生長需求相符。適當(dāng)實(shí)行分區(qū)輪灌這一方式，能夠防止大區(qū)域范圍管線的前后端位置水量不均情況出現(xiàn)，同時(shí)期內(nèi)各區(qū)灌溉實(shí)際水量能夠達(dá)到一致性。

結(jié)合上述思路，開發(fā)設(shè)計(jì)適合應(yīng)用至智慧溫室當(dāng)中滴灌控制綜合系統(tǒng)，其內(nèi)部配置Sharp JW20系列的PLC主機(jī)、Tedea-1022的荷重單元、HTS-801型號溫濕度的傳感裝置、LI-COR-200SZ型號的光照度計(jì)。該智慧溫室當(dāng)中滴灌控制綜合系統(tǒng)實(shí)操方式以自動、手動這兩種為主[5]。Tedea-1022的荷重單元能夠?qū)崿F(xiàn)對0～20 kg限定范圍的物體檢測，實(shí)際靈敏度達(dá)到0.80 kg，所輸出模擬的電流I（4～20 mA）和被物體的質(zhì)量w（kg）之間屬于線性關(guān)系，詳細(xì)列式，即w=1.25*I-5。那么，經(jīng)由PLC與模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置（ADC）可獲取數(shù)碼D和模擬電流I之間轉(zhuǎn)換關(guān)系式，即D=100*I。結(jié)合上述列式，便可獲取盆栽質(zhì)量w和數(shù)碼D相互間轉(zhuǎn)換列式，即D=80*w+400。從上述列式便可了解到，每位精度為12.50 g。PLC和模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置（ADC）聯(lián)合之后，ADC負(fù)責(zé)實(shí)施盆栽質(zhì)量相關(guān)模擬信號實(shí)時(shí)接收，且轉(zhuǎn)換成PLC內(nèi)部相應(yīng)邏輯變量，借助PLC所構(gòu)建的比較裝置功能，以該邏輯變量的用數(shù)值對比方式為多段的對比輸出，產(chǎn)生的控制性邏輯變量為功能需求層面的邏輯驗(yàn)算。

2.2 在試驗(yàn)分析層面

此次試驗(yàn)過程當(dāng)中，把灌溉區(qū)分為3個(gè)不同的栽培區(qū)。針對第1區(qū)內(nèi)部，選定1個(gè)盆栽，對其質(zhì)量實(shí)施測量分析，為盆栽的重要質(zhì)量指標(biāo)對象；針對第2或是第3區(qū)，作為驗(yàn)證的相應(yīng)對照區(qū)[6]。滴灌控制綜合系統(tǒng)內(nèi)設(shè)連接3個(gè)區(qū)當(dāng)中的壓力泵、電磁閥，且第1區(qū)范圍配置荷重計(jì)、溫室內(nèi)部農(nóng)作物的環(huán)境區(qū)域溫濕度及光照度計(jì)等，對第1區(qū)范圍盆栽有效的水分含量實(shí)際上/下限所對應(yīng)的質(zhì)量為其初始值。針對第2～3區(qū)范圍荷重計(jì)、設(shè)施內(nèi)部作物的環(huán)境區(qū)域溫濕度及光照度量等實(shí)際量測值，全部儲存至PLC存儲單元當(dāng)中。結(jié)合定量及不定時(shí)性灌溉管理這一策略，借助可編程的控制裝置，經(jīng)荷重傳感裝置傳回的信號，針對灌溉時(shí)間與灌溉水量等實(shí)施精準(zhǔn)判斷分析，再把操作指令及時(shí)輸出至電磁閥當(dāng)中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)記憶，且分區(qū)對每區(qū)執(zhí)行相應(yīng)的灌溉作業(yè)指令[7]。對定量及不定時(shí)這一策略整個(gè)實(shí)施過程予以詳細(xì)記錄，針對第1區(qū)和第2～3區(qū)范圍每次隨機(jī)的灌溉量、灌溉次數(shù)等予以詳細(xì)記錄，便于對滴灌控制裝置功能實(shí)際精確性和穩(wěn)定性實(shí)施評估分析，此次研究以均方根的誤差（RMSE）為主要的量化值，列式：

