第 37 卷 第 8 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol 37 No 8 2021 年 4月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Apr 2021 133 椰糠條栽培番茄的蒸騰反饋智能灌溉系統(tǒng)研制 王 柳 丁小明 李 愷 張凌風(fēng) 裴慶余 尹義蕾 王春輝 侯 永 潘守江 田 婧 魯少尉 1 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院設(shè)施農(nóng)業(yè)研究所 北京 100125 2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100125 摘 要 為滿足番茄椰糠條栽培條件下自動(dòng)精量灌溉的需要 該研究研制了一套蒸騰反饋智能灌溉系統(tǒng) 包括蒸騰檢測(cè) 組件 通信組件 決策組件和灌溉組件 蒸騰檢測(cè)組件基于壓力傳感器測(cè)定番茄蒸騰量 決策組件基于椰糠條的持水特 性和番茄蒸騰量的變化建立了灌溉精量控制模型 精確控制水泵啟動(dòng)和關(guān)閉 使灌溉量根據(jù)作物蒸騰量的多少變化 并 根據(jù)回液量及其電導(dǎo)率 Electrical Conductivity EC 值變化判斷調(diào)用正常灌溉模式或淋洗模式 使椰糠條始終處于適宜 的含水量范圍內(nèi) 保持一定的水氣比 以利于番茄根系生長(zhǎng)和吸收營(yíng)養(yǎng)液 解決灌溉不足造成的干旱脅迫和灌溉太多造 成的營(yíng)養(yǎng)液浪費(fèi)和回液處理量大的問(wèn)題 通信組件用于各模塊間信號(hào)的傳遞 以荷蘭 RIDDER 公司研發(fā)的基于光輻射積 累量控制的灌溉系統(tǒng)為對(duì)照 檢驗(yàn)該蒸騰反饋智能灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用效果 結(jié)果表明 在番茄盛果期 該系統(tǒng)的灌溉量比 對(duì)照增加 9 4 回液量減少 18 且回液 EC 值比較穩(wěn)定 與定時(shí)灌溉相比 減少灌溉量 32 減少回液量 57 有更 多的營(yíng)養(yǎng)液被植物吸收利用 栽培效果顯示 使用該系統(tǒng)灌溉的番茄產(chǎn)量 株高 節(jié)數(shù)與使用荷蘭 RIDDER 公司研制的 灌溉系統(tǒng)的沒(méi)有顯著差異 取得了與之相同的灌溉效果 而且 在 5 000 m 2 溫室內(nèi)設(shè)備設(shè)計(jì)使用年限 10 a 條件下 該智 能灌溉系統(tǒng)年運(yùn)行成本與之相比還降低了 20 8 并能夠滿足自動(dòng)精量灌溉的需求 若根據(jù)基質(zhì)類型不同調(diào)整灌溉控制 模型參數(shù) 該系統(tǒng)也可應(yīng)用于巖棉條栽培 混合基質(zhì)盆栽等其他無(wú)土栽培的智能精量灌溉 關(guān)鍵詞 灌溉 蒸騰 傳感器 無(wú)土栽培 番茄 壓力傳感器 椰糠條 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2021 08 015 中圖分類號(hào) S275 6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 1002 6819 2021 08 0133 10 王柳 丁小明 李愷 等 椰糠條栽培番茄的蒸騰反饋智能灌溉系統(tǒng)研制 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2021 37 8 133 142 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2021 08 015 http www tcsae org Wang Liu Ding Xiaoming Li Kai et al Development of transpiration feedback intelligent irrigation system for tomato under coconut coir slabs cultivation condition J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2021 37 8 133 142 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2021 08 015 http www tcsae org 0 引 言 番茄是中國(guó)設(shè)施中栽培最多的蔬菜 2016 年設(shè)施栽 培面積超過(guò) 80 萬(wàn) hm 2 占設(shè)施蔬菜總面積的 16 1 無(wú) 土栽培技術(shù)因其高產(chǎn) 克服連作障礙 在設(shè)施園藝中被 廣泛應(yīng)用 椰糠因其成本較低 理化性狀良好 取材天 然 不污染環(huán)境等特性逐漸成為重要的無(wú)土栽培基質(zhì) 近年來(lái)推廣迅速 2 無(wú)土栽培營(yíng)養(yǎng)液的恰當(dāng)供給是作物吸 收養(yǎng)分和水分關(guān)鍵 無(wú)土栽培基質(zhì)體積遠(yuǎn)小于土壤栽培 對(duì)水分和養(yǎng)分的緩沖性差 若不能及時(shí)供液會(huì)造成生產(chǎn) 上災(zāi)難性的損失 若不間斷供液 作物根系長(zhǎng)時(shí)間浸沒(méi) 于飽和營(yíng)養(yǎng)液中會(huì)使根際通風(fēng)不良 不利于根系的呼吸 從而不利于根系和作物的生長(zhǎng) 嚴(yán)重的導(dǎo)致根壞死 因 此必須根據(jù)作物的需求來(lái)調(diào)整營(yíng)養(yǎng)液的灌溉量和灌溉頻 收稿日期 2021 01 19 修訂日期 2021 03 19 基金項(xiàng)目 十三五 