溫室袋培番茄的水肥精準調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計與試驗 韓坤林1 陳毅飛2 喻 晨2 馬 艷2 楊會民2 蔣永新2 1 新疆農(nóng)業(yè)大學 機械電氣工程學院 烏魯木齊 830052 2 新疆農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械化研究所 烏魯木齊 830091 摘 要 針對溫室袋培番茄人工灌溉施肥勞動強度大 水肥資源浪費及智能化程度不高等問題 設(shè)計了一套基于 光合輻射和袋培番茄所需水肥規(guī)律的智能灌溉施肥控制系統(tǒng) 采用C 語言對上位機進行開發(fā) 用SQL Server軟 件建立了數(shù)據(jù)庫 用GX Works2軟件對PLC程序進行編寫 通過上位機調(diào)取數(shù)據(jù)庫中傳感器實時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和 番茄需水規(guī)律計算出灌溉施肥量和灌溉施肥時間 并通過PLC Monitor Unity軟件改變PLC程序中出水泵的工作 時間 保證PLC每天對番茄進行合理灌溉施肥 對構(gòu)建的智能灌溉施肥系統(tǒng)進行了不同時間內(nèi)的出水量均勻性 以及EC值 pH值響應(yīng)時間試驗 結(jié)果表明 在4 5min時最低均勻系數(shù)為98 61 在9min時最低均勻系數(shù)為 99 02 在12min時最低均勻系數(shù)為99 16 EC值在系統(tǒng)運行25s時穩(wěn)定 穩(wěn)定后保持在 1 290 0 03 mS cm以內(nèi) pH值在系統(tǒng)運行20s時穩(wěn)定 穩(wěn)定后保持在6 00 0 07以內(nèi) 針對溫室袋培番茄灌溉施肥 系統(tǒng)可根 據(jù)光合輻射變化制定不同的灌溉施肥量 不僅減輕了人工勞動強度 還具有響應(yīng)速度快 灌溉施肥精確及所用水 肥量符合番茄生長需求的特點 關(guān)鍵詞 灌溉施肥系統(tǒng) 上位機 均勻性 袋培番茄 中圖分類號 S224 4 S220 39 文獻標識碼 A文章編號 1003 188X 2023 01 0190 06 0 引言 人工或者手動灌溉施肥系統(tǒng)對作物進行灌溉施 肥 不僅增加人工的勞動強度 還容易造成大量的水 肥資源浪費 肥料濫用也會對環(huán)境和土壤造成污染 因此 如何利用智能技術(shù)和根據(jù)不同作物生長需求對 作物進行適時 適量地灌溉施肥具有重要研究意 義 1 3 相比其他發(fā)達國家 我國的智能灌溉還處于初步 研究階段 目前 國內(nèi)大多數(shù)對于作物灌溉系統(tǒng)的研 究都是基于環(huán)境因子 或者定時對作物進行灌溉施 肥 黃語燕等 4 構(gòu)建了一套基于溫室基質(zhì)栽培的施 肥系統(tǒng) 通過蠕動泵吸取母液肥料 并混合成合適的 濃度 通過控制肥液的EC pH值和肥液進入管道的灌 溉時間 根據(jù)不同作物對水肥的需求實現(xiàn)自動施肥 李雅靜等 5 設(shè)計了一種基于PLC控制的溫室灌溉控 制系統(tǒng) 可根據(jù)不同植物對水的需求進行分量灌溉 金永奎等 6 等設(shè)計了一種灌溉 施肥 過濾于一 收稿日期 2021 01 25 基金項目 自治區(qū)重大專項 20219860 作者簡介 韓坤林 1997 男 四川通江人 碩士研究生 E mail 228574983 qq com 通訊作者 蔣永新 1975 男 江蘇豐縣人 研究員 碩士生導師 E mail 10661713 qq com 體的全自動灌溉施肥機 并對不同壓力效果下的流量 及固定壓力下不同水肥比例的配比響應(yīng)時間進行了 測試 發(fā)現(xiàn)100 1的水肥比例響應(yīng)速度為32s 王佳 明等 7 設(shè)計了一種無土栽培遠程控制系統(tǒng) 以 MSP430單片機作為檢測與控制核心 并用Qt編程設(shè) 計了配套的上位機軟件 以對作物的灌溉情況進行可 視化監(jiān)控 并采用GPRS無線傳輸技術(shù)對上位機和下 位機的數(shù)據(jù)進行同步通信 試驗表明 該系統(tǒng)對EC 值調(diào)控誤差不超過0 11mS cm pH值調(diào)控誤差不超 過0 08 Rahul等 8 使用Event B建立了一個智能灌 溉系統(tǒng) 基于傳感器監(jiān)測天氣情況 土壤條件 蒸發(fā)及 植物用水的情況進行灌溉 Liao Renkuan 9 等研究了 一種基于實時土壤水分數(shù)據(jù)的智能灌溉系統(tǒng) 根據(jù)土 壤水分分布的時空特征對作物耗水情況進行估算 根 據(jù)得到的數(shù)據(jù)采用一個中央灌溉控制器進行精確灌 溉 筆者根據(jù)當日光合有效輻射和基質(zhì)袋培番茄的需 水規(guī)律 