一种实用新型温室精细灌溉自动控制系统及其应用

黎啟江，卢永志，黎竞雄，王祥宁

（1.云南省农业科学院花卉研究所，云南 昆明 650205；2.昆明普润源灌溉技术有限公司，云南 昆明 650106）

一种实用新型温室精细灌溉自动控制系统及其应用

黎啟江1，卢永志2，黎竞雄2，王祥宁1

（1.云南省农业科学院花卉研究所，云南 昆明 650205；2.昆明普润源灌溉技术有限公司，云南 昆明 650106）

文章在消化吸收当今国内外水肥灌溉自控系统设备的基础上，结合国情省情和现代设施农业—温室大棚种植灌溉所需，研发了一种实用新型温室精细灌溉自动控制装置（专利号：ZL 2013.2 0587276.5），根据植物和环境变化，实现植物生长水肥灌溉自动控制，是现代农业向智慧农业种植管理自动控制技术装置的系统设计与技术创新。在资源紧缺，提倡节水灌溉，发展生态农业，实现高效高产的今天，该系统的开发应用将对温室种植管理产生深远影响。

温室灌溉；自控装置；分析应用

在温室大棚的生产管理中，作物的水肥灌溉是一个极为重要的组成部分。目前温室大棚的水肥灌溉基本采用半自动（非智能）灌溉，这种灌溉方法存在一些问题：实施灌溉过程相对麻烦，必须人工操作；不能准确控制灌溉中作物所需要的最佳水量，往往是不多即少，造成浪费；不能根据作物的需求做出实时灌溉；需要人力资源的投入，养护成本较高。所以，提供一种自动精准的作物实时灌溉测控系统就非常必要了。

精细农业是目前国际农业发展的方向和潮流，精细灌溉则是精细农业理论研究和实践的重要内容之一。通过对水肥的精细调控确保农产品的产量和品质，也是提高灌溉管理水平、实现节水农业的一个必然趋势。现代精细灌溉技术是按照田间各操作单元作物生长对灌水时间、灌溉水量、灌溉点以及灌水成分的精细要求，精细准确地调整灌溉管理措施，最大限度地提高水的利用率和利用效率，并充分保护农业生态环境，以实现农业水土资源的有效利用和管理。

云南花卉和蔬菜等经济产业，凭借得天独厚的自然气候条件，产业规模和市场占有率不断扩大，技术水平和产品质量不断提高，出口量逐年迅猛增长。随着国际花卉龙头公司的介入，迅速推动了云南相关产业的发展和技术升级，特别是对水肥要求的提高，经济作物的温室综合调控技术成为急待解决的关键技术难题。

作为温室作物种植管理中非常重要的一个环节，精确灌溉自动控制系统的成功运用对提高温室作物品质和产量、降低管理成本、病虫害发生等方面将起到重要的作用。

1 背景

在现有的温室灌溉自动控制设备中，多数从国外进口（荷兰、以色列居多），一套系统安装起来，少则几十万，多则上百万，价格昂贵，遇到问题常常得不到及时解决。这类灌溉自动控制设备近些年来，除了在一些科研试验和示范园区的温室大棚内少量使用外，并沒得到大量的推广应用。而国内少数厂家研发的此类产品，价格虽然比进口低一些，但其性能和精度又不及进口产品，导致使用中常不能满足用户需要。

文章所述温室精细灌溉系统，其设备为大棚温室作物自动灌溉控制系统的硬件、软件（可选配空气湿度、土壤湿度、温度、光照强度、二氧化碳浓度、pH值和EC值等数据显示）。该系统由传感检测电路、信号处理电路、外设（键盘、显示器等） 配置接口电路、输出控制电路、电源控制电路及相关设备等构成。它能够实现多路采集输入和多路输出控制功能（价格仅为同功能进口设备的1/3）。硬件设计方面，采用品牌电脑驱动控制电路和执行装置实现自动喷灌操作，计算机根据用户设定参数，通过驱动继电器控制阀门是否打开，阀门的打开与否就可以控制喷滴头来进行对作物的实时喷滴灌。实验证明，该电路可对喷滴灌电磁阀在喷滴灌时间1 s～99 min 59 s、间歇时间1 min～99 h任意调节，每个喷滴灌电磁阀可任意分配和组合，较好地解决了不同作物、同种作物不同生长时期灌溉的温室生产等实际问题。该系统只需在原供水装置上增设自动控制电路即可实现，结构简单，工作可靠，具有一定的实用价值和推广前景。