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 溫室智能化精細(xì)生產(chǎn)技術(shù)及裝備 研發(fā) 2017YFD0701500 河北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 鮮食型口感番茄綠色生 產(chǎn)與品質(zhì)提升關(guān)鍵技術(shù)研究與示范 20326901D 作者簡(jiǎn)介 王柳 博士 研究方向?yàn)樵O(shè)施園藝 Email wangliu 通信作者 丁小明 研究員 研究方向?yàn)闇厥以O(shè)施裝備研究和標(biāo)準(zhǔn)化 Email dingxiaoming 率 對(duì)于開(kāi)放式 非循環(huán) 營(yíng)養(yǎng)液供液系統(tǒng) 超出作物 需求的營(yíng)養(yǎng)液供給還會(huì)造成水和肥料的浪費(fèi)和環(huán)境污 染 對(duì)于封閉 循環(huán) 式營(yíng)養(yǎng)液供給系統(tǒng) 超量營(yíng)養(yǎng)液 供給導(dǎo)致大量的回液增加了處理量 特別是以椰糠為栽 培基質(zhì)的系統(tǒng)中 回液中含有有機(jī)物 雜質(zhì)顆粒和色素 回收利用更加困難 因此 恰到好處地自動(dòng)精量供給營(yíng) 養(yǎng)液能有效解決上述問(wèn)題 土壤栽培中講究 見(jiàn)干見(jiàn)濕 以調(diào)節(jié)水氣平衡 而在基質(zhì)無(wú)土栽培中 營(yíng)養(yǎng)液也是間 歇供給 目前國(guó)內(nèi)外基質(zhì)栽培自動(dòng)供液方式有以下幾種 1 根 據(jù)經(jīng)驗(yàn)使用定時(shí)器實(shí)現(xiàn)定時(shí)定量供給 這是中國(guó)基質(zhì)栽培 采用的主要方式 3 4 這種方式有可能會(huì)造成早晚灌溉過(guò)多 而中午蒸騰量大的時(shí)候灌溉不足 2 基于 Penman Monteith 模型 5 6 或修正的 Penman Monteith 模型 7 8 估測(cè)的蒸散量來(lái) 決策營(yíng)養(yǎng)液的供給 這種方式需要的氣象參數(shù)很多 且難 以獲取 許多參數(shù)是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取的 有很大的局限性 3 利用介電傳感器如時(shí)域反射儀 9 10 頻域反射儀 11 13 電容傳感器 14 15 以及導(dǎo)熱率傳感器 16 等測(cè)得的基質(zhì)體積 含水率和水分 電導(dǎo)率 溫度組合傳感器測(cè)得的電導(dǎo)率 17 18 決定灌溉頻率 但這些方法存在傳感器價(jià)格昂貴 需要 校正和測(cè)量數(shù)值受基質(zhì)結(jié)構(gòu) 溫度和鹽度的影響等缺陷 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2021 年 134 4 通過(guò)監(jiān)測(cè)作物的反應(yīng)來(lái)控制灌溉 如監(jiān)測(cè)作物的反射 率 19 圖像 20 熱平衡流量傳感器測(cè)得的莖液流或直徑 傳感器測(cè)得的直徑變化 10 21 22 葉片溫度 23 等 但這些方 法受取樣的代表性和其他因素影響準(zhǔn)確率較低 且作物 反饋缺水時(shí)已經(jīng)受了傷害 5 無(wú)土栽培中較常用的是灌 溉控制模型是基于太陽(yáng)輻射 當(dāng)太陽(yáng)輻射積累到一定量 時(shí)啟動(dòng)一次灌溉 24 26 這種方式考慮了營(yíng)養(yǎng)液需求的日 變化 但他是一種間接控制模型 因?yàn)椴煌贩N作物不 同生長(zhǎng)階段葉面積不同 同樣的輻射累積量 作物的蒸 騰量也不一樣 因此需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整不同作物不同時(shí) 期的輻射累積量 作物的蒸騰同時(shí)還受溫度和風(fēng)速的影 響 基于一個(gè)地方氣候條件和種植品種建立的灌溉模型 在另一個(gè)地方未必適用 這就是很多荷蘭先進(jìn)的基于太 陽(yáng)輻射累積量的灌溉控制系統(tǒng)引進(jìn)中國(guó)后 水土不服 的原因 7 基于張力計(jì) 27 或負(fù)水頭供液決策的自動(dòng)灌溉方 式 28 29 裝置比較復(fù)雜 對(duì)于成品的椰糠條張力計(jì)或多孔陶 瓷盤難以安裝 因此無(wú)法用于椰糠條的栽培 6 基于平板 天平自動(dòng)稱量種有作物的基質(zhì)或容器的質(zhì)量 當(dāng)其達(dá)到設(shè) 定閾值時(shí)則啟動(dòng)灌溉 10 30 33 質(zhì)量隨時(shí)間的降低量反應(yīng)了蒸 騰 蒸發(fā)和淋溶損失的水量 從而可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單而直接的 灌溉控制 該技術(shù)在國(guó)外已授權(quán)專利 荷蘭的 PRIVA RIDDER Hoogendoorn 等公司可以提供該技術(shù) 但設(shè)備和 支撐軟件較為昂貴 34 且控制模型不為中國(guó)所掌握 鑒于以上方法存在的問(wèn)題 本研究采用壓力傳感器 檢測(cè)基質(zhì)質(zhì)量和回液質(zhì)量的方法 開(kāi)發(fā)一種蒸騰反饋智 能灌溉系統(tǒng) 以期能根據(jù)作物蒸騰規(guī)律及時(shí) 精準(zhǔn)控制 灌溉 本灌溉系統(tǒng)可應(yīng)用于作物的設(shè)施無(wú)土栽培中 達(dá) 到節(jié)約水肥的目的 本研究對(duì)于降低精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)的應(yīng) 用成本具有重要意義 1 