設(shè)計了一套基于PLC控制的智能灌溉施肥系 統(tǒng) 通過上位機調(diào)取當日數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)對番茄進行水 肥決策 再將當日的灌溉施肥量換算為水肥灌溉時 間 通過修改出水泵工作時間進行控制當日灌溉施肥 量 同時 對鋪設(shè)的管路進行了出水量均勻性及EC值 和pH值的時間響應(yīng)測試 091 2023年1月 農(nóng) 機 化 研 究 第1期 DOI 10 13427 ki njyi 2023 01 021 1 系統(tǒng)組成及工作原理 1 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成 水肥一體化自動灌溉施肥系統(tǒng)由下位機PLC 上 位機控制軟件 數(shù)據(jù)庫及傳感器組成 PLC選擇的型 號為FX2N 4AD 可提供4個模擬量的輸入 上位機 軟件由C 語言編寫 可以對數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進行調(diào)取和 分析 并改變PLC程序中的設(shè)定值 PLC通過控制各 泵 閥及根據(jù)傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù) 對作物進行灌溉施 肥 數(shù)據(jù)庫由SQL Server軟件進行創(chuàng)建 通過云平臺 將數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)表 環(huán)境因子傳感器為光合有效輻 射傳感器 用于設(shè)備的傳感器有液位檢測 EC值和pH 值檢測 具體參數(shù)如表1所示 整體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如 圖1所示 表1 傳感器參數(shù)指標 Table 1 Sensor parameter index 測量參數(shù)型號精度測量范圍 光合輻射PIR 1Z 5 0 2500 mol m2 S EC值DJS 1C 10 0 20mS cm pH值E 201 C 0 01 0 14 液位SIN P260 0 5 0 3m 1 壓力表 2 進水閥 3 EC值傳感器 4 pH值傳感器 5 液位傳感器 6 主管道手動總閥 7 出水泵 8 酸液脈沖電磁閥 9 吸酸液泵 10 B肥脈沖電磁閥 11 吸B肥泵 12 吸A肥泵 13 A肥脈沖電磁閥 圖1 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖 Fig 1 Overall structure diagram of control system 1 2 工作原理 當?shù)竭_灌溉時刻時 上位機軟件調(diào)取數(shù)據(jù)庫的數(shù) 據(jù) 經(jīng)過數(shù)據(jù)分析后 計算出灌溉施肥量 從而計算水 泵工作時間 通過PLC Monitor Unity軟件改變PLC程 序中所設(shè)定的值 以此達到控制灌溉施肥量的目的 在改變PLC程序中的設(shè)定值后 智能灌溉施肥系統(tǒng)控 制吸肥泵 脈沖電磁閥及進水開關(guān)吸取A B肥及酸液 和清水對溶液進行調(diào)節(jié) 最后通過管道將肥液送入混 肥桶中 脈沖電磁閥為3通閥 使吸取的肥液和酸液 一部分管道輸送至混肥桶 另一部分返還至母液桶 這樣可以更好地進行混肥 EC值和pH值傳感器安 裝于進入混肥桶的管道中 對進入混肥桶中的肥液進 行監(jiān)測 通過傳感器監(jiān)測的EC值和pH值與預設(shè)值比 較 達到合理的范圍后 開啟出水泵 將混肥桶中的肥 液輸送至番茄根部 灌溉時間結(jié)束后 關(guān)閉相應(yīng)的泵 閥和開關(guān) 系統(tǒng)控制流程如圖2所示 由于基質(zhì)袋培番茄所需的水肥量會根據(jù)光合輻射 而變化 根據(jù)湯圓強 10 等在智能溫室番茄栽培管理 技術(shù)中所建議 肥液由A B肥混合而成 根據(jù)不同天 氣情況及番茄的不同生長階段 確定了不同的灌溉施 肥量和EC值 pH值 而陰雨天和晴天的差別主要在于 光合輻射不同 具體設(shè)置參數(shù)如表2所示 圖2 系統(tǒng)控制流程圖 Fig 2 System overall control flow chart 表2 番茄不同生長時期的灌溉施肥量 Table 2 Irrigation and fertilizer application amount of tomato in different growth stages 生長期晴天 次陰雨天 次 每次灌溉 施肥量 mL EC mS cm 1 pH 幼苗期2 1 200 2 0 6 0 開花坐果期4 1 200 2 5 6 0 果實膨大期6 2 200 3 0 6 0 