摘要：針對溫室雨水利用系統(tǒng)無法實現(xiàn)自動灌溉的問題，設計溫室雨水利用裝置，并根據(jù)雨水利用裝置的工作原理，結合自動化控制技術，引入土壤溫濕度傳感器監(jiān)測土壤濕度，基于人機界面的組態(tài)平臺，設計自動灌溉控制系統(tǒng)。同時，利用計算機C+[KG-*3]+語言設計作物數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)，根據(jù)溫室作物土壤含水量變化范圍，決定是否需要灌溉，并通過組態(tài)平臺實時監(jiān)控自動灌溉系統(tǒng)的狀態(tài)，科學地種植溫室作物。通過對溫室雨水綜合利用系統(tǒng)進行灌溉試驗，分析作物的試驗數(shù)據(jù)，驗證了自動灌溉控制系統(tǒng)的可靠性和實用性。

關鍵詞：溫室雨水；綜合利用系統(tǒng)；整體布置；自動灌溉；控制系統(tǒng)；土壤含水量；組態(tài)軟件；C+[KG-*3]+語言

中圖分類號： S24；S126文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）12-0368-04

收稿日期：2015-11-03

作者簡介：吳帆（1982—），女，江蘇鹽城人，工程碩士，講師，研究方向為電氣自動化。E-mail：tanceyiy@163.com。

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展及農(nóng)村種植結構的調整，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)設施和管理模式已經(jīng)不能滿足社會高速發(fā)展的需要[1-2]，具有節(jié)能、高產(chǎn)、高效特點的溫室種植是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。而集雨溫室是節(jié)約型溫室的典型，通過對自然條件下雨水的收集和利用，可以節(jié)省溫室灌溉的成本[2-3]。我國對于雨水利用的研究起步較晚[4]，目前集水溫室的相關研究還較少。蔡月秋等利用溫室棚面與地面的自然高差，設計了溫室棚面雨水收集及自壓式滲灌系統(tǒng)[5-6]。張?zhí)炝值壤谩癠”形集雨槽對日光溫室進行了集雨設計[7]。湯瑛芳以日光溫室棚面為集水面，對越冬的滲灌、滴灌、膜下暗灌的供水方式進行比較試驗，結果表明，滲灌是高效節(jié)水的灌溉方式[8]。對于現(xiàn)代溫室而言，當前的發(fā)展趨勢是實現(xiàn)溫室溫度、灌溉等環(huán)節(jié)的自動化和智能化，最終做到無人值守的全自動狀態(tài)。溫室的自動化控制已有部分學者取得了一定成果，李君華等通過構建溫室的組態(tài)系統(tǒng)，利用軟件控制溫室的各個環(huán)節(jié)，從而實現(xiàn)了自動化功能[9]。陳磊利用CAN總線和嵌入式Linux技術，構建了溫室的數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了溫室灌溉的自動控制[10]。

目前，溫室雨水利用還存在一定的問題，即集水功能還沒有得到控制的自動化，上文提到關于溫室集水和自動控制的研究現(xiàn)狀，但是大部分學者還沒有提出溫室雨水利用系統(tǒng)、溫室自動控制灌溉技術的綜合技術，國內對于溫室雨水自動化灌溉的研究也很少[2]。本研究結合溫室土壤的相關數(shù)據(jù)，利用C+[KG-*3]+語言編寫了自動灌溉軟件[11]，以期將溫室集水功能融合到自動控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)整體系統(tǒng)的自動化。

1系統(tǒng)構成及工作原理

溫室雨水綜合利用系統(tǒng)主要由雨水收集裝置、溫室灌溉系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)等部分組成，系統(tǒng)結構如圖1所示。其中雨水收集裝置主要完成雨水收集、過濾、儲存等任務，可為灌溉系統(tǒng)提供足夠的灌溉水源，當自動控制系統(tǒng)發(fā)出灌溉信號時，水泵將集水池中的水源送至灌溉管路中，完成溫室作物的灌溉任務，此時土壤濕度傳感器實時檢測土壤的濕度，并將信號傳送到控制系統(tǒng)的上位機，當土壤濕度達到灌溉目標值后，自動系統(tǒng)發(fā)出結束灌溉的信號，系統(tǒng)的工作整體布置如圖2所示。