椰糠條栽培番茄的蒸騰反饋智能灌溉系統(tǒng)構(gòu)成 1 1 總體結(jié)構(gòu) 基于壓力傳感器的椰糠條栽培番茄的蒸騰反饋智能 灌溉系統(tǒng)如圖 1 和圖 2 所示 由蒸騰檢測(cè)組件 通信組件 決策組件和灌溉組件組成 其中 蒸騰檢測(cè)組件由基質(zhì)質(zhì) 量檢測(cè)組件和回液檢測(cè)組件構(gòu)成 圖 3 基質(zhì)質(zhì)量檢測(cè) 組件包括壓力傳感器 回液收集槽和底座 回液檢測(cè)組件 包括回液引流管 可選 回液檢測(cè)罐 托盤 壓力傳感 器 底座 pH 值傳感器 可選 EC 值傳感器 可選 通信組件包括 2 個(gè) LoRa 模塊 一個(gè)放置于中央控制室 另一個(gè)放置于溫室中 決策組件由放置于中央控制室的計(jì) 算機(jī)和控制模型構(gòu)成 灌溉組件包括營(yíng)養(yǎng)液工作液儲(chǔ)罐 繼電器 潛水泵 供液支管 供液毛管和滴箭 計(jì)算機(jī)和放置于中央控制室內(nèi)的通信組件間為有線 連接 放置于中央控制室內(nèi)的通信組件和放置于溫室內(nèi)的 通信組件間為無(wú)線連接 放置于溫室內(nèi)的通信組件和繼電 器 基質(zhì)質(zhì)量檢測(cè)組件 回液檢測(cè)組件有線連接 基質(zhì)質(zhì) 量檢測(cè)組件和回液檢測(cè)組件檢測(cè)的實(shí)時(shí)質(zhì)量數(shù)據(jù)信號(hào)和 繼電器開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)經(jīng)過(guò)通信組件傳輸給決策組件中的 控制模型調(diào)用 控制模型給出的控制信號(hào)通過(guò)通信組件傳 輸給繼電器控制潛水泵的開(kāi)關(guān) 從而實(shí)現(xiàn)灌溉控制 圖 1 椰糠條栽培番茄的蒸騰反饋智能灌溉系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 Fig 1 Topology diagram of transpiration feedback intelligent irrigation system for tomato under coco coir slabs cultivation condition 1 計(jì)算機(jī) 2 通信組件 置于中央控制室 3 通信組件 置于溫室內(nèi) 4 繼電 器 5 潛水泵 6 營(yíng)養(yǎng)液工作液儲(chǔ)罐 7 供液支管 8 供液毛管 9 滴箭 10 基質(zhì)質(zhì)量和回液檢測(cè)組件 1 Computer 2 Communication component In the central control room 3 Communication component In the greenhouse 4 Relay 5 Submersible pump 6 Nutrient solution tank 7 Branch pipe 8 Lateral 9 Emitter 10 Substrate weight detector and drainage detector 圖 2 椰糠條栽培番茄的蒸騰反饋智能灌溉系統(tǒng)布置圖 Fig 2 Layout diagram of transpiration feedback intelligent irrigation system for tomato under coco coir slabs cultivation condition a 主視圖 a Front view b 側(cè)規(guī)圖 b Side view 1 吊蔓繩 2 番茄植株 3 巖棉塊 4 椰糠條 5 回液收集槽 6 壓力傳感器 基質(zhì)質(zhì)量檢測(cè)組件中 7 底座 基質(zhì)質(zhì)量檢測(cè)組件中 8 幾字型栽培 架 9 回液引流管 10 回液檢測(cè)罐 11 EC 值傳感器 12 pH 值傳感器 13 托盤 14 壓力傳感器 回液檢測(cè)組件中 15 底座 回液檢測(cè)組件中 1 Support wire 2 Tomato 3 Rockwool cube 4 Coconut coir slab 5 Trough for collecting drainage 6 Load cell In the substrate weight detector 7 Pedestal In the substrate weight detector 8 Gutter 9 Drainage tube 10 Tank for monitoring drainage 11 EC sensor 12 pH sensor 13 Tray 14 Load cell In the drainage detector 15 Pedestal In the drainage detector 圖 3 基質(zhì)質(zhì)量檢測(cè)和回液檢測(cè)組件示意圖 Fig 3 Schematic diagram of the substrate weight detector and drainage detector 第 8 期 王 柳等 椰糠條栽培番茄的蒸騰反饋智能灌溉系統(tǒng)研制 135 1 2 系統(tǒng)硬件選型 系統(tǒng)的硬件規(guī)格型號(hào)和性能如表 1 所示 考慮到果 菜長(zhǎng)季節(jié)栽培的需要和無(wú)土栽培基質(zhì)質(zhì)量范圍差別較 大 選用 0 500 kg 大量程壓力傳感器作為檢測(cè)基質(zhì)質(zhì)量 的傳感器 最大誤差不超過(guò) 0 15 kg 一般每個(gè)基質(zhì)條上 4 株番茄每天灌溉量不少于 2 L 最大誤差占最小灌溉量 的 7 5 在可接受范圍內(nèi) 回液收集槽和底座采用輕質(zhì) 的鋁合金材質(zhì)自制 安裝運(yùn)輸方便 每個(gè)基質(zhì)條上種植 4 株番茄 灌溉量最大時(shí)一般每天每株不超過(guò) 2 L 回液量 最大一般不超過(guò)灌溉量的 40 因此選用 