于　威，劉文合，許占洋，楊英英

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，沈陽(yáng)　110866)

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生態(tài)溫室雨水綜合利用自動(dòng)化控制系統(tǒng)研究

于威，劉文合，許占洋，楊英英

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，沈陽(yáng)110866)

摘要：將溫室雨水利用的理念與自動(dòng)化控制技術(shù)相結(jié)合，引入土壤溫濕度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)土壤情況，根據(jù)作物土壤含水量數(shù)值的變化，以組態(tài)王為平臺(tái)，設(shè)計(jì)了溫室雨水自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)，根據(jù)作物的土壤含水量值變化范圍，決定是否需要灌溉。同時(shí)，利用計(jì)算機(jī)C++語(yǔ)言設(shè)計(jì)了作物土壤相對(duì)含水量查詢系統(tǒng)，可準(zhǔn)確查詢作物所需的生長(zhǎng)適宜溫度范圍、適宜空氣濕度、不同生長(zhǎng)期的土壤相對(duì)含水量值等，同時(shí)也為溫室雨水利用自動(dòng)化控制系統(tǒng)提供參數(shù)依據(jù)。最后。針對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了灌溉試驗(yàn)，試驗(yàn)驗(yàn)證了其可靠性。

關(guān)鍵詞：雨水綜合利用；自動(dòng)化控制；土壤含水量；組態(tài)軟件；生態(tài)溫室

0引言

集雨農(nóng)業(yè)在世界范圍內(nèi)已有幾千年的存在歷史[1-4]，雨水的合理有效利用，作為節(jié)水灌溉的一部分，對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)的長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展具有廣泛的現(xiàn)實(shí)意義。特別是20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著世界人口的不斷增加和水資源緊缺的矛盾日益突出，人們對(duì)集雨農(nóng)業(yè)技術(shù)越來(lái)越重視[5-6]。我國(guó)科學(xué)家對(duì)雨水利用的系統(tǒng)研究始于20世紀(jì)80年代[7]，目前，集雨灌溉主要集中在農(nóng)田灌溉的領(lǐng)域，而對(duì)于溫室集雨來(lái)說(shuō)研究較少[8]。蔡月秋等利用溫室棚面與地面的自然高差，設(shè)計(jì)了溫室棚面雨水收集及自壓式滲灌系統(tǒng)[9-10]。張?zhí)炝值壤肬形集雨槽對(duì)日光溫室進(jìn)行了集雨設(shè)計(jì)[11]。湯瑛芳以日光溫室棚面為集水面，對(duì)以越冬的滲灌、滴灌、膜下暗灌的供水方式進(jìn)行了比較試驗(yàn)，結(jié)果表明滲灌是高效節(jié)水的灌溉方式[12]。劉文合等研究設(shè)計(jì)了日光溫室集雨系統(tǒng)，并對(duì)集雨池容積的經(jīng)濟(jì)分析[13-15]。集雨農(nóng)業(yè)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，包括收集、蓄存、輸送及利用等多個(gè)環(huán)節(jié)，自動(dòng)化控制系統(tǒng)的構(gòu)建，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守下整個(gè)系統(tǒng)的全自動(dòng)運(yùn)行。生態(tài)溫室雨水利用系統(tǒng)、溫室自動(dòng)控制灌溉技術(shù)均有研究，但對(duì)于生態(tài)溫室雨水綜合利用系統(tǒng)自動(dòng)化控制研究這一整體系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)鮮見(jiàn)報(bào)道。

1系統(tǒng)組成及工作原理

生態(tài)溫室雨水綜合利用系統(tǒng)主要是將雨水收集、過(guò)濾、儲(chǔ)存于集雨池，當(dāng)生態(tài)溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)下達(dá)灌溉命令時(shí)，通過(guò)水泵將雨水提取出來(lái)，田間灌溉設(shè)備開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)雨水對(duì)田間作物的灌溉。本系統(tǒng)主要由雨水收集系統(tǒng)、田間灌溉系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng)組成。圖1所示為系統(tǒng)構(gòu)成圖，系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖1　系統(tǒng)構(gòu)成圖

1.棚膜　2.集雨槽　3.排水口　4.集雨池　5.水泵　6.井口

1.1　雨水收集系統(tǒng)

溫室雨水收集系統(tǒng)主要由4部分構(gòu)成，包括溫室棚膜、集雨槽、排水管及集雨池。

集雨系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理如圖3所示。溫室棚膜將落在表面的雨水匯集到集雨槽內(nèi)，槽下端與輸水管相連，收集到的雨水經(jīng)排水管流入集雨池內(nèi)，池內(nèi)的水泵將雨水提取送至地面上的水桶，進(jìn)行灌溉利用。集雨系統(tǒng)核心部分是對(duì)集雨池經(jīng)濟(jì)容積的確定，具體方法和結(jié)論可參見(jiàn)文獻(xiàn)[13]。