2 系统组成及原理分析

2.1 系统要素组成

系统要素组成如图1所示。

图1 系统要素组成框图

从图1可知，系统主要由PC机、多路控制器、控制节点（闸阀）、电源控制柜、施肥泵、ABC肥液池、离心泵、反冲洗过滤器、酸碱度监测仪、进水端储水池等设备和管件组成。

2.2 各控制要素的作用

2.2.1 PC机

通过各传感控制装置收集各控制点的监测信号，经过处理、贮存后，按控制要求，发出相应的指令至多路控制器。同时还承担控制区域的资料编辑存档、控制程序修改等。如果以互联网为平台，利用现代通信技术和手段还可实现手机远程监控。

2.2.2 多路控制器

根据PC机输出指令，按要求对相关控制要素或设备发出开启或关闭的工作信号。

2.2.3 电源控制柜

对需要用电的要素提供安全可靠的电源，并对用电设备提供缺相、断路、过流过载保护等。

2.2.4 施肥泵

将多个不同性质的肥液池里的肥液，泵压至供水管路，通过供水管路水肥混合后，经管路送至各需水的植物区。采用机械注入式施肥泵，可通过调节计量泵的冲程长度和冲程频率来调节注入肥液或pH值调节液，满足所种植物生长所需。

2.2.5 ABC肥液池

为满足栽种物营养需要，系统水肥供给常设多个不同肥液的池子。当需要供给相应的肥液时，对应的肥液闸阀打开，经施肥泵供给水管送至相应需肥的植物区。

2.2.6 离心泵（加压抽水泵）

按指令工作，把蓄水池或沉淀池的水抽至供水管。

2.2.7 反冲洗过滤器

对离心泵抽至供水管道中的水进行过滤后再送至各需水区管道，避免水质差造成滴头或喷头堵塞。反冲洗装置自动化程度高，可定时对过滤器进行自动冲洗，节省人力和管理成本。

2.2.8 酸碱度监测仪

对供水管道中的水肥液体进行实时监测，避免因酸碱度（EC、pH值）过高或过低对植物带来不良影响。监测数据直接送至PC机处理。当pH值过高偏碱性时，PC机输出指令，打开酸性肥液池，经施肥泵把酸性肥液送至供水管道，调节中和输送的肥液达到要求；当pH值过低偏酸性时，PC机输出指令，打开碱性肥液池，经施肥泵把碱性肥液送至供水管道，调节中和输送的肥液达到要求。

2.2.9 供水管路及回收管路

供水管路把首部输出的水肥液送至各栽种物，回收管路把栽种床或槽渗漏的多余的水肥回收再利用。

2.3 温室作物灌溉量分析

2.3.1 温室作物灌溉量——经验法分析

经验法分析，是以历史资料为主要依据，结合实际生产需要，通过频率分析，根据气象中长期预报来预测作物灌溉量的一种方法，并在国外得到了较好推广和应用。在温室作物灌溉中，即使在同一地区，作物生长期内的实际气象因素、土壤因素及作物生长情况在不同年份都会相差很大，因而计算得到的灌溉量与实际所需灌溉量有很大出入。另外，这种方法要求实施温室作物灌溉的当地需积累大量的历史资料，而现实中往往不具备这一条件。特别是，温室栽培在中国兴起不久，现阶段国内难以推广应用。同时，经验分析法通常采取测定旬、月蒸发量作为计算方法，往往因为是经验性的，与实际有差异，所以不是令人十分满意的方法。

2.3.2 温室作物灌溉量——水量平衡法

水量平衡法，是采用各类型和大小不同的蒸发器来直接测定作物蒸发量的方法。但由于蒸发器内土柱与自然土壤隔绝，因而器内土柱的水、热状况与自然土壤有一定差别，特别是在有作物覆盖的情况下更显突出。

在温室作物灌溉中，通常把土壤计划温润层的储水量变化用式1的水平衡方程来表示：

式中，W0、Wt—分别为时段和时段末的土壤计划湿润层内储水量

WT—由于计划湿润层增大而增加的水量

P0—保存于土壤计划湿润层内的有效降雨

K—时段内地下水补给量

M—时段内的灌水量

E—时段内作物需水量

温室内的降雨量为零。由于温室作物根系一般较浅，且灌水频繁毋需过多的储水量，故计划湿润层可保持一较浅的深度不变，则因计划湿润层增深而增加的土壤储水量为零。由于计划湿润层地势较高，其湿度高于周围土壤的湿度，且大部分温室作物采用培养钵或穴盘无土栽培，故在温室中地下水的补给量也可认为是零。则温室种植中，土壤水量平衡方程可简化为：

