基于計算機C+語言的溫室雨水自動化灌溉系統設計

摘要：針對溫室雨水利用系統無法實現自動灌溉的問題，設計溫室雨水利用裝置，并根據雨水利用裝置的工作原理，結合自動化控制技術，引入土壤溫濕度傳感器監測土壤濕度，基于人機界面的組態平臺，設計自動灌溉控制系統。同時，利用計算機C+[KG-*3]+語言設計作物數據查詢系統，根據溫室作物土壤含水量變化范圍，決定是否需要灌溉，并通過組態平臺實時監控自動灌溉系統的狀態，科學地種植溫室作物。通過對溫室雨水綜合利用系統進行灌溉試驗，分析作物的試驗數據，驗證了自動灌溉控制系統的可靠性和實用性。

關鍵詞：溫室雨水；綜合利用系統；整體布置；自動灌溉；控制系統；土壤含水量；組態軟件；C+[KG-*3]+語言

中圖分類號： S24；S126文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）12-0368-04

收稿日期：2015-11-03

作者簡介：吳帆（1982—），女，江蘇鹽城人，工程碩士，講師，研究方向為電氣自動化。E-mail：tanceyiy@163.com。

隨著農業現代化的發展及農村種植結構的調整，傳統的農業設施和管理模式已經不能滿足社會高速發展的需要[1-2]，具有節能、高產、高效特點的溫室種植是現代農業的發展方向。而集雨溫室是節約型溫室的典型，通過對自然條件下雨水的收集和利用，可以節省溫室灌溉的成本[2-3]。我國對于雨水利用的研究起步較晚[4]，目前集水溫室的相關研究還較少。蔡月秋等利用溫室棚面與地面的自然高差，設計了溫室棚面雨水收集及自壓式滲灌系統[5-6]。張天林等利用“U”形集雨槽對日光溫室進行了集雨設計[7]。湯瑛芳以日光溫室棚面為集水面，對越冬的滲灌、滴灌、膜下暗灌的供水方式進行比較試驗，結果表明，滲灌是高效節水的灌溉方式[8]。對于現代溫室而言，當前的發展趨勢是實現溫室溫度、灌溉等環節的自動化和智能化，最終做到無人值守的全自動狀態。溫室的自動化控制已有部分學者取得了一定成果，李君華等通過構建溫室的組態系統，利用軟件控制溫室的各個環節，從而實現了自動化功能[9]。陳磊利用CAN總線和嵌入式Linux技術，構建了溫室的數據自動采集系統，實現了溫室灌溉的自動控制[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化，上文提到關于溫室集水和自動控制的研究現狀，但是大部分學者還沒有提出溫室雨水利用系統、溫室自動控制灌溉技術的綜合技術，國內對于溫室雨水自動化灌溉的研究也很少[2]。本研究結合溫室土壤的相關數據，利用C+[KG-*3]+語言編寫了自動灌溉軟件[11]，以期將溫室集水功能融合到自動控制系統中，實現整體系統的自動化。

1系統構成及工作原理

溫室雨水綜合利用系統主要由雨水收集裝置、溫室灌溉系統、自動控制系統等部分組成，系統結構如圖1所示。其中雨水收集裝置主要完成雨水收集、過濾、儲存等任務，可為灌溉系統提供足夠的灌溉水源，當自動控制系統發出灌溉信號時，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，此時土壤濕度傳感器實時檢測土壤的濕度，并將信號傳送到控制系統的上位機，當土壤濕度達到灌溉目標值后，自動系統發出結束灌溉的信號，系統的工作整體布置如圖2所示。

2系統的硬件部分設計

系統的硬件部分主要由可編程邏輯控制器（programmable logic controller，簡稱PLC）各模塊、土壤濕度傳感器和通訊傳輸等部分組成，系統的硬件結構如圖3所示。PLC的任務是處理土壤濕度傳感器的信號和溫室灌溉系統的自動控制，其工作原理：接受上位機的開關量控制信號，并根據控制信號運行中央處理器（central processing unit，簡稱CPU）內部的程序，從而控制溫室灌溉系統執行元件的動作[12-13]，在灌溉過程中，土壤濕度傳感器實時對PLC反饋濕度值，PLC會在程序內部進行判斷，當濕度值到達設定值時，PLC會執行灌溉停止的命令。

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，系統采用以太網通訊，傳輸數據速度迅速準確，傳感器的數據采集采用西門子SM300的模擬量輸入輸出模塊；PLC通過從站ET200s模塊控制電動機的工作，電動機是灌溉系統中水泵的動力原件，控制電動機的轉速和功率， 將有效地控制灌溉系統水流量的

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大小；同時，從站還對灌溉系統中的電磁閥進行控制，實現水路的開關控制，PLC程序組態見圖4。

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土壤濕度傳感器是關鍵的硬件部分，濕度傳感器將信號傳遞到PLC的SM300模塊，通過PLC內部程序的處理，提供反饋信號，對參數進行實時數據采集。本系統選用電阻式土壤溫濕度傳感器，布置在種植區域田壟中間，傳感器橫向距滴頭10 cm，將6 cm探頭全部埋進土壤中。

3系統的軟件部分設計

溫室雨水綜合利用系統包括灌溉控制的自動控制系統，通過C+[KG-*3]+語言編寫上位機的軟件，軟件提供強大的信息查詢和分析功能，并應用西門子人機界面軟件編寫組態，提供環境友好、直觀的監控界面。

