趙 倩 王利春 郭文忠 陳曉麗 聶銘君 賈冬冬

(1.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心， 北京 100097； 2.農(nóng)業(yè)部都市農(nóng)業(yè)(華北)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100097)

0 引言

自1929年GERICKE首次嘗試以營養(yǎng)液作為栽培介質(zhì)進(jìn)行商業(yè)化蔬菜生產(chǎn)以來，無土栽培已經(jīng)由研究探索逐步演變?yōu)橐环N實(shí)用的生產(chǎn)技術(shù)[1]。這種技術(shù)節(jié)水節(jié)肥，清潔高產(chǎn)，其栽培面積迅速擴(kuò)大。尤其是在20世紀(jì)80年代后，多種栽培模式(深液流栽培、營養(yǎng)液膜栽培、汽霧培、巖棉栽培、復(fù)合式栽培)相繼被國內(nèi)外科研工作者開發(fā)出來，與之相配套的栽培管理技術(shù)理論的研究工作也在逐步完善[2-5]。水培作為無土栽培的一種重要形式，不論面積還是規(guī)模，在我國設(shè)施栽培中均占較大比例，而營養(yǎng)液是水培的基礎(chǔ)和關(guān)鍵[1]。

圖1 營養(yǎng)液標(biāo)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 Fig.1 Overall structure diagram of calibration-measurement system used for nutrient solution 1.儲(chǔ)液桶 2.微流泵 3.檢測(cè)池 4.標(biāo)準(zhǔn)液組件 5.清洗池 6.清潔水源 7.EC電極 8.栽培床

在水培條件下，作物根系對(duì)不同養(yǎng)分離子有不同的吸收速率，這必將導(dǎo)致營養(yǎng)液組分失衡，而營養(yǎng)液緩沖能力遠(yuǎn)弱于土壤，若不及時(shí)調(diào)整，種植作物的生長狀況將受到影響[6-7]?；跔I養(yǎng)液配方進(jìn)行的EC/pH調(diào)控[8-9]，并未觸及營養(yǎng)液調(diào)控的本質(zhì)目標(biāo)，不能夠?qū)崿F(xiàn)維持作物所需的營養(yǎng)組分平衡，營養(yǎng)液管理精準(zhǔn)性差。因此，在EC/pH調(diào)控的基礎(chǔ)上，兼顧營養(yǎng)液中重要離子的組分平衡，尤其是兼顧濃度變化快、且對(duì)作物產(chǎn)量形成和品質(zhì)提高具有重要影響的氮濃度平衡[10-11]，對(duì)完善營養(yǎng)液管理體系、提高水肥利用效率具有重要意義[12]。

目前，營養(yǎng)液氮濃度的獲取主要依靠實(shí)驗(yàn)室分析法和離子選擇電極法[13]。由于離線操作和樣品預(yù)處理操作復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)室分析法并不適合連續(xù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，因此，針對(duì)利用離子選擇電極獲取營養(yǎng)液組分濃度的相關(guān)研究和相關(guān)設(shè)備在持續(xù)推進(jìn)[14-17]，有關(guān)電極溫度漂移矯正的理論研究也取得了一定進(jìn)展[18-21]。但電極的標(biāo)定仍依賴人工，與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過程分離，不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，也不利于將離子濃度的在線檢測(cè)設(shè)備轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。因此，本文設(shè)計(jì)一種標(biāo)定檢測(cè)集成化的硝態(tài)氮濃度在線標(biāo)測(cè)系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上建立標(biāo)定規(guī)則，旨在實(shí)現(xiàn)水培營養(yǎng)液的智能化、精細(xì)化管理，為作物生長過程中營養(yǎng)液的及時(shí)補(bǔ)充和調(diào)控提供技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)旁路安裝在溫室原有的營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)上，由自動(dòng)標(biāo)定模塊和實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，自動(dòng)標(biāo)定模塊包括標(biāo)定機(jī)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)液組件及清洗組件。進(jìn)水管道和出水管道連接清潔水源，與清洗池構(gòu)成清洗組件。實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊由離子選擇電極、EC電極、信號(hào)放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路及檢測(cè)池構(gòu)成。供液管道將儲(chǔ)液桶中營養(yǎng)液輸送到檢測(cè)池中，以供營養(yǎng)液組分檢測(cè)；回流管道則將檢測(cè)池內(nèi)的營養(yǎng)液回流至儲(chǔ)液桶內(nèi)，從而形成一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)，并使用微流泵實(shí)時(shí)連通檢測(cè)池中營養(yǎng)液與栽培床中營養(yǎng)液。

