基于Penman-Monteith方程的温室智能滴灌控制系统研究

韩丽娜 ， 汪小旵 ，*

（1南京农业大学工学院，江苏南京 210031；2江苏省智能化农业装备重点实验室，江苏南京210031）

滴灌技术是当前世界上诸多节水灌溉技术中省水率最高的一种先进节水灌溉技术，具有省水、节能、适应性强等特点。现代智能型控制器是进行灌溉系统田间管理的有效手段和工具，除了能大大减少劳动量，更重要的是它能准确、定时、定量、高效地给作物自动补充水分，以提高其产量和质量。

我国节水灌溉控制器的研制尚处于起步阶段，作为一个农业大国，研究开发低成本、使用维护方便、系统功能强的节水灌溉控制器是一项极有意义的工作。基于此本试验设计出一套温室智能化滴灌控制系统，用单片机作为核心控制器，以Penman-Monteith（P-M）方程作为系统灌溉决策，该系统能对作物进行适时、适量的灌水，起到高效灌水、节能、节水的作用，而且结构简单、价格适中。

1 系统的设计

1.1 系统组成

系统总体框架如图1所示，由数据采集转化模块、微处理器控制模块和输出驱动模块组成。采用光照传感器采集太阳的光照强度，通过A/D转换后传送数据到单片机中。选用数字温湿度传感器采集空气温度、湿度，同样将信号传送到单片机中，单片机利用灌溉决策计算出作物腾发量，从而计算出滴灌时间，通过驱动电路，启动电磁阀，进行滴灌。系统采用一台PC机作为上位机，单片机与PC机之间通过无线模块进行无线数据传输，用户可以在PC机上设置相关参数，并且可以对滴灌系统进行手动、半自动、全自动等操作。

图1 滴灌系统结构

1.2 单片机与PC机无线数据传输设计

不同的独立系统利用线路互相交换数据即为通信，通常通信的方式可分为两种，一种为并行通信，另一种为串行通信，本系统采用串行通信方式实现单片机与PC机的数据交换。PC系列机配置的是RS-232标准串行接口，而MCS-51单片机输入、输出电平均为TTL电平，因RS-232的逻辑电平与TTL电平不兼容，因此要想实现两者之间的通信，必须在它们之间加电平转换电路，MAX232芯片可实现TTL到RS-232之间的电平转换，也可实现RS-232到TTL之间的电平转换，使用十分方便（高卫东，2011）。

加入无线数据传输模块（型号 FHL0611）之后，采用微功率无线通讯技术，实现单片机与PC机之间的远距离透明数据传输，以方便用户进行远程控制。简单系统装置如图2所示。

图2 简单系统装置

1.3 系统灌溉决策设计

系统采用Penman-Monteith（P-M）方程计算出作物腾发量（ETc），进而确定滴灌时间来进行灌溉。Penman-Monteith计算作物ETc的方法是根据气象资料计算出参考作物的腾发量（ET0），与作物系数（Kc）相乘，得到实际作物的ETc。

适用于温室ET0计算的Penman-Monteith修正公式（王健 等，2006；陈新明 等，2007）：

式中，ET0为参考作物腾发量，mm·d-1；Rn和G分别为地表净辐射通量和土壤热通量，MJ·m-2·d-1；ea和ed分别为饱和水汽压和实际水汽压，kPa；Δ为饱和水汽压曲线斜率，kPa·℃-1；γ为干湿表常数，0.064 6 kPa·℃-1；T为温室内空气温度，℃。

根据汪小旵等（2007）的方法计算ea、ed、Δ：

式中，U为温室内空气相对湿度。

作物系数Kc反映了作物本身生理性状和栽培条件对需水量的影响，这个因子相对比较固定，不同的作物系数计算方法可以参考FAO推荐的作物系数计算方法（许翠平 等，2005）。

2 温室试验验证

2.1 试验总体设计

试验于2011年11月25日至12月11日在南京农业大学实验楼顶的三脊Venlo型温室中进行。试验温室为东西走向，东西长16 m，南北方向8 m，温室肩高4.2 m，顶高5.2 m。温室内种植黄瓜5行，种植间距0.5 m左右，行距1 m。滴灌管网自主管后分五路支管，支管尽头用堵头封闭，每盆黄瓜采用两支滴箭进行滴灌。当电磁阀打开时，水通过电磁阀、流量计、过滤器流入滴灌支管进行滴灌，断电后电磁阀关闭，则停止滴灌，系统通过控制电磁阀的通断来进行滴灌控制。

系统采用光敏电阻（GL5516）作为光照传感器采集光照强度，利用数字温湿度传感器（AM2301）采集温室内空气温度和湿度，然后按照所设定程序计算出滴灌时间进行滴灌。将两支滴箭放入塑料桶中，用电子秤称得一段时间内的灌水量。另设对比组称得相同时间内一盆黄瓜质量的改变即为真实腾发量。系统设定每30 min检测一次，然后将两组数值进行拟合，观察其相关性。

2.2 结果与分析

选择12月4日（阴天）和12月9日（晴天）进行分析。滴灌量与称质量差对比见表1。由于冬季日照时间短，清早温室内湿气较大，所以腾发基本从10：00左右开始，从表1中可以看出滴灌量与称质量差具有相同的变化趋势。阴天时，腾发从12：00左右增大，在12：30达到最大，随即较为平缓，直至14：30下降。晴天时，腾发从12：00开始显著增大，在12：30达到最大，之后平缓下降，直至15：00显著下降。滴灌量和称质量差的线性回归分析见图 3和图 4，两者具有良好的线性关系，相关系数在0.7以上。为了保证试验的准确性，晴天和阴天各重复3次试验，其结果均表明滴灌量和称质量差的变化趋势一致且相关性良好。

表1 滴灌量和称质量差对比

图3 阴天滴灌量与称质量差关系曲线

图4 晴天滴灌量与称质量差关系曲线

3 结论

本试验设计出一套应用Penman-Monteith方程计算作物灌溉量的温室智能滴灌控制系统，将自动控制技术和滴灌技术有机地结合起来，这对提高节水灌溉的自动化水平，更精确更及时地控制灌溉，提高对农业投入的经济效益具有较为重要的意义。由试验得出滴灌量和称质量差的变化趋势一致且相关性良好，表明Penman-Monteith方程能够测量出作物腾发量，可以用来作为灌溉决策的重要依据。

陈新明，蔡焕杰，李红星，王健，杜文娟．2007．温室大棚内作物蒸发蒸腾量计算．应用生态学报，18（2）：317-321．

高卫东．51单片机原理与实践．1版．2011．北京：北京航空航天大学出版社：125-126．

王健，蔡焕杰，李红星，陈新明．2006．日光温室作物蒸发蒸腾量的计算方法研究及其评价．灌溉排水学报，25（6）：11-13．

汪小旵，丁为民，罗卫红，戴剑锋．2007．长江中下游地区夏季温室黄瓜冠层温度模拟与分析研究．农业工程学报，23（4）：196-199．

许翠平，刘洪禄，赵立新．2005．应用Penman-Monteith方程推算北京地区苜蓿的灌溉定额．农业工程学报，21（8）：30-34．