0 5 kg 量程的 壓力傳感器作為回液質(zhì)量檢測(cè)的傳感器 對(duì)應(yīng)選用 5 L 的 量杯作為回液檢測(cè)罐 托盤和底座采用耐腐蝕的不銹鋼 自制 RS 485 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)能在遠(yuǎn)距離條件下以 及電子噪聲大的環(huán)境下有效傳輸信號(hào) 使得連接本地網(wǎng) 絡(luò)以及多支路通信鏈路的配置成為可能 35 因此本系統(tǒng) 采用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換儀表和變送器將壓力傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換成 RS 485 輸出信號(hào) 對(duì)應(yīng)灌溉組件中的繼電器的輸入信號(hào) 也為 RS 485 LoRa 模塊具有功耗低 傳輸距離遠(yuǎn) 信 號(hào)穿透性強(qiáng) 靈敏度高 穩(wěn)定性好 兼容性廣 組網(wǎng)方 便等優(yōu)點(diǎn) 選用其作為通信組件 3 個(gè)小區(qū)共種植番茄 480 株 按最大灌溉量每天每株 2 L 計(jì) 每天灌溉總量不 超過(guò) 1 m 3 因此選用 1m 3 的營(yíng)養(yǎng)液工作液儲(chǔ)罐 灌溉組 件中的支管 毛管和滴箭為原高架栽培灌溉系統(tǒng)原有配 置 潛水泵根據(jù)管路長(zhǎng)短和滴箭流量選型 本試驗(yàn)系統(tǒng) 中采用了營(yíng)養(yǎng)液工作液儲(chǔ)罐的方式 營(yíng)養(yǎng)液工作液一天 一配 未來(lái)系統(tǒng)成熟后可連接到施肥機(jī) pH 值傳感器和 EC 值傳感器為選裝設(shè)備 本試驗(yàn)中暫時(shí)未安裝 由人工 檢測(cè) 表 1 系統(tǒng)硬件規(guī)格型號(hào)及性能 Table 1 Specifications and performance of system hardware 組件名稱 Component name 組件構(gòu)成 Components 規(guī)格型號(hào) Specifications 數(shù)量 Number 性能 Performance 壓力傳感器 DYLF 102 4 綜合誤差 0 03 量程 0 500 kg 多路接線盒 DY JXH S4 1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換儀表 DY220 K1T2 1 輸出信號(hào) RS 485 回液收集槽 自制 鋁合金材質(zhì) 800 mm 200 mm 30 mm 1 輕 基質(zhì)質(zhì)量檢測(cè)組件 Substrate weight detector 底座 自制 斷面 30 mm 30 mm 的鋁型材制成 800 mm 200 mm 方框 1 輕 安裝方便 壓力傳感器 YZC 1B 1 綜合誤差 0 02 量程 0 5 kg 變送器 RW GT01D 輸出信號(hào) RS 485 回液檢測(cè)罐 材質(zhì)聚氯乙烯 PVC 容積 5L 1 輕 耐腐蝕 回液引流管 材質(zhì)聚氨酯 PU 直徑 10 mm 長(zhǎng)度 500 mm 1 輕 耐腐蝕 托盤 材質(zhì)不銹鋼 直徑 150 mm 厚度 4 mm 耐腐蝕 回液檢測(cè)組件 Drainage detector 底座 材質(zhì)不銹鋼 直徑 150 mm 厚度 4 mm 耐腐蝕 通信組件 Communication component LoRa 模塊 USR LG206 L P 1 傳輸距離 3 500 m 最大發(fā)射功率 20 dBm 接收靈敏度 138 5 dBm 0 268 Kbps 決策組件 Decision component 計(jì)算機(jī) 聯(lián)想天逸 510S 08IKL 1 潛水泵 QDX1 5 25 0 55L2 1 流量 1 5 m 3 h 揚(yáng)程 16 m 2 路繼電器 JY DAM0200 1 RS 485 輸入 Modbus RTU 通信協(xié)議 營(yíng)養(yǎng)液工作液儲(chǔ)罐 材質(zhì)聚氯乙烯 PVC 容積 1 m 3 1 支管 材質(zhì)聚氯乙烯 PVC 內(nèi)徑 25 mm 1 毛管 材質(zhì)高密度聚乙烯 DPE 內(nèi)徑 16 mm 3 灌溉組件 Irrigation component 滴箭 NDJ 滴箭 2 3 L h 灰色長(zhǎng)角迷宮流道 含 Netafim 2 L h 防滴漏 壓力補(bǔ)償?shù)晤^ 壁厚 3 mm 直徑 5 mm 白色微管 960 流量 2L h 2 灌溉決策模型參數(shù)選擇及系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 2 1 灌溉決策模型及參數(shù)選擇 2 1 1 基質(zhì)結(jié)構(gòu)及其特征 基質(zhì)的性質(zhì)是灌溉決策的基礎(chǔ) 本試驗(yàn)采用的是荷 蘭 FORTECO Power 商品椰糠條和 Grodan Delta 商品巖 棉塊 性質(zhì)比較均一 椰糠條泡發(fā)后體積為 100 cm 15 cm 10 cm 6 面塑料膜包裹 僅底邊留有排液孔 巖 棉塊體積為 10 cm 10 cm 6 5 cm 4 面塑料膜包裹 1 面 與椰糠接觸 僅 1 面暴露于空氣中 蒸發(fā)損失很小 幾 乎可以忽略 因此灌溉量減去回液量即為蒸騰量 可以 通過(guò)檢測(cè)基質(zhì)和回液的質(zhì)量計(jì)算蒸騰量 進(jìn)而基于蒸騰 反饋精準(zhǔn)調(diào)控灌溉量 取 3 個(gè)干椰糠條 稱質(zhì)量 用量杯加水 15 min 加 1 次 每次 1 L 每個(gè)椰糠條加水 15 L 放置 1 晚排除重力 水 第 2 天早上排除多余的水后稱質(zhì)量 2 次質(zhì)量相減即 