戴欣平

(金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 金華 321017)

大棚是一種采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)，將棚內(nèi)的環(huán)境與外部相對(duì)隔離的半封閉作物栽培設(shè)施。與大田種植相比較，大棚具有內(nèi)部溫濕度高，風(fēng)速低，土壤、空氣、水分等作物生長(zhǎng)環(huán)境相對(duì)獨(dú)立的特點(diǎn)。這種特點(diǎn)為人工控制作物生長(zhǎng)的溫度、光照、空氣濕度、土壤濕度等因素提供條件。在作物的灌溉管理上，快速、準(zhǔn)確地測(cè)定大棚土壤水分，并依據(jù)不同作物生長(zhǎng)過(guò)程中的需水墑情，適時(shí)作出灌溉、施肥決策及排水措施，不僅有利于作物產(chǎn)量與品質(zhì)的提高，減少病蟲(chóng)害，縮短成熟期，而且可以節(jié)約寶貴的淡水資源。

現(xiàn)介紹一種監(jiān)測(cè)土壤濕度實(shí)施自動(dòng)灌溉的節(jié)水灌溉控制器，該控制器采用負(fù)壓式土壤濕度計(jì)為土壤濕度傳感器，以L(fǎng)OGO!12/24RC型可編程控制器(PLC)為控制單元，實(shí)現(xiàn)土壤濕度控制灌溉、時(shí)間控制灌溉、頻繁間歇灌溉等多種灌溉模式，滿(mǎn)足不同作物及外部氣候條件下的灌溉管理。

1 土壤濕度檢測(cè)技術(shù)

目前土壤濕度測(cè)定的主要方法有張力法、石膏塊電阻法、中子儀法、時(shí)域反射儀(TDR)法［1］等。土壤水分受土壤孔隙的毛管引力和土粒的分子引力的作用，使土壤孔隙中的水分處于負(fù)壓狀態(tài)，土壤吸力愈大，土壤孔隙中的水分愈少，土壤含水量也就愈低;反之，土壤吸力愈小，土壤孔隙中的水分愈多，則土壤含水量愈高，張力法正是利用土壤的這種特性測(cè)量土壤的基質(zhì)水勢(shì)［2］。與其他方法相比，張力法原理簡(jiǎn)單，測(cè)量設(shè)備造價(jià)低，應(yīng)用較廣。利用張力法制作的土壤濕度傳感器叫負(fù)壓式土壤濕度計(jì)(也稱(chēng)負(fù)壓計(jì)或張力計(jì))，其頭部的陶土頭與土壤緊密貼合，當(dāng)土壤濕度發(fā)生變化時(shí)，水分子在土壤與密封管之間產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，使管內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，由壓阻傳感器測(cè)定并輸出負(fù)壓信號(hào)，該信號(hào)能大致反應(yīng)出土壤的含水量狀況，其測(cè)定精度滿(mǎn)足一般蔬菜等大棚作物生長(zhǎng)的灌溉要求［3］。

2 灌溉控制器組成

灌溉控制器由負(fù)壓式土壤濕度傳感器、變送器和LOGO!12/24RC型PLC組成。

2.1 土壤濕度傳感器與變送器

選擇由中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所生產(chǎn)的FJA-10型負(fù)壓式土壤濕度計(jì)為土壤濕度測(cè)定傳感器。FJA-10型負(fù)壓式土壤濕度計(jì)由土壤濕度計(jì)和變送器組成，土壤濕度計(jì)由多孔陶土頭、密封管、集氣室、壓力傳感器組成。壓力傳感器采用擴(kuò)散硅壓力傳感器，在硅膜片上制成一個(gè)惠斯登電橋，當(dāng)硅片受到壓力時(shí)，電橋失去平衡，產(chǎn)生一個(gè)電位差，將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。在土壤水吸力為零至一個(gè)大氣壓時(shí)，壓力傳感器輸出電壓值為0～100 mV，而且土壤水吸力值與輸出電壓值之間呈良好的線(xiàn)性關(guān)系［4］。變送器由恒流源、測(cè)量放大器和電源等組成，既能對(duì)壓電傳感器提供恒流源，又把壓電傳感器產(chǎn)生的小電壓信號(hào)加以放大，輸出0～5 V電壓作為后續(xù)控制或顯示儀器的輸入信號(hào)。