1.棚膜　2.集雨槽　3.排水口　4.集雨池　5.水泵

1.2　田間灌溉系統(tǒng)

由于雨水利用系統(tǒng)需進(jìn)行自動(dòng)化控制，所以田間灌溉系統(tǒng)應(yīng)選擇與自動(dòng)化設(shè)備便于連接與控制的系統(tǒng)?？紤]到需要具備省水、省電、適用范圍廣、設(shè)備投資價(jià)格低等特點(diǎn)，本系統(tǒng)選擇滴灌方式，滴灌帶為內(nèi)鑲式滴灌管,直徑16mm，壁厚0.02mm，出水孔間距30cm。連接滴灌管的輸水支管為聚乙烯硬塑管，直徑30 mm。

1.3　溫室自動(dòng)化控制系統(tǒng)

溫室自動(dòng)化控制系統(tǒng)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的核心部分，自動(dòng)化的程度及優(yōu)劣直接決定系統(tǒng)的功能強(qiáng)弱。本系統(tǒng)將選用智能儀表為核心控制系統(tǒng)。溫室雨水綜合利用自動(dòng)化控制系統(tǒng)硬件主要部分包括上位機(jī)、下位機(jī)、 各參數(shù)的檢測(cè)傳感器和檢測(cè)電路、 執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其控制電路，以及聲光報(bào)警電路等。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。本系統(tǒng)上位機(jī)選用工控機(jī)(PC機(jī))，主要完成系統(tǒng)時(shí)間的設(shè)定及灌區(qū)灌溉參數(shù)設(shè)定等。選擇智能儀表作為控制系統(tǒng)成為下位機(jī)，通訊接口需要與RS232或RS485等轉(zhuǎn)換器相連。

圖4　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.4　土壤溫濕度傳感器選擇及布置

實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境遠(yuǎn)程智能控制的基礎(chǔ)是對(duì)溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，本系統(tǒng)選用電阻式土壤溫濕度傳感器，布置在種植區(qū)域田壟中間，傳感器橫向距滴頭10cm，將6 cm探頭全部埋進(jìn)土壤中。選用二位二通電磁閥，布置在田地的前方，和灌溉管路相連，用來(lái)控制滴灌灌溉。

雨水利用系統(tǒng)中除了上述設(shè)備外，還包括其他灌溉常用設(shè)備，如水泵、液位開(kāi)關(guān)、聲光報(bào)警器、工業(yè)電源及配電箱等。

2自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

生態(tài)溫室雨水綜合利用系統(tǒng)也將自動(dòng)控制部分加入到系統(tǒng)中，將編制好的軟件安裝到上位機(jī)(PC)上，對(duì)下位機(jī)及田間設(shè)備進(jìn)行控制。本系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)選用Visual C++ 6.0和組態(tài)王兩種軟件。

2.1　作物土壤相對(duì)含水量查詢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)地區(qū)、溫室類型、灌溉方式、土壤類型、作物類型及作物名稱6個(gè)參數(shù)為變量設(shè)計(jì)軟件，可查閱作物灌溉信息和土壤相對(duì)含水量，為接下來(lái)的溫室雨水自動(dòng)化灌溉軟件提供作物土壤含水量參數(shù)。對(duì)灌溉資料進(jìn)行分析整理得到北方和南方地區(qū)常見(jiàn)溫室作物不同生育期土壤相對(duì)含水量表，如表1和表2所示。圖5為土壤相對(duì)含水量查詢軟件設(shè)計(jì)的邏輯流程圖。

運(yùn)用設(shè)計(jì)的軟件，查詢常用作物的灌溉信息和土壤含水量情況。選擇北方生態(tài)溫室種植的黃瓜為例，軟件查詢、輸出界面，如圖6所示。

表1　北方地區(qū)溫室常見(jiàn)蔬菜土壤含水量情況

表2　南方地區(qū)溫室常見(jiàn)蔬菜土壤含水量情況

續(xù)表2

圖5　邏輯流程圖

圖6　北方黃瓜軟件查詢及輸出界面

2.2　自動(dòng)化灌溉軟件設(shè)計(jì)

溫室雨水自動(dòng)化灌溉是將收集到的雨水，根據(jù)田間作物需水情況，缺水時(shí)自動(dòng)灌溉，達(dá)到作物需水量時(shí)，停止灌溉，是將雨水收集與田間灌溉整體自動(dòng)化。自動(dòng)化灌溉軟件的設(shè)計(jì)在上位機(jī)上進(jìn)行，設(shè)計(jì)軟件采用組態(tài)王KingView6.55。

