基于移動苗床的潮汐式灌溉系統的研究

吳軍輝　黃榮蓉　陳杰　司慧萍　林開顏　施建鋒　周全

摘要：潮汐式灌溉是一種利用毛細原理實現為植物從根部進行灌溉的技術，該技術可以避免葉面產生水膜，使葉片接觸更多陽光，促進光合作用，提高水肥利用率，易控制相對濕度，減少病蟲害。但目前，國內對相關技術的研究較少，且整體水平較為落后，相關的研究論文數量和專利數量也較少。基于此種情況，加強潮汐式苗床灌溉系統的研究力度，并且投入到溫室使用，可以使灌溉效率和水分利用率明顯提高，同時減少氮肥施用。這種基于計算機控制來實現農作物灌溉施肥的系統，將具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：潮汐式；控制系統；苗床；灌溉；觸摸屏

資助項目：由國家設施農業工程技術研究中心和上海設施農業工程技術研究中心資助，國家科技支撐項目（2014BAD05B05）

中圖分類號： S223 文獻標識碼： A DOI編號： 10.14025/j.cnki.jlny.2016.18.036

潮汐式苗床灌溉是一種從栽培容器底部進行灌溉的技術。在營養液漲潮時，植物利用毛細作用進行水分和營養的吸收；營養液在退潮后被回收，經過濾和消毒后又可以被循環利用，達到節水省肥的目的。此灌溉系統最早來源于園藝設施技術較發達的荷蘭[1-2]，后來日本、美國和英國也有同類灌溉產品[3-4]，且正在快速地成為發達國家溫室灌溉的主要方式。目前，國內很多灌溉系統是從國外直接引進的，而潮汐式灌溉應用才剛剛開始，與國外相比有一定的差距，同時也有很大的發展空間。

在國內研究較少的前提下，研究潮汐式苗床灌溉系統就顯得尤為重要。實現苗床灌溉系統的基本功能是研究出發點，其開發流程為：確定灌溉系統組成；確定組成該系統的各個子模塊及其工作原理；機械圖設計；在機械實現的基礎上進行控制系統的硬件電路設計；硬件調試；軟件設計；軟件編程，以及軟硬件聯調。為了提高系統的自動化程度以及更好地觀測營養液的濃度平衡問題，研究中增加了一塊DGUS觸摸屏，方便實時觀察和操作。本文側重于潮汐苗床灌溉系統的整體介紹，對于苗床的機械設計和灌溉系統的各子系統做了較詳細的介紹。

1潮汐式苗床灌溉系統原理介紹

潮汐式苗床灌溉系統主要由移動苗床系統和潮汐式灌溉系統這兩大部分組成。移動式苗床主要包括苗床運動機構、栽培苗床和穴盤式栽培容器等。潮汐式灌溉系統主要由營養液循環系統（灌溉水箱、回收水箱、沉淀小水池、循環水泵、管路等）、營養液消毒系統、營養液濃度檢測系統、營養液濃度管理系統、控制系統等部分組成。潮汐式苗床灌溉系統的基本組成如圖1所示。

該系統的工作原理是將植盆或穴盤置于栽培床上，濃縮營養液罐中的濃縮營養液在灌溉水箱中與自來水混合，配比成適合灌溉的營養液。該營養液從灌溉水箱被專用循環電機和水泵組1抽出送至栽培苗床，將栽培床淹沒2～3厘米的深度。一段時間后，營養液因毛細原理上升至穴盤中基質的表面，然后打開回液調節口，將營養液排出到沉淀小水池，經過過濾網除去水中的基質纖維等雜質[5]，避免引起大多數作物病害的傳播。營養液消毒后通過電機和水泵組3使其流到回收水箱中，再通過電機和水泵機組2回到灌溉水箱中。在此過程中，營養液經過消毒系統消毒，同時營養液濃度監測器檢測營養液濃度，根據檢測的濃度做出相應的營養液濃度配比，方便在栽培苗床需水時再次灌溉。該系統具有控制精確、工作效率高、省水省肥、多次循環利用等特點。