191 2023年1月 農(nóng) 機 化 研 究 第1期 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計 2 1 管路的鋪設(shè) 根據(jù)場地情況對基質(zhì)袋培番茄的管路和滴箭進行 設(shè)計 選擇與安裝 主管道進水與混肥桶連接 主管 道連接12根支管進行出水 每根支管均布接入5個穩(wěn) 流器 以一出四箭的形式安裝滴箭 將4根滴箭插于 番茄四周的基質(zhì)上 以保證番茄對營養(yǎng)液是充分吸 收 具體管道布置如圖3所示 毛管 穩(wěn)流器和滴箭 參數(shù)如表3所示 圖3 管路布置圖 Fig 3 Pipeline layout drawing 表 3 滴灌裝置部件性能參數(shù) Table 3 Component performance parameters of drip irrigation device 部件單位性能參數(shù) 毛管 直徑 長度 mm 5 800 穩(wěn)流器 流量 L h 4 滴箭 長度 cm 10 2 2 PLC輸入輸出 PLC通過控制各個部件 對番茄進行合理灌溉 其PLC外部接線如圖4所示 圖4 PLC外部接線圖 Fig 4 External wiring diagram of PLC 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 3 1 上位機的設(shè)計 上位機采用C 語言在 NET Framework4 0環(huán)境下 進行開發(fā) 主要功能是連接數(shù)據(jù)庫并調(diào)取數(shù)據(jù)庫中的 數(shù)據(jù) 對其進行分析 從而計算出灌溉施肥量和出水 泵工作的時間 通過串口連接PLC Monitor Unity軟件 并對下位機程序定時器設(shè)定值進行修改 記錄每次的 灌溉量 通過Chart控件使番茄整個生長階段每日灌 溉施肥量的變化情況可視化 上位機操作界面如圖5 所示 圖5 上位機軟件操作界面 Fig 5 Operation interface of upper computer software 3 2 數(shù)據(jù)庫的搭建 通過SQL Server2018軟件進行數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建 其具 體參數(shù)如表4所示 表4 數(shù)據(jù)信息表 Table 4 Table of data information 字段名字段類型字段屬性 Time datetime時間 PAR Varchar 10 光合輻射 3 3 PLC控制流程 通過設(shè)置每日定時灌溉施肥時間 在到達灌溉施 肥時刻后 啟動A肥 B肥 酸液泵和對應(yīng)的電磁閥及 進水開關(guān) 在EC值和pH值達到合理范圍后 啟動出 水泵 對作物進行灌溉施肥 灌溉施肥時間結(jié)束后 關(guān) 閉各個工作部件 在肥液超過混肥桶限位時 則關(guān)閉 進水開關(guān)及A肥 B肥 酸液泵和對應(yīng)的電磁閥 發(fā)生 故障時則進行報警 PLC控制流程如圖6所示 4 試驗結(jié)果分析 試驗于2020年10月在新疆農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械 化研究所的溫室進行 分別進行了出水量均勻性試驗 和EC值 pH值響應(yīng)時間試驗 291 2023年1月 農(nóng) 機 化 研 究 第1期 圖6 PLC控制流程圖 Fig 6 PLC control flow chart 4 1 出水量均勻性試驗 依次選取第1 3 5 7 9 11根支管 并依次選取 支管第1 3 5個位置作為出水量試驗的出水點 分別 作為A組 B組和C組 共18個位置 分別在4 5 9 12min時對每個點的出水量進行測量 對出水量誤差 和均勻度進行分析 如表5 表8所示 對應(yīng)的出水量 變化趨勢如圖7所示 根據(jù)克里斯琴森均勻系 數(shù) 11 12 對出水量均勻性進行分析 計算公式為 Cu 1 q q 1 式中 Cu 克里斯琴森均勻系數(shù) q 滴頭平均出水量 g q 滴頭平均流量與各滴頭出水量之差的絕對 值 q 1n n i 1 qi 2 q 1n n i 1 qi q 3 式中 n 滴頭的個數(shù) qi 第i個滴頭的出水量 g a b c 圖7 A B C組分別在4 5 9 12min時的出水量變化 Fig 7 The changes of water yield in groups A B and C at 4 5min 9min and 12min 表5 4 5min內(nèi)各組出水量 Table 5 Water yield of each group within 4 5min g 序號A組B組C組 1 309 307 306 2 307 305 304 3 304 303 302 