可得其持水量為 8 32 0 35 kg 同理測(cè)得巖棉塊的持 水量為 0 53 0 03 kg 則 1 個(gè)椰糠條和 4 個(gè)巖棉塊的 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2021 年 136 持水總量為 10 44 0 47 kg 2 1 2 模型的選擇 1 經(jīng)驗(yàn)定時(shí)灌溉模型 于番茄第一穗果成熟期 本研究請(qǐng)有經(jīng)驗(yàn)的園藝師 設(shè)定經(jīng)驗(yàn)定時(shí)灌溉模式 作為控制模型選擇的參考 表 2 試驗(yàn)結(jié)果顯示 3 個(gè)相似的晴朗或多云天氣下 回液占比均在 30 左右 同時(shí) 根據(jù)荷蘭種植者建議 36 回液占灌溉量的比例為 25 30 當(dāng)其低于 10 15 時(shí)基質(zhì)袋中的 pH 值和 EC 值會(huì)偏離合理的范圍 并且很 難調(diào)整 當(dāng)回液的占比超過(guò) 30 基質(zhì)袋中的環(huán)境穩(wěn)定 但耗水耗肥較多 鑒于此 經(jīng)驗(yàn)定時(shí)灌溉模型控制下耗 水耗肥較多 且灌溉頻率和單次灌溉時(shí)間的確定嚴(yán)重依 賴于園藝師的經(jīng)驗(yàn) 不利于推廣 表 2 經(jīng)驗(yàn)定時(shí)灌溉試驗(yàn)條件和結(jié)果 Table 2 Conditions and results of experience timed irrigation test 日期 Date 灌溉量 Irrigation volume mL d 1 株 1 回液量 Drainage volume mL d 1 株 1 回液占比 Drainage proportion 天氣 Weather 風(fēng)力 Wind 2020 11 28 1 330 455 34 晴轉(zhuǎn)多云 微風(fēng) 2020 11 29 1 330 430 32 晴 微風(fēng) 2020 11 30 1 330 380 29 多云 微風(fēng) 注 9 00 9 45 10 30 11 15 和 12 00 每次灌溉 6 min 12 45 和 13 30 每次 灌溉 5 min Note Each time irrigated 6 min at 9 00 9 45 10 30 11 15 and 12 00 Each time irrigated 5 min at 12 45 and 13 30 2 灌水上下限控制模型 土壤栽培的自動(dòng)灌溉一般采用灌水上下限的控制 模式 當(dāng)土壤含水量達(dá)到下限時(shí)啟動(dòng)灌溉 達(dá)到上限時(shí) 則停止 有研究表明 37 綜合產(chǎn)量 畸形果率和灌溉 水利用效率等因素 番茄開(kāi)花坐果期 0 60 cm 土層的 土壤含水率保持在田間持水率的 80 左右為宜 參考 該結(jié)果 本研究將基質(zhì)持水量的 80 設(shè)為灌溉下限 基質(zhì)持水量的 100 設(shè)為灌溉上限進(jìn)行預(yù)試驗(yàn) 試驗(yàn)結(jié) 果顯示 1 d 僅灌溉 2 次 總灌溉時(shí)間 51 min 灌溉量 1 796 mL d 株 回液量達(dá)到 650 mL d 株 回 液占比達(dá)到 38 灌溉量遠(yuǎn)超過(guò)番茄需求量 造成大 量的水肥浪費(fèi) 因此 土壤栽培的灌溉自動(dòng)控制模型對(duì) 于持水性差的基質(zhì)并不適用 椰糠條栽培番茄灌溉應(yīng)遵 循少量多次的原則 3 蒸騰反饋智能灌溉控制模型 鑒于上述 2 種灌溉控制模型對(duì)于椰糠條栽培番茄的 精準(zhǔn)灌溉并不適用 本研究在分析番茄每日蒸騰變化規(guī) 律的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)一種蒸騰反饋智能灌溉控制模型 有研究表明 31 基質(zhì)栽培番茄一天中蒸騰速率呈梯 形變化 7 00 左右蒸騰速率開(kāi)始迅速上升 在 12 00 左右 達(dá)到高峰 然后維持在這一水平直至 15 30 左右開(kāi)始下 降 同時(shí) 也有研究 32 證明了巖棉栽培番茄在不同生育 期 不同天氣 晴天 陰天 的耗水速率基本符合上述 規(guī)律 還有研究表明 38 39 番茄莖流速率在 12 00 13 00 左右達(dá)到峰值 椰糠條栽培基質(zhì)體積小 4 棵番茄共用 15 L 基質(zhì) 每株不到 4 L 對(duì)水氣的緩沖性小 因此需根據(jù)其蒸騰速 率的日變化規(guī)律精確調(diào)控水肥供給 同時(shí)從工程設(shè)計(jì)的 角度考慮 應(yīng)盡量避免灌溉設(shè)備頻繁啟停 據(jù)此本研究 設(shè)計(jì)了基于蒸騰反饋的智能灌溉控制模型如圖 4 所示 該控制模型分為正常灌溉模式和淋洗模式 通常情況下 使用正常灌溉模式 當(dāng)基質(zhì) EC 值超過(guò)植物耐受范圍或蒸 騰量特別大時(shí)采用淋洗模式 a 正常灌溉模式 a Normal irrigation mode b 淋洗模式 b Flushing mode 注 時(shí)段 表示從開(kāi)始灌溉到日中時(shí)刻 時(shí)段 表示從日中時(shí)刻到停止淋洗 時(shí)段 表示從停止淋洗到停止灌溉 時(shí)段 表示從停止灌溉到第 2 天開(kāi)始灌 溉 在正常灌溉模式下時(shí)段 的時(shí)間為 0 Note Stage is from the beginning of irrigation to midday stage is from midday to stopping flushing stage is from stopping flushing to stopping irrigation stage is from stopping irrigation to the beginning of irrigation in next