2.2.1系統(tǒng)的主界面

主界面包括3個(gè)區(qū)域，分別是溫室種植區(qū)域、工作間和室外。溫室作物的土壤溫度和土壤濕度在界面上可以直接顯示，如圖7所示。

圖7　系統(tǒng)主界面

2.2.2參數(shù)設(shè)置界面

根據(jù)上述完成的土壤相對(duì)含水量查詢系統(tǒng)軟件，根據(jù)實(shí)際種植情況查詢土壤含水率報(bào)警值，當(dāng)土壤含水率達(dá)到限值，灌溉系統(tǒng)啟動(dòng)，開(kāi)始灌溉。土壤含水率報(bào)警值回差是土壤含水率值在報(bào)警值上下浮動(dòng)的范圍值，一般取3%~5%，當(dāng)土壤含水率達(dá)到(或上下偏差3~5%)報(bào)警值時(shí)，灌溉完成，參數(shù)設(shè)置界面如圖8所示。

圖8　系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面

2.2.3灌溉趨勢(shì)曲線查詢界面

趨勢(shì)曲線可以很好地反映土壤溫濕度變量隨時(shí)間變化的情況。組態(tài)王軟件中包含趨勢(shì)曲線模塊，分為實(shí)時(shí)曲線和歷史趨勢(shì)曲線兩種。灌溉實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線查詢界面如圖9所示。

圖9　實(shí)時(shí)和歷史曲線查詢界面

2.2.4歷史數(shù)據(jù)報(bào)表界面

歷史數(shù)據(jù)報(bào)表是反應(yīng)生產(chǎn)過(guò)程中數(shù)據(jù)和狀態(tài)等，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄的一種重要形式，是生產(chǎn)過(guò)程不可缺少的一個(gè)部分，能對(duì)長(zhǎng)期的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，使管理人員能夠?qū)崟r(shí)掌握和分析生產(chǎn)情況。使用時(shí)，需要對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)表進(jìn)行有關(guān)參數(shù)的設(shè)置，以符合實(shí)際控制的需要。選擇菜單“工具報(bào)表窗口”項(xiàng)或單擊工具箱中的“報(bào)表窗口”按鈕，即可插入歷史數(shù)據(jù)報(bào)表，如圖10所示。

圖10　歷史數(shù)據(jù)報(bào)表

2.2.5數(shù)據(jù)誤差修訂界面

土壤溫濕度值在實(shí)際生產(chǎn)中可能存在誤差，就需要對(duì)下限值進(jìn)行校正，以滿足溫室灌溉準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)誤差修訂界面如圖11所示。

圖11　數(shù)據(jù)誤差修訂

3系統(tǒng)可靠性分析及測(cè)試

為保證溫室雨水利用系統(tǒng)順利運(yùn)行，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備儀器的安裝與校準(zhǔn)，需要在田間種植作物，觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行情況，設(shè)置對(duì)比實(shí)驗(yàn)區(qū)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析比較，最后對(duì)系統(tǒng)中存在的不足進(jìn)行調(diào)整和改正。

3.1　設(shè)備安裝

溫室雨水利用系統(tǒng)硬件安裝主要分為3部分，分別為控制室、溫室配電柜和溫室試驗(yàn)田。從溫室實(shí)驗(yàn)區(qū)域開(kāi)始對(duì)田間灌溉部分開(kāi)始安裝，選擇Φ16mm×0.02mm×300mm的滴灌管與直徑30mm的支管相連，支管與水桶相接， 在支管中心處放置二位二通電磁閥，在水桶中放置液位開(kāi)關(guān)，液位開(kāi)關(guān)安裝如圖12所示。溫室雨水利用系統(tǒng)完整電路連接圖如圖13所示。

圖12　液位開(kāi)關(guān)安裝圖

圖13　溫室雨水利用系統(tǒng)電路連接示意圖

3.2　系統(tǒng)測(cè)試

3.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)在沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地45號(hào)溫室進(jìn)行。沈陽(yáng)年平均氣溫7.0~8.1℃，年平均降水量574.4~684.8mm。試驗(yàn)地基本情況：溫室種植區(qū)域長(zhǎng)60m，跨度6m；試驗(yàn)區(qū)土壤為棕壤土，田間持水量為37%，土壤pH為7.5~7.9。土壤基本理化性質(zhì)如表3所示。

