一種實用新型溫室精細灌溉自動控制系統及其應用

黎啟江，盧永志，黎競雄，王祥寧

（1.云南省農業科學院花卉研究所，云南 昆明 650205；2.昆明普潤源灌溉技術有限公司，云南 昆明 650106）

一種實用新型溫室精細灌溉自動控制系統及其應用

黎啟江1，盧永志2，黎競雄2，王祥寧1

（1.云南省農業科學院花卉研究所，云南 昆明 650205；2.昆明普潤源灌溉技術有限公司，云南 昆明 650106）

文章在消化吸收當今國內外水肥灌溉自控系統設備的基礎上，結合國情省情和現代設施農業—溫室大棚種植灌溉所需，研發了一種實用新型溫室精細灌溉自動控制裝置（專利號：ZL 2013.2 0587276.5），根據植物和環境變化，實現植物生長水肥灌溉自動控制，是現代農業向智慧農業種植管理自動控制技術裝置的系統設計與技術創新。在資源緊缺，提倡節水灌溉，發展生態農業，實現高效高產的今天，該系統的開發應用將對溫室種植管理產生深遠影響。

溫室灌溉；自控裝置；分析應用

在溫室大棚的生產管理中，作物的水肥灌溉是一個極為重要的組成部分。目前溫室大棚的水肥灌溉基本采用半自動（非智能）灌溉，這種灌溉方法存在一些問題：實施灌溉過程相對麻煩，必須人工操作；不能準確控制灌溉中作物所需要的最佳水量，往往是不多即少，造成浪費；不能根據作物的需求做出實時灌溉；需要人力資源的投入，養護成本較高。所以，提供一種自動精準的作物實時灌溉測控系統就非常必要了。

精細農業是目前國際農業發展的方向和潮流，精細灌溉則是精細農業理論研究和實踐的重要內容之一。通過對水肥的精細調控確保農產品的產量和品質，也是提高灌溉管理水平、實現節水農業的一個必然趨勢?，F代精細灌溉技術是按照田間各操作單元作物生長對灌水時間、灌溉水量、灌溉點以及灌水成分的精細要求，精細準確地調整灌溉管理措施，最大限度地提高水的利用率和利用效率，并充分保護農業生態環境，以實現農業水土資源的有效利用和管理。

云南花卉和蔬菜等經濟產業，憑借得天獨厚的自然氣候條件，產業規模和市場占有率不斷擴大，技術水平和產品質量不斷提高，出口量逐年迅猛增長。隨著國際花卉龍頭公司的介入，迅速推動了云南相關產業的發展和技術升級，特別是對水肥要求的提高，經濟作物的溫室綜合調控技術成為急待解決的關鍵技術難題。

作為溫室作物種植管理中非常重要的一個環節，精確灌溉自動控制系統的成功運用對提高溫室作物品質和產量、降低管理成本、病蟲害發生等方面將起到重要的作用。

1 背景

在現有的溫室灌溉自動控制設備中，多數從國外進口（荷蘭、以色列居多），一套系統安裝起來，少則幾十萬，多則上百萬，價格昂貴，遇到問題常常得不到及時解決。這類灌溉自動控制設備近些年來，除了在一些科研試驗和示范園區的溫室大棚內少量使用外，并沒得到大量的推廣應用。而國內少數廠家研發的此類產品，價格雖然比進口低一些，但其性能和精度又不及進口產品，導致使用中常不能滿足用戶需要。

文章所述溫室精細灌溉系統，其設備為大棚溫室作物自動灌溉控制系統的硬件、軟件（可選配空氣濕度、土壤濕度、溫度、光照強度、二氧化碳濃度、pH值和EC值等數據顯示）。該系統由傳感檢測電路、信號處理電路、外設（鍵盤、顯示器等） 配置接口電路、輸出控制電路、電源控制電路及相關設備等構成。它能夠實現多路采集輸入和多路輸出控制功能（價格僅為同功能進口設備的1/3）。硬件設計方面，采用品牌電腦驅動控制電路和執行裝置實現自動噴灌操作，計算機根據用戶設定參數，通過驅動繼電器控制閥門是否打開，閥門的打開與否就可以控制噴滴頭來進行對作物的實時噴滴灌。實驗證明，該電路可對噴滴灌電磁閥在噴滴灌時間1 s～99 min 59 s、間歇時間1 min～99 h任意調節，每個噴滴灌電磁閥可任意分配和組合，較好地解決了不同作物、同種作物不同生長時期灌溉的溫室生產等實際問題。該系統只需在原供水裝置上增設自動控制電路即可實現，結構簡單，工作可靠，具有一定的實用價值和推廣前景。

