单体日光温室水肥一体化控制系统构建与实现

赵 倩，郭文忠*，李友丽，王琨琦，聂铭君，李银坤

（1.北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097；2.西安工业大学，陕西 西安 710021）

近年来，随着中国设施农业的快速发展，随水施肥的灌溉方式日益普遍，水肥一体化技术也得到了较为广泛的应用[1-3]，相对应的关于水肥耦合[4]和精确施肥[5-6]的研究也在逐步细化和完善。但是，针对稳定实现控制策略的研究却相对缺乏。事实上，中国各个地区设施农业发展水平参差不齐，栽培模式多样复杂，因此，控制决策的稳定性和普适性直接决定着水肥一体化技术能否向着更高的层面进一步发展；同时，在水肥一体化设备的实际推广应用中，与生产实际需求的结合程度以及设备成本的高低是决定其占领市场的关键因素。基于此，针对单体温室，着眼于系统实用性和稳定性，课题组提出了一种基于水分传感器的水肥一体化自动控制系统，其工作原理是通过采集和分析现场布置的一系列传感器数据，进行施肥启动时间和施肥量的智能决策，同时调控灌溉液电导率值，保证肥液随水均匀适量地供给，满足作物不同阶段的生长发育需求，持续为作物创造最佳水分和养分条件，从而达到高产高效、节本节工的目的。现将单体日光温室水肥一体化自动控制系统的构建与实现介绍如下。

1 系统硬件接口设计

基于水分传感器的单体日光温室水肥一体化自动控制系统的核心在于系统能够根据采集的田间土壤含水率，判断作物对水分的耗需情况，据此计算目标灌溉量，从而发送指令给核心控制器，自动进行灌溉过程。针对目前大多数水肥一体化设备控制的目标量均为直接开关型变量的情况，同时考虑到系统长期自动运行的稳定性和鲁棒性，设计系统以可编程控制器（PLC）为控制核心，扩展模拟量输入模块进行传感器或变送器数据的采集和转换，系统硬件组成如图1所示。

图1 系统硬件组成

参照图1，系统扩展的2个模拟量输入模块分别定义为从站1号和从站2号。从站1号预留4路4～20 mA标准电流输入端口，主要功能是进行作物生长环境信息的采集，可依次连接水分传感器、光照强度传感器、环境温度传感器和环境湿度传感器。从站2号预留4路4～20 mA标准电流输入端口，主要功能是进行灌溉液信息的采集，可依次连接母液桶液位传感器、灌溉液EC值传感器、灌溉液pH传感器和流量计。输入端预留3路开关量端口，分别为手动、自动模式旋钮输入和快速灌溉按钮输入。输出端预留16路开关量端口，其中，通道1预留为通过交流接触器控制380 V灌溉水泵，通道2预留为通过中间继电器控制220 V灌溉水泵，通道3～7预留为文丘里管负压吸肥通道上安装的5路吸肥加酸吸药阀门，通道8～15预留为田间8区支路电磁阀，通道16预留为蜂鸣报警输出。此外，系统还配置一个本地监控触摸屏和一个中控上位机。其中，本地监控触摸屏用来现场设置部分控制参数；中控上位机与本地触摸屏通讯，定时抓取数据实现远程监控功能。

2 系统控制逻辑实现

基于水分传感器的单体日光温室水肥一体化自动控制系统不同于传统的时间控制器，它将实时采集的气象因子数据和土壤实际含水率数据与用户根据当地以往生产经验自主交互的预设值进行比较，实现满足特定条件时的启动控制、根据作物所处环境条件计算灌溉量和灌溉过程中电导率值的实时调控。根据以上控制要求，设计系统由启动控制、灌溉量控制及灌溉液电导率调控3部分组成。其中，启动控制原理为基于水分传感器采集的土壤实际含水率进行逻辑判断，启动设备或监控等；灌溉量控制原理为根据控制模型决策出计算灌溉量，并实时监测实际灌溉流量，以此为依据控制实际灌溉流量与计算灌溉量相同；灌溉液浓度控制原理为根据电导率传感器监测的灌溉液浓度与预设阈值上下限关系，执行打开或关闭吸肥电磁阀的动作，以保证肥料随水灌溉、均匀供给。控制原理如图2所示。

为了更好地结合实际生产需求和管理，考虑到气象因子参数对灌溉的影响及各个地方生产管理的差异，系统设计在启动控制环节增加了光照强度临界值和启动灌溉时刻两个交互参数，以提高策略普适性和灌溉合理性。完整的自动控制流程为：首先，系统上电后，在水肥一体化首部的本地监控触摸屏上预设光照启动临界值、启动灌溉时刻和水分控制下限；系统实时采集温室内光照强度值和土壤实际含水率，并通过软件将启动灌溉时刻与预设值进行比较，从而产生启动驱动信号，打开相关执行器件，并产生启动标志。其次，系统接收到启动标志后，进入灌溉量控制过程，该过程首先基于土壤水分传感器的控制模型决策出计算灌溉量，然后与流量计监测的本次灌溉量相比较，产生停止驱动信号，关闭相关执行器件，并产生停止标志。同时，灌溉液浓度实时控制由启动控制产生的标志位启动，由灌溉量控制产生的标志位停止；调控过程中，面向表征浓度的电导率（EC）值进行阈值开关控制。3个部分彼此独立，仅通过标志位的改变来启动和停止过程，减少了模块交叉可能引起的干扰，保证了系统的稳定性。具体的控制流程如图3所示。

