溫室智能土壤濕度控制系統的設計

摘要：灌溉和通風是維持溫室內作物生長所需土壤濕度條件的重要手段，應用自動化控制系統可以提高溫室環境控制效率和效果。設計一套溫室智能土壤濕度控制系統，闡述實際應用設計方案，通過試驗證明該系統可以使溫室內土壤濕度維持最佳水平，既能提高水資源利用效率，又能降低生產成本，有助于增加溫室生產的經濟效益。

關鍵詞：土壤濕度； 溫室； 控制系統； 濕度傳感器； PLC

中圖分類號：S278 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2024）04-0047-03

當前，全世界淡水資源日益減少。農業是淡水消耗的主要行業之一[1]，為了實現農業的可持續發展，采取節水措施至關重要。在我國，溫室節水灌溉技術主要包括管道灌溉、微噴灌、滴灌等模式[2]。這些技術在節水方面取得了顯著成效，但仍存在一些不足，如智能化和精準化程度不高等，導致水資源的利用效率未能達到最優[3]。電子技術的快速發展為溫室土壤濕度智能控制的創新提供了可能。研究設計一套溫室智能土壤濕度控制系統，以維持溫室內土壤濕度處于最佳水平。

1 系統總體設計

智能土壤濕度控制系統主要由智能控制中樞、土壤濕度檢測系統、灌溉動作執行機構和通風去濕機構4個部分組成。系統的工作原理是：利用土壤濕度檢測系統實時監測土壤濕度，當濕度降至預設的最低閾值時，智能控制中樞自動觸發灌溉動作執行機構進行噴灌或滴灌，以增加土壤濕度；反之，當濕度超過最高閾值時，通風去濕機構啟動，通過風機排風降低濕度，直至土壤濕度回歸到適宜水平。

2 實際應用設計

以面積為667 m2（100 m×6.67 m）的溫室為例。根據實際生產需要，應用試驗從4個方面進行考慮：灌溉動作執行機構由灌溉裝置、驅動裝置和傳動裝置組成；通風去濕機構由控制電路、驅動裝置和風機組成；土壤濕度檢測系統由檢測電路、濕度傳感器組成；智能控制中樞以PLC為控制核心，由處理MCU、控制電路組成。

具體操作為：第一，明確項目設計需求，劃分設計單元，制定初步的設計方案；第二，闡明灌溉動作執行機構的工作過程與工作原理，設計灌溉動作執行機構并校核；第三，設計土壤濕度檢測系統，包括選擇元器件、PCB設計、軟件邏輯編程等方面；第四，設計智能控制中樞，主要由PLC、處理MCU、控制電路組成；第五，進行技術經濟分析。

2.1 灌溉動作執行機構

2.1.1 灌溉形式及布置 溫室內灌溉以噴灌、滴灌和滲灌為主[4]。選用滴灌形式，其優點是既能有效控制土壤水分，又能提高土壤通氣性，避免灌水后土壤空氣減少、地表板結，并且可隨水滴入肥料和農藥，一次性完成灌水和施肥施藥[5]。灌溉動作執行機構布置如圖1所示。

2.1.2 參數設計 電動機：選用YSF802-2交流電動機1 臺，功率1.1 kW；水泵：選用200QJ80-88/8 潛水泵1 臺，流量80 m3/h，揚程88.0 m；控制首部由主過濾器、閘閥、化學藥劑箱、二級過濾器和水表組成；主管道：選用直徑32.0 mm的PVC管，長度20.0 m；滴灌管道：選用16.0 cm×0.4 cm×20.0 cm的滴灌管，單排長度100.0 m，排管間距0.5 m，總長度1 300.0 m[6]。

2.2 通風去濕機構

2.2.1 通風形式及布置 通風是降低溫室內土壤濕度的一種有效且簡便的方法[7]。由于溫室是密封環境，通常情況下濕度要高于室外。讓室外干燥空氣進入，稀釋室內空氣能，促進空氣對流，可以加速土壤水分蒸發。通風去濕機構布置如圖2所示。

2.2.2 參數設計 通風機布置：通風機沿溫室左右側壁對稱排列，每側設置5臺，首臺通風機與溫室前山墻距離10.0 m，通風機間距20.0 m，距地面高度1.0 m；風機：選用T35-11型風機10臺，風量1 346 m3/h，轉速1 450 r/min，風壓44 Pa，效率0.895；電動機：選用YSF501-4交流電動機10臺，功率25.0 W。

2.3 土壤濕度檢測系統

土壤濕度檢測系統由檢測電路和濕度傳感器組成。

2.3.1 檢測電路 檢測電路設計如圖3所示。

2.3.2 濕度傳感器 濕度傳感器由濕敏元件（如濕敏電阻、濕敏電容）、傳輸電路等組成，可以檢測環境內濕度。濕度傳感器根據測量的范圍可以分為高濕型、低濕型、全濕型。選用VeinasaTR-101型全濕型濕度傳感器，測量范圍0～100%，分辨率0.1%，準確度±3%，工作溫度-50～80 ℃，供電方式DC12V。

2.4 智能控制中樞

智能控制中樞由PLC控制模塊、處理MCU、控制電路組成。處理MCU（單片機）將濕度傳感器檢測到的模擬信號轉化為可以讀取的電信號，以控制其他元件工作。單片機：選用UM16432-NCLL型號，SPI、I2C接口，支持32SEG×4COM、30SEG×6COM、28SEG×8COM共3種顯示模式，LQFP48封裝，內置顯示數據存儲器，內置32 kHz 振蕩器。控制電路設計如圖4所示。

3 試驗驗證

2023年6月4—20日于哈爾濱市南崗區紅旗滿族鄉進行試驗。選取4棟面積為667 m2的溫室，均采用滴灌系統進行灌溉，其中兩棟溫室（甲棟溫室、乙棟溫室）采用人工測試濕度后手動調節的方法，另外兩棟溫室（丙棟溫室、丁棟溫室）利用智能土壤濕度控制系統進行調節。試驗數據見表1。

由表1可知，在維持相同的溫室土壤濕度條件下，采用溫室智能土壤濕度控制系統比人工手動調節可節水16%以上；隨著土壤濕度升高，用水量也增大，采用溫室智能土壤濕度控制系統的節水效果更為顯著。

4 結論

在溫室中使用智能土壤濕度控制系統，通過前端實時測量、中端自動滴灌、后端智能反饋，能夠達到對土壤濕度的精準掌控調節，人為創造適宜作物生長的環境，既可以滿足作物生長的水分需求，又具有明顯的節水效果，大大降低了灌溉成本。

參考文獻

[1] 孫德彬.滴灌技術在溫室大棚蔬菜栽培上的應用分析[J].中國農業文摘-農業工程，2021，33（1）：25-26.

[2] 王霞玲，徐偉利，王琪，等.不同節水灌溉方式對溫室土壤濕度的影響[J].農業與技術，2015，35（21）：105-107.

[3] 曾平陽.滴灌技術在日光溫室中的應用[J].農家參謀，2021（13）：29-30.

[4] 梁軍.淺析武山縣溫室大棚滴灌技術的應用[J].農業科技與信息，2022（7）：43-46.

[5] 許燕萍，陳磊，朱輝，等.基于STM32的設施番茄智能滴灌系統設計[J].數字技術與應用，2021，39（12）：158-160.

[6] 路永強.高效節水灌溉技術在農田水利工程中的應用[J].南方農機，2022，53（53）：171-173+186.

[7] 胡瑤玫，李嬌.連棟溫室通風系統的研究應用[J].農業工程技術，2017，53（37）：49-51.