基于計(jì)算機(jī)C+語(yǔ)言的溫室雨水自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)溫室雨水利用系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉的問題，設(shè)計(jì)溫室雨水利用裝置，并根據(jù)雨水利用裝置的工作原理，結(jié)合自動(dòng)化控制技術(shù)，引入土壤溫濕度傳感器監(jiān)測(cè)土壤濕度，基于人機(jī)界面的組態(tài)平臺(tái)，設(shè)計(jì)自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)。同時(shí)，利用計(jì)算機(jī)C+[KG-*3]+語(yǔ)言設(shè)計(jì)作物數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)，根據(jù)溫室作物土壤含水量變化范圍，決定是否需要灌溉，并通過組態(tài)平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的狀態(tài)，科學(xué)地種植溫室作物。通過對(duì)溫室雨水綜合利用系統(tǒng)進(jìn)行灌溉試驗(yàn)，分析作物的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：溫室雨水；綜合利用系統(tǒng)；整體布置；自動(dòng)灌溉；控制系統(tǒng)；土壤含水量；組態(tài)軟件；C+[KG-*3]+語(yǔ)言

中圖分類號(hào)： S24；S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）12-0368-04

收稿日期：2015-11-03

作者簡(jiǎn)介：吳帆（1982—），女，江蘇鹽城人，工程碩士，講師，研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化。E-mail：tanceyiy@163.com。

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展及農(nóng)村種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)設(shè)施和管理模式已經(jīng)不能滿足社會(huì)高速發(fā)展的需要[1-2]，具有節(jié)能、高產(chǎn)、高效特點(diǎn)的溫室種植是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。而集雨溫室是節(jié)約型溫室的典型，通過對(duì)自然條件下雨水的收集和利用，可以節(jié)省溫室灌溉的成本[2-3]。我國(guó)對(duì)于雨水利用的研究起步較晚[4]，目前集水溫室的相關(guān)研究還較少。蔡月秋等利用溫室棚面與地面的自然高差，設(shè)計(jì)了溫室棚面雨水收集及自壓式滲灌系統(tǒng)[5-6]。張?zhí)炝值壤谩癠”形集雨槽對(duì)日光溫室進(jìn)行了集雨設(shè)計(jì)[7]。湯瑛芳以日光溫室棚面為集水面，對(duì)越冬的滲灌、滴灌、膜下暗灌的供水方式進(jìn)行比較試驗(yàn)，結(jié)果表明，滲灌是高效節(jié)水的灌溉方式[8]。對(duì)于現(xiàn)代溫室而言，當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)是實(shí)現(xiàn)溫室溫度、灌溉等環(huán)節(jié)的自動(dòng)化和智能化，最終做到無人值守的全自動(dòng)狀態(tài)。溫室的自動(dòng)化控制已有部分學(xué)者取得了一定成果，李君華等通過構(gòu)建溫室的組態(tài)系統(tǒng)，利用軟件控制溫室的各個(gè)環(huán)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化功能[9]。陳磊利用CAN總線和嵌入式Linux技術(shù)，構(gòu)建了溫室的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了溫室灌溉的自動(dòng)控制[10]。

目前，溫室雨水利用還存在一定的問題，即集水功能還沒有得到控制的自動(dòng)化，上文提到關(guān)于溫室集水和自動(dòng)控制的研究現(xiàn)狀，但是大部分學(xué)者還沒有提出溫室雨水利用系統(tǒng)、溫室自動(dòng)控制灌溉技術(shù)的綜合技術(shù)，國(guó)內(nèi)對(duì)于溫室雨水自動(dòng)化灌溉的研究也很少[2]。本研究結(jié)合溫室土壤的相關(guān)數(shù)據(jù)，利用C+[KG-*3]+語(yǔ)言編寫了自動(dòng)灌溉軟件[11]，以期將溫室集水功能融合到自動(dòng)控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的自動(dòng)化。