FJA-10型負(fù)壓式土壤濕度計(jì)工作參數(shù):測(cè)量范圍為0～100 kPa，測(cè)量精度為 ±2.5 kPa;輸出電壓信號(hào)為0～5 V，供電電源為交流220 V。

2.2 土壤濕度傳感器的標(biāo)定

不同基質(zhì)土壤具有各自的水分特性曲線(xiàn)，土壤濕度傳感器的輸出信號(hào)值與土壤實(shí)際的含水率的對(duì)應(yīng)關(guān)系也不一樣，因此，要針對(duì)不同基質(zhì)的土壤對(duì)濕度傳感器進(jìn)行標(biāo)定［5］。標(biāo)定的目的有三，一是明確不同基質(zhì)土壤實(shí)際含水率與傳感器輸出值之間的函數(shù)關(guān)系，以表征該傳感器在確定基質(zhì)土壤中的適用性，這種關(guān)系應(yīng)具備一定規(guī)律，能建立數(shù)學(xué)模型，最好為線(xiàn)性;二是確定符合這個(gè)數(shù)學(xué)模型所適用的測(cè)量范圍;三是根據(jù)測(cè)定的參數(shù)設(shè)定PLC控制程序的參量值。

試驗(yàn)的大棚土壤為浙江省中部常見(jiàn)的紅壤土，采用田間標(biāo)定方法完成對(duì)FJA-10型負(fù)壓式土壤濕度計(jì)的標(biāo)定。先在實(shí)驗(yàn)室里用標(biāo)準(zhǔn)水銀壓力表或標(biāo)準(zhǔn)真空表對(duì)土壤濕度計(jì)進(jìn)行校正，調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度，使土壤濕度計(jì)負(fù)壓在0～100 kPa時(shí)變送器輸出電壓為0～5 000 mV，土壤負(fù)壓值Pi與輸出電壓值Ui關(guān)系為:Pi/100=Ui/5 000，這樣可根據(jù)輸出電壓值計(jì)算出土壤負(fù)壓值。再將濕度計(jì)埋入到試驗(yàn)大棚中，根據(jù)一般大棚蔬菜根系深度，設(shè)定傳感器頭部的埋入深度為20 cm。在不同土壤水吸力時(shí)，用萬(wàn)用表測(cè)量并記錄輸出電壓值。在土壤濕度計(jì)附近的同樣深度，用環(huán)刀采取土壤試樣，每個(gè)輸出值下采集土壤試樣6個(gè)，采用烘干法測(cè)定土壤的平均質(zhì)量含水率。在潮濕、濕潤(rùn)、干爽、干燥的狀態(tài)下記錄土壤的干燥過(guò)程輸出電壓值和質(zhì)量含水率數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)陣如圖1。

圖1 FJA-10型負(fù)壓式土壤濕度計(jì)標(biāo)定圖線(xiàn)

圖1 圖形接近為一條直線(xiàn)，線(xiàn)性擬合的數(shù)學(xué)模型為:

式中:ωi為土壤的質(zhì)量含水率;Pi為傳感器的負(fù)壓值;a、b為該函數(shù)參數(shù)。

采用最小二乘法進(jìn)行直線(xiàn)擬合可得:

則負(fù)壓值與含水率的線(xiàn)性函數(shù)關(guān)系式為:

在試驗(yàn)中，傳感器負(fù)壓值超過(guò)85 kPa時(shí)，所得到的數(shù)值明顯偏離現(xiàn)在的直線(xiàn)，呈現(xiàn)非線(xiàn)性，因此，該儀器的土壤負(fù)壓值理想使用范圍為0～85 kPa。