day Under the condition of normal irrigation mode the time of stage is zero 圖 4 基于蒸騰反饋的智能灌溉控制模型示意圖 Fig 4 Schematic diagram of intelligent irrigation control model based on transpiration feedback 2 1 3 蒸騰反饋智能灌溉控制模型參數(shù)的確定 采用蒸騰反饋智能灌溉控制模型需要確定日出時(shí) 刻 日中時(shí)刻 日落時(shí)刻 開(kāi)始灌溉時(shí)刻 達(dá)到基質(zhì)持 水量時(shí)刻 停止淋洗時(shí)刻 停止灌溉時(shí)刻 基質(zhì)含水量 設(shè)定下限 基質(zhì)含水量設(shè)定上限 基質(zhì)持水量 單次灌 溉時(shí)間等參數(shù) 由前人研究 31 32 38 39 和本研究預(yù)試驗(yàn)可知 番茄夜 間的蒸騰速率很小 蒸騰速率在日中時(shí)刻左右達(dá)到最 大 據(jù)此將一天大致劃分為 4 個(gè)時(shí)段 開(kāi)始灌溉到日 中時(shí)刻為第 時(shí)段 此時(shí)需順應(yīng)蒸騰速率逐漸增大的 規(guī)律 將基質(zhì)含水量逐漸灌至含水量設(shè)定上限 日中 時(shí)刻至停止淋洗為第 時(shí)段 此時(shí)基質(zhì)實(shí)時(shí)含水量應(yīng) 維持在基質(zhì)持水量以上 以淋洗出基質(zhì)中多余鹽分 淋洗結(jié)束至停止灌溉為第 時(shí)段 此時(shí)基質(zhì)實(shí)時(shí)含水 第 8 期 王 柳等 椰糠條栽培番茄的蒸騰反饋智能灌溉系統(tǒng)研制 137 量應(yīng)維持在基質(zhì)持水量上下以滿足午后高蒸騰速率的 需要 保證有充足的水分和養(yǎng)分滿足作物光合作用的 需要 停止灌溉至第 2 天灌溉啟動(dòng)前為第 時(shí)段 此 時(shí)應(yīng)使基質(zhì)含水量逐漸回落至適宜的基質(zhì)含水量設(shè)定 下限 使空氣進(jìn)入基質(zhì) 保證根系的呼吸作用和正常 生長(zhǎng) 第 時(shí)段為淋洗階段 正常灌溉模式時(shí)第 時(shí) 段的時(shí)間為 0 灌溉系統(tǒng)安裝地點(diǎn)的日出 日中和日落時(shí)刻是灌溉 時(shí)段劃分的重要依據(jù) 其日出時(shí)刻 t sunrise 計(jì)算如式 1 所示 sunrise lo la 2 9 24 180 180 15 acos tan 23 43 cos tan 360 180 365 180 D tTS S 1 式中 T 為安裝地點(diǎn)所在地理時(shí)區(qū) 如北京的時(shí)區(qū)為東 8 區(qū) T 8 S lo 為安裝地點(diǎn)緯度 北緯為正 南緯為負(fù) rad S la 為安裝地點(diǎn)經(jīng)度 東經(jīng)為正 西經(jīng)為負(fù) rad D 為日期序列數(shù) 即當(dāng)天在這一年中的序列 如 2 月 11 日為 42 式 1 計(jì)算結(jié)果為小于 24 的數(shù)值 如 6 69 則表示 6 41 日落時(shí)刻 t sunset 計(jì)算如式 2 所示 sunset lo sunrise 24 180 15 180 tTSt 2 日中時(shí)刻 t midday 計(jì)算如式 3 所示 sunrise sunset midday 2 tt t 3 有研究表明 40 高架袋培番茄一般采用流量為 33 mL min 的滴箭 與本研究所選滴箭流量相同 該研究 還表明 40 番茄坐果后供液量 1 500 mL d 株 左右 每 天灌溉 6 8 次 每次供液量 100 120 mL 據(jù)此 本研 究確定每次每株番茄供液量為 120 mL 左右 結(jié)合本研究 所選用的滴箭流量 33 mL min 將單次灌溉時(shí)間確定為 4 min 則每次灌溉時(shí) 1 個(gè)椰糠條上 4 株番茄的總供液量 為 528 mL 其質(zhì)量約為 0 5 kg 當(dāng)回液檢測(cè)組件第 1 次檢測(cè)到回液質(zhì)量時(shí)椰糠條 中的含水量達(dá)到其基質(zhì)持水量 基質(zhì)質(zhì)量檢測(cè)組件記錄 此時(shí)質(zhì)量為 m f c kg 如上文所述在第 時(shí)段 基 質(zhì)實(shí)時(shí)含水量需圍繞 m f c 上下波動(dòng) 而在 4 min 的單次 灌溉時(shí)間內(nèi)蒸騰量很小 可忽略不計(jì) 基質(zhì)實(shí)時(shí)含水量 表現(xiàn)為直線上升 據(jù)此結(jié)合 1 個(gè)椰糠條上單次供液的質(zhì) 量為 0 5 kg 將基質(zhì)持水量減去 1 個(gè)椰糠條上單次供液 質(zhì)量的 1 2 即 m f c 0 25 kg 設(shè)為基質(zhì)含水量設(shè)定上 限 m 3 kg 有研究表明 34 對(duì)于椰糠基質(zhì)中的番茄 第 D 天 的最后一次灌溉到第 D 1 天的第 1 次灌溉 基質(zhì)實(shí) 時(shí)含水量比基質(zhì)持水量減少 10 15 則其水分保 持在最佳范圍內(nèi) 基質(zhì)實(shí)時(shí)含水量的減少是由于蒸騰 作用 為留有一定的保險(xiǎn)系數(shù) 本研究取基質(zhì)含水量 設(shè)定下限為比基質(zhì)持水量下降 10 結(jié)合前文測(cè)得的 基質(zhì)持水量 10 44 kg 可知 基質(zhì)含水量設(shè)定下限為 m f c 1 kg 若日出前基質(zhì)實(shí)時(shí)質(zhì)量達(dá)到基質(zhì)含水量 下限 則啟動(dòng) 1 次 2 min 灌溉 補(bǔ)充基質(zhì)水分到下限 以上 開(kāi)始灌溉時(shí)刻 t 1 需確定在日出后番茄蒸騰速率迅 