2系統(tǒng)的硬件部分設計

系統(tǒng)的硬件部分主要由可編程邏輯控制器（programmable logic controller，簡稱PLC）各模塊、土壤濕度傳感器和通訊傳輸?shù)炔糠纸M成，系統(tǒng)的硬件結構如圖3所示。PLC的任務是處理土壤濕度傳感器的信號和溫室灌溉系統(tǒng)的自動控制，其工作原理：接受上位機的開關量控制信號，并根據(jù)控制信號運行中央處理器（central processing unit，簡稱CPU）內部的程序，從而控制溫室灌溉系統(tǒng)執(zhí)行元件的動作[12-13]，在灌溉過程中，土壤濕度傳感器實時對PLC反饋濕度值，PLC會在程序內部進行判斷，當濕度值到達設定值時，PLC會執(zhí)行灌溉停止的命令。

本研究選用西門子S7-300系列的PLC組件，CPU為CPU 319F-3 PN/DP，通訊模塊為CP 343-1，系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通訊，傳輸數(shù)據(jù)速度迅速準確，傳感器的數(shù)據(jù)采集采用西門子SM300的模擬量輸入輸出模塊；PLC通過從站ET200s模塊控制電動機的工作，電動機是灌溉系統(tǒng)中水泵的動力原件，控制電動機的轉速和功率， 將有效地控制灌溉系統(tǒng)水流量的

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大??；同時，從站還對灌溉系統(tǒng)中的電磁閥進行控制，實現(xiàn)水路的開關控制，PLC程序組態(tài)見圖4。

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土壤濕度傳感器是關鍵的硬件部分，濕度傳感器將信號傳遞到PLC的SM300模塊，通過PLC內部程序的處理，提供反饋信號，對參數(shù)進行實時數(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10 cm，將6 cm探頭全部埋進土壤中。

3系統(tǒng)的軟件部分設計

溫室雨水綜合利用系統(tǒng)包括灌溉控制的自動控制系統(tǒng)，通過C+[KG-*3]+語言編寫上位機的軟件，軟件提供強大的信息查詢和分析功能，并應用西門子人機界面軟件編寫組態(tài)，提供環(huán)境友好、直觀的監(jiān)控界面。

3.1作物生長信息查詢系統(tǒng)設計

對于溫室環(huán)境下的不同作物生長信息的統(tǒng)計，有利于調節(jié)溫室的環(huán)境指標，包括溫度、濕度、灌溉時間等，本研究根據(jù)南方、北方地區(qū)不同作物基本信息編寫查詢軟件，可查閱作物灌溉信息、土壤相對含水量，根據(jù)溫室作物的生長周期、生長習性，為溫室雨水綜合利用系統(tǒng)的自動化控制提供依據(jù)，從而將溫室土壤的濕度保持在合理范圍區(qū)間，有利于溫室作物的高產(chǎn)。北方、南方地區(qū)常見溫室作物信息統(tǒng)計結果分別見表1、表2。

對軟件系統(tǒng)中作物的信息進行查詢，應遵循分類選擇的原則，分類信息包括溫室所處的地區(qū)、作物類型、作物名稱等方面，根據(jù)查詢系統(tǒng)的下拉列表找到要查詢的具體信息，運用設計的軟件，查詢常用作物的灌溉信息、土壤含水量情況。以北方生態(tài)溫室種植的黃瓜為例，軟件查詢、輸出界面見圖5。

3.2自動灌溉控制系統(tǒng)的組態(tài)設計

根據(jù)溫室雨水綜合利用系統(tǒng)的工作原理，基本過程為收集雨水、雨水處理與存儲、雨水灌溉。根據(jù)溫室作物對土壤濕度的要求和生長習性，及時對田間作物進行灌溉，安裝在土壤中的濕度傳感器反饋土壤濕度，達到要求后及時停止灌溉，從而實現(xiàn)溫室灌溉的全自動化控制。自動化控制的監(jiān)控和操作由人機界面來實現(xiàn)[14-15]，這里使用西門子的TIA Portal來設計控制系統(tǒng)的組態(tài)界面。

（1）系統(tǒng)的主界面。系統(tǒng)的主界面是溫室的總體視圖，包括溫室種植區(qū)域、上位機控制和灌溉設備。溫室作物的土壤溫度和土壤濕度在界面上可以直接顯示，相關監(jiān)測數(shù)據(jù)可以通過點擊相應按鈕得到，界面友好而簡潔，如圖6所示。