2栽培苗床系統的設計結構及運動原理

2.1移動苗床系統的設計思路

潮汐式苗床部分主要技術研究從以下幾點出發：苗床的輸運整體系統研究規劃和調度優化；單層次苗床結構以及傳動系統研究；多自由度多層次多種類苗床結構以及傳動系統研究；多自由度多層次多種類苗床控制系統研究；苗床的位置檢測和定位控制研究；節能、高效、精確定位的苗床輸運運行系統的動力學控制方法研究。

2.2移動苗床系統的設計結構

該系統苗床主體材料主要采用不銹鋼、鍍鋅鋼材及40160型材等。整個苗床系統需要放在課題組示范溫室里，考慮到體積跟溫室里空間配比問題，單個單體苗床的大小定制為2265×1045米，比正常的單體苗床小，整個苗床的體積為13.696×12米，如圖2所示。移動苗床系統主要包括栽培區域（區域1、區域2、區域3）、苗床工作區域（單氣缸工作區域和雙氣缸工作區域），以及移動苗床操作控制區[6-7]。

2.3移動苗床系統的運動原理

苗床系統的最外兩側設有X導軌，單體苗床進入苗床系統時沿著X的正方向運動，離開苗床系統則沿著X的負方向運動，兩側的X導軌相當于兩個苗床的運輸或輪空區域。單體苗床在浮動導軌Y1和固定導軌Y2之間形成的新的軌道Y上縱向運動，在兩個新的軌道之間不能進行橫向運動。另外，苗床系統四周留有兩層苗床的空間余量。

運動總體規劃為：固定軌道X（進口）—軌道Y—固定軌道X（出口）。運動規劃時，苗床沿軌道X橫向一側進入，再進行Y縱向運動， Y1、Y2或者Y3路徑均可作為選擇，再從另一側軌道X退出，如圖3所示。

2.4移動苗床系統的裝置特點

該自動移動苗床系統采用短鏈條軌道架拼接的方式，可以標準化、成組化和模塊化生產，從而達到減小生產成本的效果，同時也可以減小故障率。推板在短鏈條帶動往返距離縮短，可以減輕移動機構的能耗。推板裝置采用單向柔性推動方式設計，也是保證短鏈條軌道架拼接成功的條件之一。支撐板采用型材結構設計，設計緊湊，架構平穩，安裝其他零部件比較方便，符合現代設計的要求。定桿、浮動桿及兩者之間的連接桿采用凹型槽鋼結構，使單體苗床底部的滾輪設計趨于標準簡單化，便于單體苗床滾輪在槽鋼上滑動，運行更加平穩，如圖4所示。

1.軌道支撐架2.苗床橫桿架 3.苗床支撐架4.浮動桿5.浮動桿支架6.連接桿7.驅動裝置8.驅動裝置支架9.單體苗床內膜10.單體苗床支架11.推板連接塊12.定桿 13.推板裝置 14.齒輪軸承15.短鏈條16.齒輪17.長鏈條18.鏈條軌道架19.苗床支撐板20.氣動裝置21.電線框架22.單體苗床滾輪23.傳感定位裝置131.推板本體132. 推板連接塊133.推板墊板134.鏈條軌道連接板135.鏈條連接塊136.彈簧137.彈簧安裝板

圖4 苗床基本組成結構圖

3潮汐式灌溉系統的設計及其原理

3.1潮汐灌溉系統邏輯設計描述

潮汐灌溉系統的核心是營養液的供應和循環，該部分主要由沉淀小水池、回收水箱、灌溉水箱以及多組電機和水泵組組成。營養液經過一次灌溉后回收的廢水需要通過營養液消毒系統及時消毒，同時由營養液濃度檢測器實時檢測，根據營養液的情況進行相應配比。

灌溉系統中的潮汐分為漲潮和退潮兩部分。漲潮部分：在每一個栽培床的旁邊配置輸送管道，每一根管道都配有電磁閥。灌溉控制器控制電磁閥開啟后，營養液就可以從施肥系統通過管道輸到栽培苗床上。漲潮需要在規定的時間內完成，此時電磁閥處于閉合狀態。退潮部分在漲潮工作完成后進行：植物經過灌溉后，回液調節閥開啟，營養液被回收到沉淀小水池內，再由灌溉控制器控制水泵啟動將營養液抽回到回收水箱中。