2 系統組成及原理分析

2.1 系統要素組成

系統要素組成如圖1所示。

圖1 系統要素組成框圖

從圖1可知，系統主要由PC機、多路控制器、控制節點（閘閥）、電源控制柜、施肥泵、ABC肥液池、離心泵、反沖洗過濾器、酸堿度監測儀、進水端儲水池等設備和管件組成。

2.2 各控制要素的作用

2.2.1 PC機

通過各傳感控制裝置收集各控制點的監測信號，經過處理、貯存后，按控制要求，發出相應的指令至多路控制器。同時還承擔控制區域的資料編輯存檔、控制程序修改等。如果以互聯網為平臺，利用現代通信技術和手段還可實現手機遠程監控。

2.2.2 多路控制器

根據PC機輸出指令，按要求對相關控制要素或設備發出開啟或關閉的工作信號。

2.2.3 電源控制柜

對需要用電的要素提供安全可靠的電源，并對用電設備提供缺相、斷路、過流過載保護等。

2.2.4 施肥泵

將多個不同性質的肥液池里的肥液，泵壓至供水管路，通過供水管路水肥混合后，經管路送至各需水的植物區。采用機械注入式施肥泵，可通過調節計量泵的沖程長度和沖程頻率來調節注入肥液或pH值調節液，滿足所種植物生長所需。

2.2.5 ABC肥液池

為滿足栽種物營養需要，系統水肥供給常設多個不同肥液的池子。當需要供給相應的肥液時，對應的肥液閘閥打開，經施肥泵供給水管送至相應需肥的植物區。

2.2.6 離心泵（加壓抽水泵）

按指令工作，把蓄水池或沉淀池的水抽至供水管。

2.2.7 反沖洗過濾器

對離心泵抽至供水管道中的水進行過濾后再送至各需水區管道，避免水質差造成滴頭或噴頭堵塞。反沖洗裝置自動化程度高，可定時對過濾器進行自動沖洗，節省人力和管理成本。

2.2.8 酸堿度監測儀

對供水管道中的水肥液體進行實時監測，避免因酸堿度（EC、pH值）過高或過低對植物帶來不良影響。監測數據直接送至PC機處理。當pH值過高偏堿性時，PC機輸出指令，打開酸性肥液池，經施肥泵把酸性肥液送至供水管道，調節中和輸送的肥液達到要求；當pH值過低偏酸性時，PC機輸出指令，打開堿性肥液池，經施肥泵把堿性肥液送至供水管道，調節中和輸送的肥液達到要求。

2.2.9 供水管路及回收管路

供水管路把首部輸出的水肥液送至各栽種物，回收管路把栽種床或槽滲漏的多余的水肥回收再利用。

2.3 溫室作物灌溉量分析

2.3.1 溫室作物灌溉量——經驗法分析

經驗法分析，是以歷史資料為主要依據，結合實際生產需要，通過頻率分析，根據氣象中長期預報來預測作物灌溉量的一種方法，并在國外得到了較好推廣和應用。在溫室作物灌溉中，即使在同一地區，作物生長期內的實際氣象因素、土壤因素及作物生長情況在不同年份都會相差很大，因而計算得到的灌溉量與實際所需灌溉量有很大出入。另外，這種方法要求實施溫室作物灌溉的當地需積累大量的歷史資料，而現實中往往不具備這一條件。特別是，溫室栽培在中國興起不久，現階段國內難以推廣應用。同時，經驗分析法通常采取測定旬、月蒸發量作為計算方法，往往因為是經驗性的，與實際有差異，所以不是令人十分滿意的方法。

2.3.2 溫室作物灌溉量——水量平衡法

水量平衡法，是采用各類型和大小不同的蒸發器來直接測定作物蒸發量的方法。但由于蒸發器內土柱與自然土壤隔絕，因而器內土柱的水、熱狀況與自然土壤有一定差別，特別是在有作物覆蓋的情況下更顯突出。

在溫室作物灌溉中，通常把土壤計劃溫潤層的儲水量變化用式1的水平衡方程來表示：

式中，W0、Wt—分別為時段和時段末的土壤計劃濕潤層內儲水量

WT—由于計劃濕潤層增大而增加的水量

P0—保存于土壤計劃濕潤層內的有效降雨

K—時段內地下水補給量

M—時段內的灌水量

E—時段內作物需水量

溫室內的降雨量為零。由于溫室作物根系一般較淺，且灌水頻繁毋需過多的儲水量，故計劃濕潤層可保持一較淺的深度不變，則因計劃濕潤層增深而增加的土壤儲水量為零。由于計劃濕潤層地勢較高，其濕度高于周圍土壤的濕度，且大部分溫室作物采用培養缽或穴盤無土栽培，故在溫室中地下水的補給量也可認為是零。則溫室種植中，土壤水量平衡方程可簡化為：