1系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

溫室雨水綜合利用系統(tǒng)主要由雨水收集裝置、溫室灌溉系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中雨水收集裝置主要完成雨水收集、過濾、儲(chǔ)存等任務(wù)，可為灌溉系統(tǒng)提供足夠的灌溉水源，當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)出灌溉信號(hào)時(shí)，水泵將集水池中的水源送至灌溉管路中，完成溫室作物的灌溉任務(wù)，此時(shí)土壤濕度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)土壤的濕度，并將信號(hào)傳送到控制系統(tǒng)的上位機(jī)，當(dāng)土壤濕度達(dá)到灌溉目標(biāo)值后，自動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出結(jié)束灌溉的信號(hào)，系統(tǒng)的工作整體布置如圖2所示。

2系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分主要由可編程邏輯控制器（programmable logic controller，簡(jiǎn)稱PLC）各模塊、土壤濕度傳感器和通訊傳輸?shù)炔糠纸M成，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。PLC的任務(wù)是處理土壤濕度傳感器的信號(hào)和溫室灌溉系統(tǒng)的自動(dòng)控制，其工作原理：接受上位機(jī)的開關(guān)量控制信號(hào)，并根據(jù)控制信號(hào)運(yùn)行中央處理器（central processing unit，簡(jiǎn)稱CPU）內(nèi)部的程序，從而控制溫室灌溉系統(tǒng)執(zhí)行元件的動(dòng)作[12-13]，在灌溉過程中，土壤濕度傳感器實(shí)時(shí)對(duì)PLC反饋濕度值，PLC會(huì)在程序內(nèi)部進(jìn)行判斷，當(dāng)濕度值到達(dá)設(shè)定值時(shí)，PLC會(huì)執(zhí)行灌溉停止的命令。

本研究選用西門子S7-300系列的PLC組件，CPU為CPU 319F-3 PN/DP，通訊模塊為CP 343-1，系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通訊，傳輸數(shù)據(jù)速度迅速準(zhǔn)確，傳感器的數(shù)據(jù)采集采用西門子SM300的模擬量輸入輸出模塊；PLC通過從站ET200s模塊控制電動(dòng)機(jī)的工作，電動(dòng)機(jī)是灌溉系統(tǒng)中水泵的動(dòng)力原件，控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率， 將有效地控制灌溉系統(tǒng)水流量的

[TPWF3.tif]

大小；同時(shí)，從站還對(duì)灌溉系統(tǒng)中的電磁閥進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)水路的開關(guān)控制，PLC程序組態(tài)見圖4。

[FK（W12][TPWF4.tif]

土壤濕度傳感器是關(guān)鍵的硬件部分，濕度傳感器將信號(hào)傳遞到PLC的SM300模塊，通過PLC內(nèi)部程序的處理，提供反饋信號(hào)，對(duì)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。本系統(tǒng)選用電阻式土壤溫濕度傳感器，布置在種植區(qū)域田壟中間，傳感器橫向距滴頭10 cm，將6 cm探頭全部埋進(jìn)土壤中。

3系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計(jì)

溫室雨水綜合利用系統(tǒng)包括灌溉控制的自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過C+[KG-*3]+語(yǔ)言編寫上位機(jī)的軟件，軟件提供強(qiáng)大的信息查詢和分析功能，并應(yīng)用西門子人機(jī)界面軟件編寫組態(tài)，提供環(huán)境友好、直觀的監(jiān)控界面。

3.1作物生長(zhǎng)信息查詢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于溫室環(huán)境下的不同作物生長(zhǎng)信息的統(tǒng)計(jì)，有利于調(diào)節(jié)溫室的環(huán)境指標(biāo)，包括溫度、濕度、灌溉時(shí)間等，本研究根據(jù)南方、北方地區(qū)不同作物基本信息編寫查詢軟件，可查閱作物灌溉信息、土壤相對(duì)含水量，根據(jù)溫室作物的生長(zhǎng)周期、生長(zhǎng)習(xí)性，為溫室雨水綜合利用系統(tǒng)的自動(dòng)化控制提供依據(jù)，從而將溫室土壤的濕度保持在合理范圍區(qū)間，有利于溫室作物的高產(chǎn)。北方、南方地區(qū)常見溫室作物信息統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別見表1、表2。