（2）實時和歷史曲線查詢界面。對于溫室雨水綜合利用系統(tǒng)，溫室監(jiān)控數(shù)據(jù)的保存很重要，歷史數(shù)據(jù)的保存可以給工作人員的經(jīng)驗積累提供幫助，實時、歷史曲線界面如圖7所示。歷史曲線按照溫度、濕度分為2組，展示了溫室中灌溉區(qū)域的溫度、土壤濕度的變化。歷史數(shù)據(jù)查詢界面包括歷史查詢、實時查詢、歷史曲線、實時曲線等，可以輸入想要查詢的時間段，系統(tǒng)默認的時間為1 h。

（3）報警界面。對于灌溉自動控制的監(jiān)控，還包括安全方面的設計，其中水泵電動機的電流、功率等主要參數(shù)須實時監(jiān)控，當參數(shù)達到警報上限時，應及時報警。此外，在灌溉過程中，土壤濕度超出設定范圍也會提示報警，報警設計的范圍很大，主要功能是使自動控制系統(tǒng)在合理的狀態(tài)下工作，報警界面見圖8。

（4）誤差修正界面。由于溫室環(huán)境存在客觀隨機性，土壤濕度傳感器有可能出現(xiàn)檢測誤差或零點漂移，這要求控制系統(tǒng)能實時檢測到該事件，并及時糾正誤差，因此設計誤差修正界面，對下限值進行校正，從而提高溫室灌溉系統(tǒng)濕度檢測的準確性，相應界面見圖9。

4系統(tǒng)的試驗研究

根據(jù)溫室雨水綜合利用系統(tǒng)，設計相應的試驗，測試設計系統(tǒng)軟件、硬件的可靠性，試驗的第1步是系統(tǒng)硬件部分安裝、調試，包括在田間種植作物區(qū)域布置灌溉的管路及灌溉系統(tǒng)動力部分的安裝，在系統(tǒng)硬件搭建完成的條件下才可以調試整個系統(tǒng)，同時設置對比試驗區(qū)，對試驗結果進行分析比較，最后對系統(tǒng)中存在的不足進行調整、改正。

4.1試驗設計

試驗地點選在江蘇鹽城的農(nóng)業(yè)示范田4號區(qū)域。江蘇鹽城地區(qū)的四季平均氣溫、降水量見表3，示范田試驗用地的基本情況：溫室種植區(qū)域長80 m、跨度8 m，試驗區(qū)土壤為棕壤土，田間持水量為37%，土壤pH值為7.5～7.9，土壤基本理化性質：全氮含量1.150 g/kg，全磷含量1.12 g/kg，全鉀含量20.40 g/kg，堿解氮含量58.96 g/kg，速效磷含量48.32 g/kg，速效鉀含量148.50 g/kg，有機質含量11.73 g/kg，pH值 7.85。

根據(jù)對比試驗的原則，采用相同土質的同一片溫室，選擇溫室內2塊面積、光照度、溫度等條件一樣的試驗田，為避免手動、自動灌溉方式對水分、養(yǎng)分互滲或遷移的影響，對2塊試[CM（25]驗田進行隔離處理，在定植前2區(qū)之間用埋深80[KG*3]cm塑料薄膜做成凹形的防滲透隔離處理。試驗滴灌帶為直徑 18 mm 的內鑲式滴灌管，灌溉孔的間距為40 cm。連接滴灌管的輸水支管為聚乙烯硬塑管，直徑30 mm，試驗小區(qū)布置見圖10。

從表3還可以看出，夏季為江蘇鹽城地區(qū)降水量最多的時期，因此從4月左右開始對溫室棚面雨水進行收集，匯集至集雨池，提供試驗灌溉用水，7月開始進行灌溉試驗，測試蔬菜選用果菜類的番茄。

4.2結果與分析

從表2可以看出關于番茄的生長相關數(shù)據(jù)，可見番茄生長周期為110 d，適宜的生長溫度為13～28 ℃，適宜的濕度為45%～55%，在苗期、開花著果期和結果期的3個時期，土壤水分的含量逐漸提高。從7月開始種植，到10月開始收獲果實，其間同一溫室的2塊試驗田分別采用人工、自動控制的灌溉方式，得到單株產(chǎn)量對比結果。