當土壤濕度保持不變時，Wt應與W0相等，由上式得M=E。

在溫室中，只要監測分析出作物需水規律，結合各生長階段對水肥的需求變化，即可計算其所需灌溉量。這種簡化大大方便了溫室種植中灌溉量的計算，并提高了其準確度，從而進一步保證了實現溫室中灌溉量精確控制的可能性。

2.3.3 溫室作物需水量分析

在溫室種植栽培中，土壤、作物、環境是影響作物需水量的連續體，作物水分損耗量的指標確定，計算模型及檢測裝置是確定作物精準灌溉和灌溉制度必須要考慮的環節。在以日光溫室種植面積和灌溉需水量為主要研究對象的設施農業種植中，對灌溉水技術、灌水量及水分生產進行分析計算，通過建立預測模型，預測設施農業種植范圍的需水量，為科學節約用水提供理論依據和計劃安排，是今后設施農業種植用水必須要考慮的重要因素。

參照作物騰發量常用ET0表示。對于某一具體作物，其在某一生長階段的騰發量為參照作物騰發量與一系數的乘積。此系數稱為作物系數，一般用Kc表示。作物騰發量的計算由求作物系數和求參照作物騰發量兩部分組成。作物系數主要由作物種類及其生長狀態決定，求法尚無公式或模型可依，可由資料或實驗獲得。

彭曼法所考慮的氣象因素最為全面，理論上最為完善，應用最為廣泛，而且至今仍在不斷優化、發展中，并為聯合國糧農組織所推薦，具有很高的權威性，是目前公認的計算參照作物騰發量的最佳方法。

在實際生產中通常無法得到足夠的溫室氣象資料來計算溫室內的參考作物蒸發蒸騰量。針對生產實踐，文章借鑒河海大學彭世章等對溫室滴灌西瓜作物需水量的實驗研究成果和西北農林科技大學何華等對溫室黃瓜需水規律的研究成果等，對于溫室作物的灌溉量，在應用彭曼一蒙特斯法或其它計算法進行控制時，引進溫室狀態系數。

將溫室狀態系數與作物系數及參考作物騰發量相乘后，才是作物需水量。則溫室中作物的需水量，即騰發量可用式2表示：

式中，ET—溫室作物騰發量

ET0—參考作物騰發量

KC—溫室作物系數

KG—溫室狀態系數

2.3.4 溫室灌溉控制原理

根據前面的分析，通過采集各種氣象變量、溫室狀態變量的監測，結合作物的生長狀況，運用控制系統能夠實現作物灌溉量與需水量的平衡控制。該法除了流量計，運用溫室最常用的檢測設備和微機，即可實施灌溉的自動控制，具有很強的經濟性和大規模推廣的前景。但不可避免地存在著計算偏差問題，作為一種開環控制方法，偏差累積最終有可能導致土壤濕度超出控制范圍。

為克服計算法存在的缺點，在實際中也可實行閉環控制，即通過土壤濕度監測實現精細控制灌溉。圖2為閉環控制狀態下，溫室綜合參數控制程序圖。

2.3.5 系統具有靈活、強大的報表解決方案

報表文件格式兼容Excel工作表文件，提供類Excel的絕大部分功能，包括：編輯功能、計算功能、圖表功能等。

（1）操作系統接口標準

選用的操作平臺為WindowsXP

（2）圖形界面標準

建立于Windows操作系統上，圖形界面符合Windows標準。界面全部采用圖形化，操作簡單，一目了然。

（3）數據庫訪問標準

實時數據庫系統由管理器和運行系統組成，實時數據庫將組態數據、實時數據、歷史數據等以一定的組織形式存儲在介質上。管理器是管理實時數據庫的開發環境，數據可導出Excel工作表文件。

（4）系統設計標準

穩定性、實用性、開放性、網絡性、可擴性、靈活性、實時性。

（5）控制

可實現手動控制，自動控制，恒壓供水控制，EC、pH值監測。

圖2 溫室綜合參數控制程序

3 結論

文章所述的溫室水肥精細灌溉系統及控制裝置，其優點和效果是，可在作物種植、種植基質、種植方式發生重大變化的情況下，通過管道化、水肥一體化和精準控制，實現與作物栽培方式和作物生長所需的高度統一。本裝置運行可靠、穩定，維護性、移植性好，具備很好的行業推廣及應用價值。本裝置的應用不僅減輕了灌溉的工作壓力，降低了運行成本和人工費用，同時也提升了管理水平，為進一步的數據分析提供了數據儲備，為其他系統二次開發提供可靠的技術支持。在本裝置的基礎上，可實現種植的全方位檢測和自動控制。比如對溫室的溫度、濕度、光照、CO2濃度等小環境的控制。

2014－07－21

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