對(duì)軟件系統(tǒng)中作物的信息進(jìn)行查詢，應(yīng)遵循分類選擇的原則，分類信息包括溫室所處的地區(qū)、作物類型、作物名稱等方面，根據(jù)查詢系統(tǒng)的下拉列表找到要查詢的具體信息，運(yùn)用設(shè)計(jì)的軟件，查詢常用作物的灌溉信息、土壤含水量情況。以北方生態(tài)溫室種植的黃瓜為例，軟件查詢、輸出界面見圖5。

3.2自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計(jì)

根據(jù)溫室雨水綜合利用系統(tǒng)的工作原理，基本過程為收集雨水、雨水處理與存儲(chǔ)、雨水灌溉。根據(jù)溫室作物對(duì)土壤濕度的要求和生長(zhǎng)習(xí)性，及時(shí)對(duì)田間作物進(jìn)行灌溉，安裝在土壤中的濕度傳感器反饋土壤濕度，達(dá)到要求后及時(shí)停止灌溉，從而實(shí)現(xiàn)溫室灌溉的全自動(dòng)化控制。自動(dòng)化控制的監(jiān)控和操作由人機(jī)界面來實(shí)現(xiàn)[14-15]，這里使用西門子的TIA Portal來設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的組態(tài)界面。

（1）系統(tǒng)的主界面。系統(tǒng)的主界面是溫室的總體視圖，包括溫室種植區(qū)域、上位機(jī)控制和灌溉設(shè)備。溫室作物的土壤溫度和土壤濕度在界面上可以直接顯示，相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以通過點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕得到，界面友好而簡(jiǎn)潔，如圖6所示。

（2）實(shí)時(shí)和歷史曲線查詢界面。對(duì)于溫室雨水綜合利用系統(tǒng)，溫室監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的保存很重要，歷史數(shù)據(jù)的保存可以給工作人員的經(jīng)驗(yàn)積累提供幫助，實(shí)時(shí)、歷史曲線界面如圖7所示。歷史曲線按照溫度、濕度分為2組，展示了溫室中灌溉區(qū)域的溫度、土壤濕度的變化。歷史數(shù)據(jù)查詢界面包括歷史查詢、實(shí)時(shí)查詢、歷史曲線、實(shí)時(shí)曲線等，可以輸入想要查詢的時(shí)間段，系統(tǒng)默認(rèn)的時(shí)間為1 h。

（3）報(bào)警界面。對(duì)于灌溉自動(dòng)控制的監(jiān)控，還包括安全方面的設(shè)計(jì)，其中水泵電動(dòng)機(jī)的電流、功率等主要參數(shù)須實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)參數(shù)達(dá)到警報(bào)上限時(shí)，應(yīng)及時(shí)報(bào)警。此外，在灌溉過程中，土壤濕度超出設(shè)定范圍也會(huì)提示報(bào)警，報(bào)警設(shè)計(jì)的范圍很大，主要功能是使自動(dòng)控制系統(tǒng)在合理的狀態(tài)下工作，報(bào)警界面見圖8。

（4）誤差修正界面。由于溫室環(huán)境存在客觀隨機(jī)性，土壤濕度傳感器有可能出現(xiàn)檢測(cè)誤差或零點(diǎn)漂移，這要求控制系統(tǒng)能實(shí)時(shí)檢測(cè)到該事件，并及時(shí)糾正誤差，因此設(shè)計(jì)誤差修正界面，對(duì)下限值進(jìn)行校正，從而提高溫室灌溉系統(tǒng)濕度檢測(cè)的準(zhǔn)確性，相應(yīng)界面見圖9。

4系統(tǒng)的試驗(yàn)研究

根據(jù)溫室雨水綜合利用系統(tǒng)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的試驗(yàn)，測(cè)試設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件、硬件的可靠性，試驗(yàn)的第1步是系統(tǒng)硬件部分安裝、調(diào)試，包括在田間種植作物區(qū)域布置灌溉的管路及灌溉系統(tǒng)動(dòng)力部分的安裝，在系統(tǒng)硬件搭建完成的條件下才可以調(diào)試整個(gè)系統(tǒng)，同時(shí)設(shè)置對(duì)比試驗(yàn)區(qū)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析比較，最后對(duì)系統(tǒng)中存在的不足進(jìn)行調(diào)整、改正。