3.1作物生長信息查詢系統設計

對于溫室環境下的不同作物生長信息的統計，有利于調節溫室的環境指標，包括溫度、濕度、灌溉時間等，本研究根據南方、北方地區不同作物基本信息編寫查詢軟件，可查閱作物灌溉信息、土壤相對含水量，根據溫室作物的生長周期、生長習性，為溫室雨水綜合利用系統的自動化控制提供依據，從而將溫室土壤的濕度保持在合理范圍區間，有利于溫室作物的高產。北方、南方地區常見溫室作物信息統計結果分別見表1、表2。

對軟件系統中作物的信息進行查詢，應遵循分類選擇的原則，分類信息包括溫室所處的地區、作物類型、作物名稱等方面，根據查詢系統的下拉列表找到要查詢的具體信息，運用設計的軟件，查詢常用作物的灌溉信息、土壤含水量情況。以北方生態溫室種植的黃瓜為例，軟件查詢、輸出界面見圖5。

3.2自動灌溉控制系統的組態設計

根據溫室雨水綜合利用系統的工作原理，基本過程為收集雨水、雨水處理與存儲、雨水灌溉。根據溫室作物對土壤濕度的要求和生長習性，及時對田間作物進行灌溉，安裝在土壤中的濕度傳感器反饋土壤濕度，達到要求后及時停止灌溉，從而實現溫室灌溉的全自動化控制。自動化控制的監控和操作由人機界面來實現[14-15]，這里使用西門子的TIA Portal來設計控制系統的組態界面。

（1）系統的主界面。系統的主界面是溫室的總體視圖，包括溫室種植區域、上位機控制和灌溉設備。溫室作物的土壤溫度和土壤濕度在界面上可以直接顯示，相關監測數據可以通過點擊相應按鈕得到，界面友好而簡潔，如圖6所示。

（2）實時和歷史曲線查詢界面。對于溫室雨水綜合利用系統，溫室監控數據的保存很重要，歷史數據的保存可以給工作人員的經驗積累提供幫助，實時、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域的溫度、土壤濕度的變化。歷史數據查詢界面包括歷史查詢、實時查詢、歷史曲線、實時曲線等，可以輸入想要查詢的時間段，系統默認的時間為1 h。

（3）報警界面。對于灌溉自動控制的監控，還包括安全方面的設計，其中水泵電動機的電流、功率等主要參數須實時監控，當參數達到警報上限時，應及時報警。此外，在灌溉過程中，土壤濕度超出設定范圍也會提示報警，報警設計的范圍很大，主要功能是使自動控制系統在合理的狀態下工作，報警界面見圖8。

（4）誤差修正界面。由于溫室環境存在客觀隨機性，土壤濕度傳感器有可能出現檢測誤差或零點漂移，這要求控制系統能實時檢測到該事件，并及時糾正誤差，因此設計誤差修正界面，對下限值進行校正，從而提高溫室灌溉系統濕度檢測的準確性，相應界面見圖9。

4系統的試驗研究

根據溫室雨水綜合利用系統，設計相應的試驗，測試設計系統軟件、硬件的可靠性，試驗的第1步是系統硬件部分安裝、調試，包括在田間種植作物區域布置灌溉的管路及灌溉系統動力部分的安裝，在系統硬件搭建完成的條件下才可以調試整個系統，同時設置對比試驗區，對試驗結果進行分析比較，最后對系統中存在的不足進行調整、改正。

4.1試驗設計

試驗地點選在江蘇鹽城的農業示范田4號區域。江蘇鹽城地區的四季平均氣溫、降水量見表3，示范田試驗用地的基本情況：溫室種植區域長80 m、跨度8 m，試驗區土壤為棕壤土，田間持水量為37%，土壤pH值為7.5～7.9，土壤基本理化性質：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，有機質含量11.73 g/kg，pH值 7.85。

根據對比試驗的原則，采用相同土質的同一片溫室，選擇溫室內2塊面積、光照度、溫度等條件一樣的試驗田，為避免手動、自動灌溉方式對水分、養分互滲或遷移的影響，對2塊試[CM（25]驗田進行隔離處理，在定植前2區之間用埋深80[KG*3]cm塑料薄膜做成凹形的防滲透隔離處理。試驗滴灌帶為直徑 18 mm 的內鑲式滴灌管，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，試驗小區布置見圖10。

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

4.2結果與分析

從表2可以看出關于番茄的生長相關數據，可見番茄生長周期為110 d，適宜的生長溫度為13～28 ℃，適宜的濕度為45%～55%，在苗期、開花著果期和結果期的3個時期，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，其間同一溫室的2塊試驗田分別采用人工、自動控制的灌溉方式，得到單株產量對比結果。

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從圖11可以看出，不同灌溉方式對單株番茄的產量影響較大，基于科學統計數據的自動控制灌溉方式具有明顯優勢，依靠人種植經驗的人工灌溉略顯不足。從9月末開始收獲番茄的果實，自動化灌溉的單株番茄產量一直高于人工灌溉的番茄產量，最大差距可以達到1.6倍。當然，通過1次試驗不能得到決定性結論，還需要多次重復試驗才能得到較為準確的數據，但是自動化灌溉的效果確實明顯，溫室雨水綜合利用自動化控制系統的可靠性、實用性在一定程度上得到了證明。

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5結論

本研究設計了溫室雨水綜合利用自動控制系統，根據溫室雨水收集裝置的結構組成、工作原理，設計自動控制系統硬件、軟件部分，搭建自動控制的組態監控平臺。基于科學的溫室作物種植數據，利用構建的自動灌溉控制系統，實現科學、定量的溫室灌溉方式，并結合實際進行試驗，結果表明，設計的自動控制系統具有可靠性和實用性。

本研究設計了作物種類的軟件查詢系統，為常見的蔬菜類作物種植提供了參考依據，不同灌溉方式下得到的試驗數據具有一定價值， 后續研究會結合已有試驗結果進行多次重復試驗，并采用不同作物。

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