如圖5所示，苗床總共設有27個苗床電磁閥，通過27個電磁閥來控制3個區域共27個苗床的灌溉，區域1：1-9，區域2：10-18，區域三：19-27。

自來水管電磁閥的控制：自來水管的電磁閥根據（4）根據灌溉水箱液位調節閥（3）的信號決定開啟，如果水位偏低，自來水管的電磁閥開啟，如果水位到達標準線，電磁閥（4）關閉，停止進水。

苗床電磁閥的控制分為三種情況：情況1，27個苗床同時灌溉，苗床灌溉控制電磁閥（1）-（27）同時開始，灌溉離心泵開始，即電機和水泵組（1）開始工作，到苗床灌溉時間結束，灌溉離心泵停止工作，即電機和水泵組（1）停止工作；情況2，18個苗床同時灌溉，首先，苗床灌溉控制電磁閥（1）-（18）開啟，灌溉離心泵即電機和水泵組（1）開始工作，到苗床灌溉時間結束，電磁閥（1）-（18）關閉。其次，苗床灌溉控制電磁閥（10）-（27）開啟，灌溉離心泵即電機和水泵組（1）開始工作，到苗床灌溉時間結束，電磁閥（10）-（27）關閉。最終，苗床灌溉控制電磁閥（1）-（9）和（19）-（27）開啟，灌溉離心泵即電機和水泵組（1）開始工作，到苗床灌溉時間結束，所有苗床灌溉都結束后，離心泵電機和水泵組（1）停止工作；情況3，9個苗床同時灌溉，首先，苗床灌溉控制電磁閥（1）-（9）開啟，灌溉離心泵即電機和水泵組（1）開始工作，到苗床灌溉時間結束，電磁閥（1）-（9）關閉。其次，苗床灌溉控制電磁閥（10）-（18）開啟，灌溉離心泵即電機和水泵組（1）開始工作，到苗床灌溉時間結束，電磁閥（10）-（18）關閉。最終，苗床灌溉控制電磁閥（19）-（27）開啟，灌溉離心泵即電機和水泵組（1）開始工作，到苗床灌溉時間結束，電磁閥（19）-（27）關閉。所有苗床灌溉都結束后，離心泵電機和水泵組（1）停止工作。

沉淀小水池的控制：沉淀小水池的液位到達浮球及小水池液位調節閥（1）規定的最高高度時，電機和電機組（3）開啟，把小水池的回收液打回到回收水箱，當沉淀小水池的液位到達浮球及小水池液位調節閥（1）規定的最低高度時，電機和電機組（3）關閉.

臭氧消毒的控制：當說有的苗床都灌溉完畢，苗床電磁閥（1）-（27）都關閉，灌溉離心水泵電機和水泵組（1）也關閉時，打開臭氧消毒泵，同時開啟臭氧消毒機和氧氣制備機，以及氣水射流混合器，進行臭氧消毒，時間約為3小時。

3.2潮汐灌溉的營養液消毒系統

臭氧具有良好的消毒效果，本灌溉系統使用臭氧技術通過射流法對營養液進行消毒，由臭氧發生器、氧氣發生器、氣水射流混合器、水泵四部分組成。受到臭氧產生條件和部件壽命的影響，臭氧的生成一般都需要對空氣進行預處理或直接采用高濃度氧氣源。本消毒系統由氧氣發生器產生高濃度氧氣，經臭氧發生器得到的臭氧，再通過射流法與水溶和，最終提供給灌溉水箱。工藝流程為：空氣→氧氣發生器→臭氧發生器→臭氧→氣體射流→攪拌泵→消毒[8]，如圖6。

臭氧混合灌是為了增加水和臭氧的溶解，這里用攪拌泵替代了臭氧混合灌的功能，把廢水和臭氧通過水泵送達灌溉水箱，通過攪拌泵來增加溶解率，最終達到消毒的目的。

3.3潮汐灌溉的營養液管理系統

營養液管理系統由營養液濃度檢測器、濃縮營養液罐、蠕動泵和營養液控制器組成。營養液濃度檢測系統包括檢測筒、取樣泵、pH傳感器、EC傳感器、營養液液溫和硝態氮傳感器。pH傳感器的測量范圍0～14.00pH，測量精度0.2級；EC傳感器的測量范圍0～10.0mS.cm-1，營養液液溫測量范圍+2至40℃；硝態氮傳感器測量范圍0～1000mg/ml，精度為測量值的5%+0.2mg/L；pH的范圍pH5至pH9，操作溫度（空氣）-20至45℃，如圖7。