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從圖11可以看出，不同灌溉方式對單株番茄的產(chǎn)量影響較大，基于科學統(tǒng)計數(shù)據(jù)的自動控制灌溉方式具有明顯優(yōu)勢，依靠人種植經(jīng)驗的人工灌溉略顯不足。從9月末開始收獲番茄的果實，自動化灌溉的單株番茄產(chǎn)量一直高于人工灌溉的番茄產(chǎn)量，最大差距可以達到1.6倍。當然，通過1次試驗不能得到?jīng)Q定性結論，還需要多次重復試驗才能得到較為準確的數(shù)據(jù)，但是自動化灌溉的效果確實明顯，溫室雨水綜合利用自動化控制系統(tǒng)的可靠性、實用性在一定程度上得到了證明。

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5結論

本研究設計了溫室雨水綜合利用自動控制系統(tǒng)，根據(jù)溫室雨水收集裝置的結構組成、工作原理，設計自動控制系統(tǒng)硬件、軟件部分，搭建自動控制的組態(tài)監(jiān)控平臺?；诳茖W的溫室作物種植數(shù)據(jù)，利用構建的自動灌溉控制系統(tǒng)，實現(xiàn)科學、定量的溫室灌溉方式，并結合實際進行試驗，結果表明，設計的自動控制系統(tǒng)具有可靠性和實用性。

本研究設計了作物種類的軟件查詢系統(tǒng)，為常見的蔬菜類作物種植提供了參考依據(jù)，不同灌溉方式下得到的試驗數(shù)據(jù)具有一定價值， 后續(xù)研究會結合已有試驗結果進行多次重復試驗，并采用不同作物。

參考文獻：

[1]王智乾. 基于PLC的溫室模糊灌溉控制系統(tǒng)研究[D]. 昆明：昆明理工大學，2012.

[2]焦有權. 溫棚膜面集雨回用中集水量與作物需水量耦合分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程，2012，2（7）：49-52.

[3]程瑞，王雙喜. 溫室環(huán)境智能控制系統(tǒng)研究與應用[J]. 山西農(nóng)業(yè)科學，2014，42（2）：203-205.

[4]季文華，蔡建明，王志平，等. 溫室農(nóng)業(yè)雨水集蓄利用工程規(guī)模優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2010，26（8）：248-253.

[5]蔡月秋，袁巧霞，廖慶喜. 溫室棚面集雨及自壓滲灌對作物生長環(huán)境的影響[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學學報，2006，25（3）：330-333.

[6]袁巧霞，蔡月秋. 濕潤地區(qū)溫室集雨系統(tǒng)集雨效果的研究[J]. 節(jié)水灌溉，2008（6）：18-20.

[7]張?zhí)炝?，王鳳娟. 丘陵干旱地區(qū)日光溫室集雨節(jié)水技術模式的成功實踐[J]. 農(nóng)業(yè)工程技術·溫室園藝，2006（2）：16-17.

[8]湯瑛芳. 旱地節(jié)能日光溫室集雨節(jié)灌效應研究[J]. 北方園藝，2000，130（1）：14-15.

[9]李君華，王生學，張侃諭. 基于PLC和組態(tài)軟件的現(xiàn)代溫室控制系統(tǒng)設計[J]. 工業(yè)儀表與自動化裝置，2008（2）：25-27.

[10]陳磊. 基于CAN總線和Linux的微灌監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)[D]. 西安：西北農(nóng)林科技大學，2014.

[11]劉文合，管慧旭，楊闖，等. 基于C+[KG-*3]+語言的溫室集雨池經(jīng)濟容積研究[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2015，43（2）：384-386.

[12]周亮亮. 溫室PLC模糊灌溉施肥控制系統(tǒng)研究[D]. 昆明：昆明理工大學，2013.

[13]紀建偉，鄧巍巍，趙毅勇. 基于PLC的稻田灌溉自動控制系統(tǒng)[J]. 沈陽農(nóng)業(yè)大學學報，2013，44（3）：257-261.

[14]薛文英. 基于組態(tài)平臺的溫室監(jiān)控系統(tǒng)軟件的設計與應用[D]. 北京：中國地質大學，2012.

[15]李勝多. 基于組態(tài)技術和PLC的節(jié)水灌溉控制技術[J]. 農(nóng)機化研究，2010，32（10）：167-173.