張宗群，馬稚昱,2，李明爵，陳嘉豪，高林鋒，韋鴻鈺 ,2※

（1.仲愷農業(yè)工程學院 機電工程學院，廣州 510225；2.廣東省特色農業(yè)現(xiàn)代化（精準農業(yè)智能化裝備）產業(yè)發(fā)展重點實驗室，廣州 510225）

0 引言

我國是農業(yè)大國，同時也是世界上水資源緊缺，肥料浪費嚴重的國家之一。在傳統(tǒng)栽培方式中，農民根據(jù)經驗對種植物進行水肥管理，造成大量水肥資源浪費，且導致土壤中殘留大量肥料，嚴重制約了農業(yè)發(fā)展[1,2]。水肥一體化技術是國際上公認的提高水肥利用率的最佳措施。農業(yè)發(fā)達國家在節(jié)水節(jié)肥方面領先我國近20年。近年來，我國出臺多個文件推廣水肥一體化技術，以全面提升農業(yè)水肥利用率，推動現(xiàn)代農業(yè)健康、高效的發(fā)展[3-5]。

本文設計了一套栽培環(huán)境相對封閉的水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)作物的生長及對水肥的需求特性實現(xiàn)自動灌溉、實時監(jiān)測，并具有臭氧殺菌等功能，真正實現(xiàn)節(jié)水節(jié)肥、環(huán)境友好，解決當前農業(yè)資源浪費、環(huán)境污染的問題。

1 整體方案設計

1.1 功能需求分析

為解決傳統(tǒng)栽培方式水肥流失嚴重的問題，該系統(tǒng)根據(jù)作物生長需求進行水肥自動灌溉，并可遠程監(jiān)控灌溉情況，進行實時調整。鑒于本設計的立體無土栽培系統(tǒng)應用于設施環(huán)境內，因此整套系統(tǒng)運行環(huán)境應相對封閉，且可以實現(xiàn)水肥的自動清潔及循環(huán)利用[6-8]。

1.2 整體結構設計

根據(jù)上述功能需求，本研究構建的水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)由管道栽培子系統(tǒng)、循環(huán)灌溉子系統(tǒng)、營養(yǎng)液檢測子系統(tǒng)和臭氧殺菌子系統(tǒng)4部分組成，總體結構如圖1所示。營養(yǎng)液罐中配置有電導率EC傳感器和pH傳感器實現(xiàn)實時檢測，根據(jù)監(jiān)測的EC值和pH值，結合作物品種、環(huán)境因子和生長情況，動態(tài)調節(jié)營養(yǎng)液的成分及濃度。通過設定定時器灌溉循環(huán)的時間，實現(xiàn)水肥營養(yǎng)液的定時灌溉，為作物生長提供所需的水分和養(yǎng)料；使用管道隔空栽培實現(xiàn)作物栽培區(qū)與外界的隔離，過剩的營養(yǎng)液通過回收管道回流進回收箱，并通過水位傳感器檢測控制潛水泵，將回收箱內的回流液體輸送回營養(yǎng)液罐，實現(xiàn)水肥的循環(huán)再利用；氣泵與臭氧發(fā)生器組成的殺菌系統(tǒng)實現(xiàn)了定期殺菌凈化水體的功能。為了防止營養(yǎng)液中鹽分富集，營養(yǎng)液罐中的營養(yǎng)液需要定期排空并及時處理。

圖1 水肥一體化精準控制系統(tǒng)結構圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 管道栽培子系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)根據(jù)水培灌溉特點和主要種植作物的生長條件需求以及光照環(huán)境特點，采用倒V型結構做水培支架，選用7根規(guī)格為3 000 mm×108 mm×70 mm的方形管道作為植物的栽培場所，構建一個相對外界封閉的環(huán)境，便于營養(yǎng)液的回收利用。如圖2，栽培支架呈三角形，結構穩(wěn)固扎實；支架下方采用鏤空設計，將整個水培裝置的占地面積以及空間占用體積最小化。