濃縮營養液罐由四個營養液罐組成，分別裝有Acid、硝態氮肥料、微量元素和其他大量元素。營養液需要通過濃度檢測器實時檢測EC、pH、硝氮、氯離子濃度和營養液溫度，并在控制端顯示這些參數。按照營養液檢測結果，配合控制器上設置的營養液控制方法和控制參數，控制蠕動泵的啟動和停止，將四個濃縮營養液罐中的濃縮營養液噴灑到灌溉水箱里，使得營養液的EC、pH，硝氮維持在設定的范圍內[9]。泵系統設置有互鎖功能，每一個泵在工作時，其余的泵則處在停止狀態。每一種濃縮營養液添加后系統都會設置一定的穩定時間，經過設置的時間以后，才會根據下一步的檢測值啟動后續濃縮液的添加。

基于硝態氮濃度控制的營養液控制流程如圖8。

4潮汐式苗床灌溉系統的控制部分

整個控制系統的灌溉部分由主控制電路、I/O采水位輸入電路、繼電器輸出電路、傳感器電路、觸摸屏控制電路和觸摸屏組成，如圖9所示。主控制電路、繼電器輸出電路和觸摸屏控制電路采用宏晶公司的8位微控制器STC15F2K60S2；I/O采水位電路采用SST公司的8位微控制器89E516RD-40-C-PIE；傳感器電路采用WINBOND的8位微控制器W77E58。

主控制電路是整個控制系統的核心，負責接收I/O采水位信息，包括回收水箱、灌溉水箱及沉淀小水池三個的液位信息。經過主控板CPU處理后，系統運行規則作出相應的決策命令，發送給繼電器輸出板，執行灌溉、回水和消毒等命令。傳感器電路板采集EC、pH和硝氮值，配合營養液管理系統工作。整個操作都可以在控制系統的電控箱上完成。為了使得操作更加智能化，我們增加了由北京迪文公司生產的DGUS觸摸屏。迪文公司所規定的通訊協議和我們開發的通訊協議不同，增加Display控制板承擔協議翻譯工作，使得彼此之間可以正常通訊，更好地配合整個系統工作，如圖10。

5結語

潮汐式灌溉系統是一種高效的節水灌溉技術，適用于多類盆栽植物的種植，尤其是植物的工廠化育苗。目前，此套基于苗床的灌溉系統的基本功能已經實現，正應用于同濟大學新奧生態園溫室內。系統另外，可以通過觸摸屏設置自動灌溉模式，操作人員不需等待灌溉結束才能離開，大大降低了人力成本，且自動化程度相對較高。

潮汐式苗床灌溉系統目前正處于研究階段，國內這此的研究也相對較少，體系還不是很完善。在實現基本實現功能的前提下，后期還有很多研究工作要做：實現計算機控制系統對作物的水肥精準管理和控制[10]；在Web層實現對灌溉狀況的觀察和操作，提高操作便捷性；控制系統的通信效率還有待提高；有線式通信布線復雜，影響苗床的運動，可以往無線通信的方向繼續深入研究等。

參考文獻

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[10]張曉文，田真，劉文璽，王影.潮汐式灌溉系統的研發與推廣[J].《農業工程》，2011，01（01）：80-83.

作者簡介：吳軍輝，博士，同濟大學，副研究員，研究方向：設施農業嵌入式系統領域的研究；黃榮蓉，在讀碩士研究生，同濟大學，研究方向：設施農業；司慧萍，博士，同濟大學，副教授，研究方向：設施農業機械的研究；林開顏，博士，同濟大學，講師，研究方向：溫室環境自動控制，農業計算機視覺等領域。

通訊作者：陳杰，博士，同濟大學，副教授，研究方向：設施農業相關領域的研究。

網絡出版地址：2016/9/18 8：57：00

網絡出版時間：http：//www.cnki.net/kcms/detail/22.1186.s.20160918.0857.001.html