速增加時(shí) 根據(jù)經(jīng)驗(yàn) 當(dāng)日出后基質(zhì)實(shí)時(shí)質(zhì)量比基質(zhì)含 水量設(shè)定下限下降 1 個(gè)椰糠條每次供液量的 1 2 即 0 25 kg 時(shí)啟動(dòng)當(dāng)天第 1 次灌溉 設(shè)此時(shí)的質(zhì)量為 m 1 kg 此時(shí)的時(shí)刻為開(kāi)始灌溉時(shí)刻 當(dāng)日輻射越強(qiáng) 則 日出后基質(zhì)總質(zhì)量越早達(dá)到 m 1 根據(jù)對(duì)稱原則 設(shè)下午 停止灌溉的時(shí)刻為 t 3 令 t 1 t sunrise t sunset t 3 淋洗時(shí)間段 的時(shí)長(zhǎng)則需要根據(jù)需要回液的量和回液的 EC 值綜合確 定 設(shè)停止淋洗時(shí)刻為 t 4 設(shè)第 時(shí)段 基質(zhì)質(zhì)量上升階段任意時(shí)刻 t 2 的基質(zhì) 設(shè)定質(zhì)量為 m 2 kg 其計(jì)算如式 4 所示 31 2211 midday 1 mm mttm tt 4 采用正常灌溉模式時(shí) 當(dāng)基質(zhì)實(shí)時(shí)質(zhì)量小于或等于 m 2 時(shí) 決策組件發(fā)出灌溉信號(hào) 并在接收到灌溉組件 灌溉確認(rèn)的反饋信號(hào)時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí) 并在 4 min 后發(fā)出結(jié) 束灌溉指令 如此循環(huán) 直至 t 2 t midday 進(jìn)入第 時(shí)段 此時(shí)段內(nèi)當(dāng)基質(zhì)實(shí)時(shí)質(zhì)量再次達(dá)到 m 3 時(shí)決策組件發(fā)出 灌溉信號(hào) 并在接收到灌溉組件灌溉確認(rèn)反饋信號(hào)時(shí)開(kāi) 始計(jì)時(shí) 并在 4 min 后發(fā)出灌溉結(jié)束指令 如此循環(huán) 直至到達(dá) t 3 時(shí)刻進(jìn)入第 時(shí)段 第 時(shí)段結(jié)束后當(dāng)回 液檢測(cè)組件檢測(cè)到回液質(zhì)量不再增加時(shí)讀取此時(shí)的回 液質(zhì)量并計(jì)算當(dāng)天的灌溉總量 計(jì)算回液質(zhì)量在總灌溉 量中的占比并記錄 如采用淋洗灌溉模式時(shí) 則當(dāng) m 2 m f c 進(jìn)入第 時(shí) 段 此時(shí)段內(nèi)當(dāng)基質(zhì)實(shí)時(shí)質(zhì)量再次達(dá)到 m f c 時(shí)決策組件發(fā) 出灌溉信號(hào) 并在接收到灌溉組件灌溉確認(rèn)反饋信號(hào)時(shí) 開(kāi)始計(jì)時(shí) 并在 4 min 后發(fā)出灌溉結(jié)束指令 如此循環(huán) 直至 t 4 時(shí)刻 進(jìn)入第 時(shí)段 后續(xù)過(guò)程與采用正常灌溉 模式時(shí)相同 若根據(jù)基質(zhì)類型不同調(diào)整灌溉控制模型參數(shù) 該蒸 騰反饋智能灌溉系統(tǒng)也可用于巖棉條栽培 混合基質(zhì)盆 栽等其他無(wú)土栽培的智能精量灌溉 2 2 蒸騰反饋智能灌溉控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 蒸騰反饋智能灌溉控制系統(tǒng)軟件是在 Qt 5 14 2 軟 件平臺(tái)下開(kāi)發(fā) 前端依靠 QML JavaScript 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)顯 示界面及控制邏輯 后臺(tái)依靠 C 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的 操作 組件間的通信 前后端的數(shù)據(jù)溝通 日出日中日 落時(shí)刻的獲取 系統(tǒng)工作流程如圖 5 所示 系統(tǒng)還配備 了手動(dòng)模式 以備在停電 斷網(wǎng) 自動(dòng)控制模型故障時(shí) 使用 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2021 年 138 注 EC 為電導(dǎo)率 mS cm 1 m f c 為基質(zhì)持水量 kg m f c 1 kg 為含水量設(shè)定下限 kg m 1 為首次灌溉時(shí)的質(zhì)量 kg m 2 為計(jì)算實(shí)時(shí)質(zhì)量 kg m 3 為含水 量設(shè)定上限 m 3 m f c 0 25kg kg t 1 為首次灌溉啟動(dòng)時(shí)刻 t 2 為當(dāng)前時(shí)刻 即實(shí)時(shí) t 3 為灌溉結(jié)束時(shí)刻 Note EC is the electrical conductivity mS cm 1 m f c is the water hold capacity of the substrate kg m f c 1 kg is the lower line of water content kg m 1 is the weight at the beginning of the irrigation kg m 2 is the calculated real time weight kg m 3 is the upper line of water content m 3 m f c 0 25 kg kg t 1 is the time at the beginning of the irrigation t 2 is the current moment i e real time t 3 is the time of stopping irrigation 