图2 基于水分传感器的水肥一体化自动控制原理

图3 自动控制程序流程图

3 系统其他功能

系统充分结合生产与生产管理者的实际需求，开发了半自动灌溉、数据存储与历史查询、自动搅拌及报警等功能。

3.1 半自动灌溉模式

在我国，设施农业生产一线的绝大部分人员年龄在50岁以上，他们从事生产管理工作几十年，已积攒了丰富的经验，形成了固有的生产管理模式，包括水肥管理，让其接受全自动水肥管控方式需要一定过程。因此，结合其现有水肥管理方式，开发了一种人为干预灌溉量或灌溉时长的半自动管理模式，即生产人员在对应参数设置区输入本次灌溉量或灌溉时长，按下面板上“快速灌溉”按钮，系统启动灌溉，在达到灌溉量或灌溉时长时自动结束灌溉。半自动模式下的灌溉过程如图4所示。

3.2 实时存储和查询历史数据

为了给园区管理者或技术人员的后续管理提供依据，同时便于生理病害发生后及时进行病情诊断，系统提供历史数据存储和查询功能，如图5所示。

3.3 母液自动搅拌

在常规生产中，配制母液一般是先将水溶性肥料加入一个容器中，手动搅拌使其充分溶解后，再倒入母液桶中，此溶解过程繁琐、费工费时。我们在母液桶中安装搅拌器，并通过控制系统实现了自动搅拌功能。一方面，当系统检测到缺肥信号时，自动向母液桶内补充定量清水，生产人员只需添加一定量水溶性肥，再按下面板上的“搅拌”按钮，系统即可启动搅拌系统，充分搅拌至肥料完全溶解；另一方面，为了使水肥均一性更好，系统在灌溉过程中打开造浪泵，以保证肥液随水均匀供给。

3.4 异常报警提示

系统针对已获得灌溉需求的信号或已经产生灌溉行为时园区出现的不能正常供水的偶然现象或者缺肥现象，增加了异常报警提示功能，即在短时的轰鸣报警声后跳出警示界面。

图4 半自动模式下的灌溉过程

图5 历史数据存储和查询

4 小结

该单体日光温室水肥一体化控制系统连接土壤含水率、光照强度等传感器，可实时获取相关信息，并判断作物水分的耗需情况，实现水肥的自动管理。在系统设计上以可编程控制器（PLC）为核心，扩展模拟量输入模块进行传感器或变送器数据的采集和转换，实现了决策参数可输入，决策指标数据可实时获取、传输、分析及存储，使该系统在生产应用上具有广适性，水分管理更符合作物实际的需求规律。在控制逻辑实现上，以基于水分传感器的模型控制方法为核心，结合作物水肥需求规律、土壤含水率及其他环境因子等因素的影响，适时适量为作物生长提供水分和养分，较好地实现了启动、灌溉量和肥液浓度的协同控制。与常规经验的灌溉管理模式相比，该系统可节省劳动力15%～20%，提高灌溉水利用效率50%以上，增产10%以上，有效地提高了生产效益和资源利用率。

目前，该单体日光温室水肥一体化控制系统在日光温室生产中应用，实现了作物水肥自动管理。但是，在我国日光温室土壤栽培中，土壤类型多样、均匀性较差，这对土壤水分传感器的适用性和稳定性有较高要求，所以针对传感器的选择或补偿漂移算法的相关工作有待开展。同时，应用中发现温室环境条件（如高温、高湿）的特殊性使系统的稳定性、准确性及使用寿命在一定程度上受到了影响，基于此将在系统硬件设计和控制逻辑实现上进一步优化，提高该单体日光温室水肥一体化控制系统的稳定性、管理精度及设备的使用寿命。

[1] 李加念,洪添胜,冯瑞珏,等.柑橘园水肥一体化滴灌自动控制装置的研制[J].农业工程学报,2012(10): 91-97.

[2] 袁洪波,程曼,庞树杰,等.日光温室水肥一体灌溉循环系统构建及性能试验[J].农业工程学报,2014(12):72-78.

[3] 倪宏正,尤春,倪伟.设施蔬菜水肥一体化技术应用[J].中国园艺文摘,2013(4):140-141.

[4] 何进宇,田军仓.膜下滴灌旱作水稻水肥耦合模型及组合方案优化[J].农业工程学报,2015(13):77-82.

[5] 李加念,洪添胜,冯瑞珏,等.基于脉宽调制的文丘里变量施肥装置设计与试验[J].农业工程学报,2012(8):105-110.

[6] 马伟,王秀,刘传,等.单穴水肥一体均匀定量施肥装置的开发[J].温室园艺,2015(16): 32-33.