2.2 循環(huán)灌溉子系統(tǒng)設計

圖2 管道栽培子系統(tǒng)

營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)主要由3部分組成：營養(yǎng)液箱、水培管、回收箱，如圖3所示。營養(yǎng)液箱與水培管之間通過水泵實現(xiàn)定時輸送營養(yǎng)液功能；回收箱與營養(yǎng)液箱的關系如圖4，當回收箱水位達到一定高度時，通過水位感應器的信息傳遞可使系統(tǒng)進行負反饋調節(jié)，將回收箱里過剩營養(yǎng)液通過循環(huán)管道回流到營養(yǎng)液箱，及時平衡回收箱與營養(yǎng)液箱的水位。

圖3 營養(yǎng)液循環(huán)結構示意圖

圖4 回收箱與營養(yǎng)液箱關系示意圖

2.3 營養(yǎng)液檢測子系統(tǒng)設計

營養(yǎng)液是無土栽培作物所需礦質營養(yǎng)和水分的主要來源，組成應包含作物生長所需的全部營養(yǎng)成分，如氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫等大中量元素和鐵、錳、硼肥、鋅、銅等微量元素。

營養(yǎng)液的總濃度不宜超過0.4%，對絕大部分植物來說，它們需要的養(yǎng)分濃度宜在0.2%左右。營養(yǎng)液的元素種類及濃度對植物的生長有直接的影響，電導率EC傳感器可檢測營養(yǎng)液中的離子濃度，酸堿度傳感器則負責檢測溶液的pH值，通過PLC將采集的數(shù)據(jù)轉化成數(shù)字信號傳遞到觸摸屏上，管理員通過觸摸屏提供的信息可掌握作物的生長情況并做出相應的調整方案，如圖5所示。

圖5 傳感器系統(tǒng)流程圖

2.4 臭氧殺菌子系統(tǒng)設計

營養(yǎng)液在循環(huán)利用過程中會滋生細菌和藻類，兩者長時間的積累會影響作物的正常生長。本系統(tǒng)添加的臭氧殺菌裝置可實現(xiàn)對營養(yǎng)液的定時殺菌，在凈化水體的同時可增強營養(yǎng)液中的含氧量，給作物提供一個更適合生長的良好環(huán)境。圖6為臭氧發(fā)生器的使用連接圖。

圖6 臭氧裝置連接圖

3 系統(tǒng)軟件設計

人機交互系統(tǒng)主要由三菱FX2N-40MT PLC和三菱GT1675-VNBA工控屏構成，開發(fā)環(huán)境為Windows系統(tǒng)，采用GX Works2、GT Designer3軟件。該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)栽培的自動控制和手動控制，主要功能有實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)檢測、參數(shù)反饋、定時灌溉。

3.1 實時監(jiān)控

實時監(jiān)控程序通過對營養(yǎng)液的pH值和EC值的實時在線監(jiān)測和自動調控，使之在合理范圍之內?？刂茀?shù)為營養(yǎng)液中pH值和EC值。系統(tǒng)開始工作時，數(shù)據(jù)采集模塊對營養(yǎng)液中的pH值和EC值進行采集，并對數(shù)據(jù)進行處理，然后判斷實測值是否在設定的合理范圍內（pH值5.5～6.5，EC值1 600～2 000μs/cm）。當營養(yǎng)液pH值或EC值不在合理范圍內時，系統(tǒng)發(fā)出警報聲，提醒管理人員進行人工干預，并將pH值和EC值顯示在液晶屏幕上，給出調整建議。

3.2 數(shù)據(jù)檢測

數(shù)據(jù)檢測是利用三菱FX2N-4AD模擬量模塊，將pH和EC電極的0～5 V電壓模擬量信號輸送給A/D轉換器，AD轉換器將模擬量信號轉換為數(shù)字量信號，由緩存儲存器（BFM）讀出指令輸送到PLC，實現(xiàn)數(shù)據(jù)檢測。