式中，n代表第2～3區(qū)內(nèi)實(shí)際灌溉次數(shù)；

Δw1代表第1區(qū)范圍指標(biāo)盆栽的質(zhì)量變化（kg）；

Δw2i、Δw3i分別代表第2～3區(qū)內(nèi)每次實(shí)際的灌溉水量（kg）。

那么，Penman－Monteith（P-M）方程當(dāng)中，以溫室內(nèi)部所用光照度、葉面積的指數(shù)（LAI）、蒸汽壓差（VPD）等代表植物的蒸發(fā)散量ET實(shí)際速率。試驗(yàn)過程當(dāng)中以Penman－Monteith（P-M）方程為基礎(chǔ)，并借助質(zhì)量方法予以直接測量，以作物的蒸發(fā)散量這一模式作為室內(nèi)短波光照度和蒸汽壓差基本函數(shù)，由此便可獲取盆栽實(shí)際蒸發(fā)散熱的質(zhì)量速率列式：

式中，α和β代表經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，結(jié)合作為類別和生長期、溫室狀態(tài)實(shí)際環(huán)境情況，確定具體數(shù)值；

λ代表水的蒸發(fā)潛熱（J/kg）；

Is代表室內(nèi)短波輻射量（W/m2）；

VPD代表蒸汽壓差。具體列式：

式中，Ps代表飽和性蒸汽壓（MPa）；

RH代表相對濕度（%）。

此次分別對盆栽型的櫻桃番茄及草莓實(shí)際蒸發(fā)散的質(zhì)量速率，處于蒸發(fā)散量這一模式下的計(jì)算結(jié)果（y）所對應(yīng)量測值（x）開展線性的回歸分析，經(jīng)分析后可確定蒸發(fā)散量這一模式之下驗(yàn)證評估和蒸發(fā)散的質(zhì)量速率實(shí)測變化基本相一致[8]。3～4天之內(nèi)LAI基本維持不變，以1天實(shí)測數(shù)據(jù)的擬合參數(shù)合理代入原模后，對3天盆栽實(shí)際蒸發(fā)散的速率予以計(jì)算。溫室當(dāng)中蒸發(fā)散量簡易模式與基于電子質(zhì)量通用類型的滴灌控制綜合系統(tǒng)結(jié)合后，經(jīng)驗(yàn)證評估及分析后發(fā)現(xiàn)，對盆栽型的櫻桃番茄和草莓處于此生長期當(dāng)中灌溉量的實(shí)測值和現(xiàn)場氣候估計(jì)值基本相一致。

3 結(jié)語

綜上所述，此次研究并開發(fā)設(shè)計(jì)的智慧溫室當(dāng)中滴灌控制綜合系統(tǒng)，能夠應(yīng)用于多種溫室的盆栽作物，控制方式和作物的品種及其生長期不存在關(guān)聯(lián)性。此次試驗(yàn)當(dāng)中，實(shí)行質(zhì)量上/下限的設(shè)定基準(zhǔn)，主要是為確保環(huán)境當(dāng)中溫濕度及光照度各層面因素能夠?qū)?yīng)著相應(yīng)蒸發(fā)散量，獲取每日作物動態(tài)化需水量和環(huán)境內(nèi)部溫濕度、光照度之間對應(yīng)關(guān)系。此次研究設(shè)計(jì)實(shí)行定量及不定時(shí)式灌溉控制實(shí)施策略，此控制策略能夠?yàn)樽魑镞m時(shí)且適量地提供自身生長所需的水分。定量及不定時(shí)這一控制方式之下，可以保證盆栽介質(zhì)實(shí)際水分含量始終維持有效范圍當(dāng)中，對作物生長十分有利，適宜持續(xù)推廣及應(yīng)用到溫室設(shè)施當(dāng)中。以差動間隙為控制方法，其比較適宜選定盆栽質(zhì)量實(shí)際減少量測為作物的需水量重要依據(jù)。

此次研究設(shè)計(jì)當(dāng)中，結(jié)合每次量測當(dāng)中最具代表性盆栽的質(zhì)量差產(chǎn)生變化，依托可編程的控制技術(shù)，將其合理轉(zhuǎn)換成為內(nèi)部定時(shí)裝置時(shí)間差，便于對其余各區(qū)盆栽實(shí)際灌溉水量予以精準(zhǔn)把控?？刂颇K能夠伴隨每次量測的具體情況，及時(shí)比對轉(zhuǎn)換的時(shí)間差。那么，此時(shí)間差層面對比，以管線當(dāng)時(shí)水量水壓作為基準(zhǔn)，并非屬于固定值。此控制模塊當(dāng)中通過設(shè)定相應(yīng)的校準(zhǔn)功能，可對可編程的控制裝置當(dāng)中定時(shí)裝置時(shí)間差予以增減操作，便于對各區(qū)實(shí)際灌溉水量予以精準(zhǔn)把控，可達(dá)到對智慧溫室當(dāng)中農(nóng)作物的實(shí)時(shí)及精確化的滴灌控制。