4 301 300 299 5 299 298 296 6 295 294 292 表6 9min內(nèi)各組出水量 Table 6 Water yield of each group within 9min g 序號A組B組C組 1 612 610 607 2 609 606 604 3 605 604 598 4 601 600 595 391 2023年1月 農(nóng) 機 化 研 究 第1期 續(xù)表6 g 序號A組B組C組 5 597 596 591 6 594 593 588 表7 12min內(nèi)各組出水量 Table 7 Water yield of each group within 12min g 序號A組B組C組 1 815 811 809 2 809 808 805 3 805 804 801 4 801 799 796 5 798 796 791 6 795 793 788 表8 在不同時間內(nèi)各組出水量誤差和均勻度系數(shù) Table 8 The error and uniformity coefficient of each group s water yield in different time 組號時間 min 評價指標 誤差范圍 均勻度系數(shù) A組 4 5 0 33 3 00 98 62 9 0 17 2 00 98 73 12 0 13 1 88 98 61 B組 4 5 0 2 33 99 06 9 0 1 67 99 14 12 0 13 1 38 99 02 C組 4 5 0 33 2 60 99 27 9 0 33 2 00 99 27 12 0 13 1 50 99 16 由圖7可知 滴箭出水量與管道長度成反比 水流 過的管道越長 出水量越少 水流過的管道越短 出水 量越多 這是因為前面的滴箭先有水流經(jīng)過 所以不 同位置出水量會有一定差距 由表8可知 在前 4 5min時 各組出水量誤差最大 各組均勻度系數(shù)較 小 隨著時間的變化 各組誤差逐漸變小 且均勻度更 高 最高可達99 27 總體來說 3個時間段內(nèi) 各組 出水量均勻度系數(shù)和誤差都在可接受范圍內(nèi) 均勻度 系數(shù)最低為98 61 最大誤差為3 能夠滿足番茄灌 溉需求 4 2 EC pH值響應(yīng)時間試驗 本試驗主要對EC值 pH值達到合理范圍的響應(yīng) 時間進行測試 通過各個泵 閥和開關(guān)配合工作 使得 實際測量值接近預設(shè)值 并穩(wěn)定于合理范圍內(nèi) A肥 桶母液的EC值為6 2mS cm B肥桶母液的EC值為 3 9mS cm 酸液桶的pH值為2 16 EC值的預設(shè)值設(shè) 置為1 29mS cm pH值的預設(shè)值為6 0 試驗結(jié)果如 圖8和圖9所示 圖8 EC值變化 Fig 8 EC values change 由圖8可知 隨著時間變化 EC值逐漸趨于穩(wěn)定 在25s時EC值為1 291mS cm 接近預設(shè)值 之后一直 穩(wěn)定于 1 290 0 03 mS cm以內(nèi) 圖9 pH值變化 Fig 8 pH values change 由圖9可知 隨著時間變化pH值逐漸趨于穩(wěn)定 在20s時pH值為6 03 接近預設(shè)值 之后一直穩(wěn)定于 6 00 0 07以內(nèi) 5 結(jié)論 1 根據(jù)溫室基質(zhì)袋培番茄的所需水肥規(guī)律及當 491 2023年1月 農(nóng) 機 化 研 究 第1期 日的光合有效輻射情況 建立了一套智能灌溉施肥系 統(tǒng) 可以減小人工勞動強度和節(jié)約水肥資源 2 對智能灌溉系統(tǒng)進行了出水量均勻性試驗 結(jié) 果表明 出水量在4 5min時最大誤差為3 最低均 勻系數(shù)為98 61 在9min時最大誤差為2 最低均 勻系數(shù)為99 02 在12min時最大誤差為1 88 最 低均勻系數(shù)為99 16 總體符合作物生長需求 3 對智能灌溉系統(tǒng)進行了EC值 pH值響應(yīng)時間 試驗 結(jié)果表明 EC值在25s時接近預設(shè)值 并進入穩(wěn) 定狀態(tài) 穩(wěn)定后EC值范圍保持在 1 290 0 03 mS cm以內(nèi) pH值在20s的時候接近預設(shè)值 并進入穩(wěn)定 狀態(tài) 穩(wěn)定后pH值范圍保持在6 00 0 07以內(nèi) 總體 滿足要求 參考文獻 1 王望來 陳梓暉 淺析農(nóng)業(yè)智能灌溉技術(shù) J 木工機床 2020 4 17 19 2 滕紅麗 李承輝 仝浩遠 等 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能 節(jié)水灌溉系統(tǒng)研究 J 科學技術(shù)創(chuàng)新 2021 2 98 100 3 