圖 5 智能灌溉控制流程圖 Fig 5 Flowchart of intelligent irrigation control 3 蒸騰反饋智能灌溉系統(tǒng)應(yīng)用試驗(yàn) 3 1 試驗(yàn)地點(diǎn)及方法 2020 年 9 月 4 日至 2021 年 1 月 13 日在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院河北廊坊永清基地連棟玻璃溫室 A2 試 驗(yàn)區(qū)進(jìn)行試驗(yàn) 基地溫室面積 5 000 m 2 溫室檐口高度 6 m 每個(gè)試驗(yàn)區(qū)長(zhǎng) 寬為 34 m 16 m 試驗(yàn)區(qū)配置有內(nèi) 外遮陽(yáng) 內(nèi)保溫 濕簾風(fēng)機(jī) 加溫管道 頂部為散射光 玻璃 試驗(yàn)布置如圖 2 所示 南北方向設(shè)置栽培行 處 理組 TK 與對(duì)照組 CK 間隔排列 3 次重復(fù) 處理 組采用本研究開(kāi)發(fā)的蒸騰反饋智能灌溉系統(tǒng)進(jìn)行灌溉 對(duì)照組連接到荷蘭 RIDDER 公司的施肥機(jī) 以光輻射累 積量控制灌溉 該系統(tǒng)通過(guò) CX500 工控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)溫室 環(huán)境及灌溉自動(dòng)控制 初始投入 31 萬(wàn)元 其中灌溉控制 系統(tǒng)軟硬件約 9 1 萬(wàn)元 番茄品種為 JUANITA 拜耳公司 德澳特 櫻桃番 茄 栽培模式采用椰糠條無(wú)土栽培 營(yíng)養(yǎng)液為荷蘭營(yíng) 養(yǎng)液配方 苗期 初花期和結(jié)果期營(yíng)養(yǎng)液 EC 值分別為 1 5 2 8 2 5 mS cm 營(yíng)養(yǎng)液 pH 值為 5 3 5 8 5 5 2020 年 9 月 4 日播種到 72 穴育苗盤 育苗基質(zhì)為椰糠和珍珠 巖混合基質(zhì) 2020 年 9 月 24 日移植到巖棉塊 2020 年 10 月 17 日定植到椰糠條 椰糠條提前 2 d 用營(yíng)養(yǎng)液泡發(fā) 每小區(qū)標(biāo)記 3 株測(cè)產(chǎn) 用 Statistix 9 軟件中 One way AOV 程序進(jìn)行方差分析 3 2 試驗(yàn)結(jié)果與分析 3 2 1 灌溉量和回液量 應(yīng)用本智能灌溉系統(tǒng)和使用荷蘭 RIDDER 公司研發(fā) 的灌溉系統(tǒng)進(jìn)行灌溉的效果如表 3 所示 采用本灌溉系 統(tǒng)的番茄平均每天每株的灌溉量比采用荷蘭 RIDDER 公 司研發(fā)的灌溉系統(tǒng)的多 9 4 回液量少 18 且回液的 EC 值比較穩(wěn)定 說(shuō)明使用本智能灌溉系統(tǒng)根據(jù)作物吸收 營(yíng)養(yǎng)液的規(guī)律灌溉 更多的營(yíng)養(yǎng)液被作物利用 對(duì)比表 2 可知 使用本智能灌溉系統(tǒng)比經(jīng)驗(yàn)定時(shí)灌溉平均減少灌 溉量 32 減少回液量 57 第 8 期 王 柳等 椰糠條栽培番茄的蒸騰反饋智能灌溉系統(tǒng)研制 139 表 3 本智能灌溉系統(tǒng)與 RIDDER 公司研發(fā)的灌溉系統(tǒng)灌溉效果對(duì)比 Table 3Comparison of irrigation results between intelligent irrigation system designed by this study and irrigation system designed by RIDDER company 本智能灌溉系統(tǒng) Intelligent irrigation system designed by this study RIDDER 公司研發(fā)的灌溉系統(tǒng) Irrigation system designed by RIDDER company 日期 Date 灌溉量 Irrigation volume mL d 1 株 1 回液量 Drainage volume mL d 1 株 1 回液占比 Drainage proportion 回液 EC 值 Drainage EC mS cm 1 灌溉量 Irrigation volume mL d 1 株 1 回液量 Drainage volume mL d 1 株 1 回液占比 Drainage proportion 回液 EC 值 Drainage EC mS cm 1 天氣 Weather 風(fēng)力 Wind 2020 12 24 1064 225 21 6 5 1100 337 5 31 6 8 晴 微風(fēng) 2020 12 25 780 125 16 6 5 850 275 32 7 9 晴 微風(fēng) 2020 12 26 931 250 27 6 2 750 2 212 5 28 7 9 晴 微風(fēng) 2020 12 27 931 225 24 6 6 850 225 26 8 晴 微風(fēng) 2020 12 28 780 200 26 6 3 500 125 25 7 5 晴轉(zhuǎn)多云 微風(fēng) 2020 12 29 931 125 13 6 4 750 162 5 22 7 6 多云 北風(fēng) 3 4 級(jí) 2020 12 30 931 112 5 12 6 6 1000 200 20 7 3 晴 微風(fēng) 平均 Mean 907 180 20 829 220 26 3 2 2 番茄生長(zhǎng)與產(chǎn)量 截至 2021 年 1 月 11 日 使用本智能灌溉系統(tǒng)的番 茄單株產(chǎn)量 株高和節(jié)數(shù)為 380 24 g 387 8 cm 和 41 2 0 8 與使用 RIDDER 公司研發(fā)的灌溉系統(tǒng) 的 382 17 g 3