当土壤湿度保持不变时，Wt应与W0相等，由上式得M=E。

在温室中，只要监测分析出作物需水规律，结合各生长阶段对水肥的需求变化，即可计算其所需灌溉量。这种简化大大方便了温室种植中灌溉量的计算，并提高了其准确度，从而进一步保证了实现温室中灌溉量精确控制的可能性。

2.3.3 温室作物需水量分析

在温室种植栽培中，土壤、作物、环境是影响作物需水量的连续体，作物水分损耗量的指标确定，计算模型及检测装置是确定作物精准灌溉和灌溉制度必须要考虑的环节。在以日光温室种植面积和灌溉需水量为主要研究对象的设施农业种植中，对灌溉水技术、灌水量及水分生产进行分析计算，通过建立预测模型，预测设施农业种植范围的需水量，为科学节约用水提供理论依据和计划安排，是今后设施农业种植用水必须要考虑的重要因素。

参照作物腾发量常用ET0表示。对于某一具体作物，其在某一生长阶段的腾发量为参照作物腾发量与一系数的乘积。此系数称为作物系数，一般用Kc表示。作物腾发量的计算由求作物系数和求参照作物腾发量两部分组成。作物系数主要由作物种类及其生长状态决定，求法尚无公式或模型可依，可由资料或实验获得。

彭曼法所考虑的气象因素最为全面，理论上最为完善，应用最为广泛，而且至今仍在不断优化、发展中，并为联合国粮农组织所推荐，具有很高的权威性，是目前公认的计算参照作物腾发量的最佳方法。

在实际生产中通常无法得到足够的温室气象资料来计算温室内的参考作物蒸发蒸腾量。针对生产实践，文章借鉴河海大学彭世章等对温室滴灌西瓜作物需水量的实验研究成果和西北农林科技大学何华等对温室黄瓜需水规律的研究成果等，对于温室作物的灌溉量，在应用彭曼一蒙特斯法或其它计算法进行控制时，引进温室状态系数。

将温室状态系数与作物系数及参考作物腾发量相乘后，才是作物需水量。则温室中作物的需水量，即腾发量可用式2表示：

式中，ET—温室作物腾发量

ET0—参考作物腾发量

KC—温室作物系数

KG—温室状态系数

2.3.4 温室灌溉控制原理

根据前面的分析，通过采集各种气象变量、温室状态变量的监测，结合作物的生长状况，运用控制系统能够实现作物灌溉量与需水量的平衡控制。该法除了流量计，运用温室最常用的检测设备和微机，即可实施灌溉的自动控制，具有很强的经济性和大规模推广的前景。但不可避免地存在着计算偏差问题，作为一种开环控制方法，偏差累积最终有可能导致土壤湿度超出控制范围。

为克服计算法存在的缺点，在实际中也可实行闭环控制，即通过土壤湿度监测实现精细控制灌溉。图2为闭环控制状态下，温室综合参数控制程序图。

2.3.5 系统具有灵活、强大的报表解决方案

报表文件格式兼容Excel工作表文件，提供类Excel的绝大部分功能，包括：编辑功能、计算功能、图表功能等。

（1）操作系统接口标准

选用的操作平台为WindowsXP

（2）图形界面标准

建立于Windows操作系统上，图形界面符合Windows标准。界面全部采用图形化，操作简单，一目了然。

（3）数据库访问标准

实时数据库系统由管理器和运行系统组成，实时数据库将组态数据、实时数据、历史数据等以一定的组织形式存储在介质上。管理器是管理实时数据库的开发环境，数据可导出Excel工作表文件。

（4）系统设计标准

稳定性、实用性、开放性、网络性、可扩性、灵活性、实时性。

（5）控制

可实现手动控制，自动控制，恒压供水控制，EC、pH值监测。

图2 温室综合参数控制程序

3 结论

文章所述的温室水肥精细灌溉系统及控制装置，其优点和效果是，可在作物种植、种植基质、种植方式发生重大变化的情况下，通过管道化、水肥一体化和精准控制，实现与作物栽培方式和作物生长所需的高度统一。本装置运行可靠、稳定，维护性、移植性好，具备很好的行业推广及应用价值。本装置的应用不仅减轻了灌溉的工作压力，降低了运行成本和人工费用，同时也提升了管理水平，为进一步的数据分析提供了数据储备，为其他系统二次开发提供可靠的技术支持。在本装置的基础上，可实现种植的全方位检测和自动控制。比如对温室的温度、湿度、光照、CO2浓度等小环境的控制。

2014－07－21

黎啟江（1956-），男，土家族，贵州德江人，副研究员，E-mail：liqj7891@126.com。