試驗(yàn)對(duì)手動(dòng)控制灌溉和自動(dòng)化灌溉進(jìn)行對(duì)比，將溫室試驗(yàn)田從中間分割為2個(gè)同等大小的小區(qū)，每個(gè)小區(qū)采用一種灌水方式。為防止兩種處理間水分、養(yǎng)分的互滲或遷移,在定植前各兩區(qū)之間用埋深60cm塑料薄膜做成凹形的防滲透隔離處理。試驗(yàn)滴灌帶為內(nèi)鑲式滴灌管,直徑16mm,壁厚0.02mm,出水孔間距30cm。連接滴灌管的輸水支管為聚乙烯硬塑管,直徑30mm。試驗(yàn)小區(qū)布置如圖14所示。從2014年4月份左右開(kāi)始對(duì)溫室棚面雨水進(jìn)行收集，匯集至集雨池，提供試驗(yàn)灌溉用水；2014年7月進(jìn)行灌溉試驗(yàn)，測(cè)試蔬菜選用果菜中的黃瓜，品種為中農(nóng)5號(hào)。

表3　土壤基本理化性質(zhì)

圖14　試驗(yàn)小區(qū)布置圖

3.2.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

黃瓜果實(shí)收獲從9月初開(kāi)始，10月中旬收獲完畢。黃瓜在結(jié)果期自動(dòng)化灌溉與經(jīng)驗(yàn)灌溉單株產(chǎn)量對(duì)比如圖15所示。

圖15　自動(dòng)化灌溉與人工灌溉單株產(chǎn)量曲線圖

從單株黃瓜產(chǎn)量曲線圖中可明顯看出：自動(dòng)化灌溉與人工經(jīng)驗(yàn)灌溉的差別。從9月黃瓜收獲開(kāi)始，單株自動(dòng)化灌溉產(chǎn)量為人工經(jīng)驗(yàn)灌溉產(chǎn)量的1.2~2.0倍，除了10月4日人工經(jīng)驗(yàn)灌溉產(chǎn)量比自動(dòng)化灌溉產(chǎn)量高。但試驗(yàn)過(guò)程中，環(huán)境變化、設(shè)備運(yùn)行情況等一系列的條件均會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響，而對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)域經(jīng)過(guò)多次取樣分析，最終結(jié)果整體滿足單株自動(dòng)化灌溉產(chǎn)量高于人工經(jīng)驗(yàn)灌溉產(chǎn)量值，溫室雨水利用自動(dòng)化控制系統(tǒng)可靠性和實(shí)用性得到證明。

4結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了溫室生態(tài)溫室雨水綜合利用控制系統(tǒng)，包括雨水收集系統(tǒng)、田間灌溉系統(tǒng)和自動(dòng)化控制系統(tǒng)系統(tǒng)。以組態(tài)軟件為平臺(tái)，把自動(dòng)化控制理論與實(shí)際生產(chǎn)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)溫室雨水的自動(dòng)化定量精準(zhǔn)灌溉。同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試使用，證明系統(tǒng)可行性和準(zhǔn)確性。

2)基本完成了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，但研究的作物種類都是常見(jiàn)的蔬菜類作物滴管方式條件下的自動(dòng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)具有開(kāi)放性，其它類型的溫室類作物、及灌溉方式數(shù)據(jù)可在后續(xù)研究中加入。

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Research on Comprehensive Utilization Automatic Control System of Rainwater in Ecological Greenhouse

Yu Wei, Liu Wenhe, Xu Zhanyang, Yang Yingying

(College of Water Conservancy, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China)

Abstract：According to the concept of the greenhouse rainwater and automatic control technology, and the date of soil temperature and humidity sensors to monitor soil conditions, following the value changes of crop soil moisture to Kingview platform designed automated greenhouse rainwater irrigation system.According to crop the range of values of soil moisture change, decide whether to irrigate.At the same time, the use of C ++ computer language designed crop SRWC query system can accurately query crop growth suitable temperature range required, appropriate air humidity, soil water content of different growth stages of relative values, etc.,but also for the greenhouse automation rainwater utilization. The control system provides parameter basis. And made irrigation system test, verified its reliability.

Key words：comprehensive utilization of rainwater; automation control; soil water content; configuration software; coological greenhouse

中圖分類號(hào)：S625.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)11-0007-08

作者簡(jiǎn)介：于威(1980-)，女，遼寧營(yíng)口人，講師，博士，(E-mail)ywyuwei@126.com。通訊作者：劉文合( 1971-)，男，遼寧建昌人，教授，博士，(E-mail)wenhel@126.com。

基金項(xiàng)目：遼寧省農(nóng)業(yè)領(lǐng)域青年科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(2015039)；農(nóng)業(yè)部東北設(shè)施園藝工程科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站項(xiàng)目(30201120)；國(guó)家星火計(jì)劃項(xiàng)目(2013GA650007)；遼寧省科技廳農(nóng)業(yè)攻關(guān)及成果產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目(2014210003-03)

收稿日期：2015-10-22