4.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地點(diǎn)選在江蘇鹽城的農(nóng)業(yè)示范田4號(hào)區(qū)域。江蘇鹽城地區(qū)的四季平均氣溫、降水量見表3，示范田試驗(yàn)用地的基本情況：溫室種植區(qū)域長(zhǎng)80 m、跨度8 m，試驗(yàn)區(qū)土壤為棕壤土，田間持水量為37%，土壤pH值為7.5～7.9，土壤基本理化性質(zhì)：全氮含量1.150 g/kg，全磷含量1.12 g/kg，全鉀含量20.40 g/kg，堿解氮含量58.96 g/kg，速效磷含量48.32 g/kg，速效鉀含量148.50 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量11.73 g/kg，pH值 7.85。

根據(jù)對(duì)比試驗(yàn)的原則，采用相同土質(zhì)的同一片溫室，選擇溫室內(nèi)2塊面積、光照度、溫度等條件一樣的試驗(yàn)田，為避免手動(dòng)、自動(dòng)灌溉方式對(duì)水分、養(yǎng)分互滲或遷移的影響，對(duì)2塊試[CM（25]驗(yàn)田進(jìn)行隔離處理，在定植前2區(qū)之間用埋深80[KG*3]cm塑料薄膜做成凹形的防滲透隔離處理。試驗(yàn)滴灌帶為直徑 18 mm 的內(nèi)鑲式滴灌管，灌溉孔的間距為40 cm。連接滴灌管的輸水支管為聚乙烯硬塑管，直徑30 mm，試驗(yàn)小區(qū)布置見圖10。

從表3還可以看出，夏季為江蘇鹽城地區(qū)降水量最多的時(shí)期，因此從4月左右開始對(duì)溫室棚面雨水進(jìn)行收集，匯集至集雨池，提供試驗(yàn)灌溉用水，7月開始進(jìn)行灌溉試驗(yàn)，測(cè)試蔬菜選用果菜類的番茄。

4.2結(jié)果與分析

從表2可以看出關(guān)于番茄的生長(zhǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)，可見番茄生長(zhǎng)周期為110 d，適宜的生長(zhǎng)溫度為13～28 ℃，適宜的濕度為45%～55%，在苗期、開花著果期和結(jié)果期的3個(gè)時(shí)期，土壤水分的含量逐漸提高。從7月開始種植，到10月開始收獲果實(shí)，其間同一溫室的2塊試驗(yàn)田分別采用人工、自動(dòng)控制的灌溉方式，得到單株產(chǎn)量對(duì)比結(jié)果。

[FK（W10][TPWF10.tif]

從圖11可以看出，不同灌溉方式對(duì)單株番茄的產(chǎn)量影響較大，基于科學(xué)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的自動(dòng)控制灌溉方式具有明顯優(yōu)勢(shì)，依靠人種植經(jīng)驗(yàn)的人工灌溉略顯不足。從9月末開始收獲番茄的果實(shí)，自動(dòng)化灌溉的單株番茄產(chǎn)量一直高于人工灌溉的番茄產(chǎn)量，最大差距可以達(dá)到1.6倍。當(dāng)然，通過1次試驗(yàn)不能得到?jīng)Q定性結(jié)論，還需要多次重復(fù)試驗(yàn)才能得到較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，但是自動(dòng)化灌溉的效果確實(shí)明顯，溫室雨水綜合利用自動(dòng)化控制系統(tǒng)的可靠性、實(shí)用性在一定程度上得到了證明。

[FK（W10][TPWF110.tif]

5結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了溫室雨水綜合利用自動(dòng)控制系統(tǒng)，根據(jù)溫室雨水收集裝置的結(jié)構(gòu)組成、工作原理，設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件、軟件部分，搭建自動(dòng)控制的組態(tài)監(jiān)控平臺(tái)。基于科學(xué)的溫室作物種植數(shù)據(jù)，利用構(gòu)建的自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)、定量的溫室灌溉方式，并結(jié)合實(shí)際進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)具有可靠性和實(shí)用性。

本研究設(shè)計(jì)了作物種類的軟件查詢系統(tǒng)，為常見的蔬菜類作物種植提供了參考依據(jù)，不同灌溉方式下得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一定價(jià)值， 后續(xù)研究會(huì)結(jié)合已有試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多次重復(fù)試驗(yàn)，并采用不同作物。

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