楊波 魏文政 陳盟 等 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能化節(jié)水灌 溉系統(tǒng)設(shè)計研究 J 水利技術(shù)監(jiān)督 2020 5 44 48 4 黃語燕 劉善文 陳永快 等 溫室基質(zhì)栽培水肥一體化 施肥系統(tǒng)的構(gòu)建 J 江蘇農(nóng)業(yè)科學 2019 47 21 278 281 5 李雅靜 孟慧 張小青 基于PLC控制系統(tǒng)的溫室灌溉系 統(tǒng)設(shè)計 J 機械工程與自動化 2018 6 165 166 6 金永奎 盛斌科 一體化全自動灌溉施肥機設(shè)計與試驗 J 中國農(nóng)村水利水電 2019 8 63 68 7 王佳明 陳思 荊騰 等 無土栽培遠程灌溉控制系統(tǒng) J 排灌機械工程學報 2020 38 9 959 965 8 KARMAKAR RAHUL SARKAR BIDYUT BIMAN A proto type modeling of smart irrigation system using event B J SN computer science 2021 2 1 36 9 LIAO RENKUAN ZHANG SHIRUI ZHANG XIN et al De velopment of smart irrigation systems based on real time soil moisture data in a greenhouse proof of concept J Agri cultural water management 2021 245 c 106632 10 湯圓強 李濤 王虹云 等 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study develops the upper machine with C lan guage sets up a database with SQL Server software writes PLC program with GX Works2 software The irrigation fertiliz er and irrigation fertilization time is calculated through the data of PC database obtained by sensor real time transmission and rule of water requirements of tomato The operation time of water pump in the PLC program can be changed through PLC Monitor Unity software ensuring the PLC reasonable irrigation fertilization on tomato every day and the construction of intelligent fertigation system of water yield uniformity test in different time The EC value and pH value were used to test the response time The results show that the minimum uniformity coefficient was 98 61 at 4 5min 99 02 at 9min and 99 16 at 12min The EC value was stable at 25s and kept within 1 290 0 03mS cm The pH value was stable at 20s and kept within 6 00 0 07 The system can make different amount of irrigation and fertilizer according to the photosynthetic radiation change which can not only reduce the labor intensity but also has the characteristics of fast response accurate irrigation and fertilizer and the amount of water fertilizer in line with the growth demand of tomato Key words irrigation and fertilization system upper computer uniformity bag cultured tomato 591 2023年1月 農(nóng) 機 化 研 究 第1期