2.3 控制器

控制器選用 LOGO!12/24RC型 PLC，是由SIEMENS公司生產(chǎn)的一種小型PLC，有編程簡(jiǎn)單、參數(shù)設(shè)置方便、體積小、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，并具有較好的邏輯功能、鐘控功能和數(shù)字/模擬量輸入輸出功能。該型號(hào)PLC，具有8點(diǎn)數(shù)字量輸入，4點(diǎn)繼電器輸出，而且輸入點(diǎn)17和18可輸入模擬量，可連接土壤濕度傳感器。PLC使用電源電壓為DC 12 V或24 V，每個(gè)輸出點(diǎn)電流可達(dá)10 A，可直接驅(qū)動(dòng)水泵接觸器。該型PLC具備LCD顯示功能，在編程和運(yùn)行時(shí)顯示程序、參數(shù)和輸入點(diǎn)的信息，便于觀察修改。程序輸入和參數(shù)修改可直接由面板輸入或聯(lián)接計(jì)算機(jī)通過(guò)軟件編寫(xiě)輸入，操作較為方便。

LOGO!12/24RC型PLC控制聯(lián)接圖如圖2。

3 灌溉控制器的功能設(shè)計(jì)

3.1 功能設(shè)計(jì)

在分析土壤含水量、氣候條件、植物需水量等灌溉因素基礎(chǔ)上，考慮灌溉的實(shí)際需要提出了灌溉控制器設(shè)計(jì)方案。該控制器以陶土頭土壤濕度傳感器輸出為信號(hào)源，設(shè)置按土壤墑情控制、時(shí)鐘控制、頻繁間歇控制與手動(dòng)控制4種灌溉模式。

3.1.1 土壤墑情控制灌溉功能

能根據(jù)不同作物需水特性預(yù)設(shè)灌溉負(fù)壓值，采集土壤濕度信號(hào)，按土壤墑情和作物需水特性實(shí)施自動(dòng)灌溉，并設(shè)置灌溉時(shí)間間隔與時(shí)長(zhǎng)。土壤墑情控制灌溉原理框圖如圖3。

為了便于灌溉參數(shù)的設(shè)定，使PLC的顯示值為實(shí)際的負(fù)壓值P，需要對(duì)輸入的濕度模擬量進(jìn)行增益調(diào)整。針對(duì)0～100 kPa負(fù)壓值，變送器輸出的電壓為0～5 V，而PLC模擬量接口輸入信號(hào)為0～10 V，對(duì)應(yīng)內(nèi)部值為0～1 000，如設(shè)定灌水開(kāi)啟負(fù)壓值為20 kPa，則接通閥值SW↑內(nèi)部值為:

增益值取20，則LCD顯示值為:

這樣，顯示值與實(shí)測(cè)值一致。

3.1.2 時(shí)鐘控制灌溉功能

PLC內(nèi)設(shè)有鐘控電路，可預(yù)設(shè)每天的灌溉時(shí)間與時(shí)長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉。原理框圖如圖4。

圖2 控制器的系統(tǒng)聯(lián)接

圖3 土壤墑情控制灌溉的原理

3.1.3 頻繁間歇灌溉功能

將灌水時(shí)長(zhǎng)分成若干時(shí)段，以便提供足夠時(shí)長(zhǎng)使水滲入土壤，減少坡地或粘性土地地面徑流損失，達(dá)到節(jié)水的效果。如每灌溉5 min后，停歇5 min，保證水滲入土壤的時(shí)間。原理框圖如圖5。

3.1.4 手動(dòng)控制灌溉功能

根據(jù)需要，進(jìn)行實(shí)時(shí)手動(dòng)灌溉。可直接輸出驅(qū)動(dòng)電磁閥或水泵電機(jī)控制接觸器。

圖4 時(shí)鐘控制灌溉的原理

3.2 注意事項(xiàng)