3.3 參數(shù)反饋

工控屏通電后，通過GT1675-VNBA觸摸屏與PLC實現(xiàn)RS422通信，系統(tǒng)經過初始化，PLC緩存存儲器將需要顯示的數(shù)據(jù)輸送給GT1675-VNBA觸摸屏，液晶屏幕上顯示出測試營養(yǎng)液中的pH值和EC值。

使用GT Designer3進行編程，觸摸屏編程中的指示燈元件用來反饋PLC中輔助繼電器M和輸入輸出X、Y等元件的狀態(tài)；通過數(shù)值輸入/顯示元件進行參數(shù)反饋，設定輸入數(shù)值和顯示的地址，數(shù)據(jù)類型為有符號十進制數(shù)，顯示位數(shù)為6位。使檢測到的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在用戶界面。

3.4 定時灌溉

在植物栽培過程中灌溉直接影響到品質和產量，灌溉控制模塊可以根據(jù)系統(tǒng)設定的開啟時間及間隔時間進行定時灌溉，由栽培槽滲出的營養(yǎng)液通過管道回收到回收箱內，當回收箱內水位達到一定高度后，通過水泵和電磁閥將回收箱內的營養(yǎng)液過濾后抽回到營養(yǎng)液箱中，實現(xiàn)了營養(yǎng)液的循環(huán)利用，具有很好的節(jié)水節(jié)肥效果。同時通過這種液體的循環(huán)，可以使水培管內的營養(yǎng)分子保持最大的流動性，增大水中養(yǎng)分，為保證監(jiān)控和檢測最優(yōu)化提供最新的工作環(huán)境。

4 系統(tǒng)穩(wěn)定性測試

系統(tǒng)硬件、軟件搭建完成后，為了保證系統(tǒng)的可靠性和程序的正確性，需要對系統(tǒng)做穩(wěn)定性試驗測試。

根據(jù)無土立體栽培系統(tǒng)控制要求，將編寫的程序輸入到PLC中，并將GT Designer3設計的程序下載到工控屏中，確認無誤后在機器上進行實際功能操作試驗。工控屏系統(tǒng)功能操作示意圖如圖7所示，可視化界面主要分為：主操作菜單、手動操作模塊、自動運行模塊和定時灌溉模塊，如圖8—11所示。

圖7 系統(tǒng)功能操作示意圖

圖8 主操作菜單界面圖

圖9 手動操作模塊功能界面圖

圖10 自動運行模塊功能界面圖

圖11 定時灌溉模塊界面圖

經測試，通過工控屏輸入定時時長和灌溉時長等參數(shù)，在自動運行模式下，系統(tǒng)能穩(wěn)定實現(xiàn)定時灌溉、定時殺菌功能；在手動模式中，水泵啟動、殺菌裝置啟動及系統(tǒng)停止等功能均能按設定啟動營養(yǎng)液中的水泵和臭氧發(fā)生器，驗證了系統(tǒng)在手動模式下的穩(wěn)定性。同時，在傳感器的監(jiān)視下，管理員可通過工控屏的監(jiān)視界面查看營養(yǎng)液中的EC值和pH值，以便及時對營養(yǎng)液進行調整。

5 結語

本研究設計的小型立體栽培灌溉系統(tǒng)結構簡單、制作容易、管理方便，可靈活變換大小和樣式，適宜在室內園藝領域使用。本項目開發(fā)的整個控制系統(tǒng)操作界面簡單，農民易學、易懂、易掌握，培訓過程簡單，后期維護費用較低，是農戶容易接受的水肥一體化系統(tǒng)，可應用于廣東省設施農業(yè)中的果蔬無土栽培，有效提高果蔬的產量與品質，值得推廣應用。