圖5 頻繁間歇灌溉的原理

要注意濕度傳感器的維護(hù)，及時(shí)添水，保持其水管的水面在壓阻傳感器的上方，以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。采用小孔皮管灌溉時(shí)，注意小孔水流的落點(diǎn)，調(diào)節(jié)水壓，使水流落在作物根部;對(duì)于葉面蒸發(fā)量大的作物，也可采用頂部和根部同時(shí)噴灌的灌溉方式，既可保證其根部需水，也可保障其莖葉需水的要求。注意觀察作物生長(zhǎng)與土壤濕度情況，及時(shí)修正灌水負(fù)壓值。

4 灌溉控制器試用效果

該灌溉控制器在大棚蔬菜種植上進(jìn)行試用，對(duì)芹菜、番茄、青菜3種蔬菜種植在控制器灌溉和人工灌溉2種灌溉管理方式下進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。采用2只傳感器，設(shè)置不同的埋設(shè)深度、灌溉負(fù)壓值和灌水時(shí)長(zhǎng)。參數(shù)設(shè)置如表1。

表1 灌溉控制器灌溉試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

通過(guò)試驗(yàn)，作物的產(chǎn)量與用水量如表2所示。

從表2可知，1號(hào)傳感器控制灌溉的作物產(chǎn)量明顯比人工澆灌的高，芹菜增加9.19%，番茄產(chǎn)量增加4.26%，青菜產(chǎn)量增加2.85%;但2號(hào)傳感器比人工澆灌的產(chǎn)量低，芹菜減產(chǎn)2.7%，番茄減產(chǎn)1.41%，青菜5.5%。說(shuō)明自動(dòng)控制灌溉負(fù)壓灌溉值設(shè)置合理與否，決定灌溉控制的成敗。

表2 3種作物產(chǎn)量與用水量對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

在節(jié)水效果方面，1號(hào)傳感器控制灌溉的用水量是人工灌溉的69.64%，有明顯的節(jié)水效果。在病蟲(chóng)害發(fā)生率上，采用灌溉控制器后，用水量少，作物病害發(fā)生率明顯減少，蟲(chóng)害數(shù)量少，發(fā)生次數(shù)少，而且作物品質(zhì)有一定的提高。

采用灌溉控制器實(shí)施自動(dòng)灌溉，種植人員只需巡視，不需要人工澆灌，大大減少了勞動(dòng)強(qiáng)度。

5 小結(jié)

該灌溉控制器采用陶土頭土壤濕度傳感器，能實(shí)時(shí)檢測(cè)土壤濕度，采用小型PLC為控制單元，設(shè)置土壤墑情控制、時(shí)鐘控制、頻繁間歇、3種灌溉模式，并可人工手動(dòng)控制。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，該控制器在節(jié)水效果、作物增產(chǎn)及品質(zhì)改善、病蟲(chóng)害減少等方面有明顯作用，并可減少灌溉的勞動(dòng)強(qiáng)度，具工作可靠，操作方便，價(jià)格便宜等特點(diǎn)，方便推廣應(yīng)用。

［1］趙燕東．土壤水分快速測(cè)量方法及其應(yīng)用技術(shù)研究［D］．北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2002:11－20.

［2］趙燕東，王一鳴．基于駐波率原理的土壤水分傳感器的測(cè)量敏感度分析［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2002，18(2):2－5.

［3］張超，王會(huì)肖．土壤水分研究進(jìn)展及簡(jiǎn)要評(píng)述［J］．干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)究，2003，21(4):117－120，125.

［4］張金波，胡剛，張學(xué)武，等．自動(dòng)化控制系統(tǒng)在節(jié)水灌溉中的應(yīng)用［J］．微計(jì)算機(jī)信息，2003，19(1):9－10.

［5］王念啟，尹橋良，莫紅兵．節(jié)水灌溉計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的研究［J］．安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，29(4):417－420．