1.2 標(biāo)定機(jī)構(gòu)

自動(dòng)標(biāo)定模塊一方面可解決傳統(tǒng)手工標(biāo)定電極不適宜于現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)的問題，提高檢測(cè)效率；另一方面可及時(shí)減少離子選擇電極電位漂移特性對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，提高檢測(cè)精度。其關(guān)鍵功能為通過標(biāo)定機(jī)構(gòu)帶動(dòng)離子選擇電極移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)電極在標(biāo)準(zhǔn)液組件中的電壓采集，擬合標(biāo)準(zhǔn)曲線。

標(biāo)定機(jī)構(gòu)采用絲杠滑塊線性導(dǎo)軌作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，搭建倒T型工作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)電極在2個(gè)自由度上的直線移動(dòng)。配制的6組標(biāo)準(zhǔn)液，按濃度由小到大分別盛放在標(biāo)準(zhǔn)液容器A～F中。離子選擇電極由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，在標(biāo)準(zhǔn)液組件和清洗池之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)。標(biāo)定機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 標(biāo)定機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.2 Structure diagram of calibration mechanism 1.底座 2.檢測(cè)池 3.回流管道 4.標(biāo)準(zhǔn)液容器F 5.標(biāo)準(zhǔn)液容器E 6.標(biāo)準(zhǔn)液容器D 7.標(biāo)準(zhǔn)液容器C 8.標(biāo)準(zhǔn)液容器B 9.標(biāo)準(zhǔn)液容器A 10.進(jìn)水管道 11.出水管道 12.電極清洗池13.離子選擇電極 14.電極夾 15.滑塊 16.Y軸絲杠 17.Y軸導(dǎo)軌 18.Y軸電動(dòng)機(jī) 19.控制器 20.上位機(jī) 21.X軸絲杠 22.X軸導(dǎo)軌 23.X軸電動(dòng)機(jī) 24.回流管道

1.3 硬件平臺(tái)

標(biāo)測(cè)系統(tǒng)控制器一方面需連續(xù)監(jiān)測(cè)待測(cè)營養(yǎng)液EC值及離子選擇電極輸出電壓的動(dòng)態(tài)變化；另一方面，在啟動(dòng)標(biāo)定后，需發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)離子選擇電極在空間按照既定軌跡自動(dòng)完成電極標(biāo)定過程，從而集成標(biāo)定功能和檢測(cè)功能，真正實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)液氮素的在線檢測(cè)。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 Fig.3 Hardware structure diagram

標(biāo)測(cè)系統(tǒng)控制器由單片機(jī)模塊、電源模塊、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、模擬量檢測(cè)模塊及顯示模塊組成，采用STM32單片機(jī)作為控制核心，硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。單片機(jī)數(shù)據(jù)接口將采集到的EC值和濃度經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后存儲(chǔ)顯示，并通過具有輸出PWM脈沖的引腳，輸出信號(hào)給DRV8825PWPR型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，進(jìn)而控制X軸電動(dòng)機(jī)和Y軸電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使滑塊帶動(dòng)電極在空間兩自由度上移動(dòng)，進(jìn)行電極的自動(dòng)標(biāo)定。

2 雙傳感器冗余控制方法

在檢測(cè)池中布置2個(gè)同型號(hào)離子選擇電極，系統(tǒng)軟件通過比較單片機(jī)所采集的檢測(cè)電極及冗余電極輸出電壓，自動(dòng)決策進(jìn)入標(biāo)定電極過程還是繼續(xù)離子濃度檢測(cè)過程。

2.1 標(biāo)定算法

當(dāng)電極進(jìn)入待測(cè)液后，輸出電動(dòng)勢(shì)可用Nerst方程[21]來表示，即離子選擇電極輸出電壓與對(duì)應(yīng)離子濃度的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系，本文采用最小二乘法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)的參數(shù)辨識(shí)。為減少離子交叉混合，要求電極從低濃度標(biāo)準(zhǔn)液向高濃度標(biāo)準(zhǔn)液依次移動(dòng)，并在每次濃度采集后均返回清洗池清洗電極，自動(dòng)標(biāo)定過程如下：①清洗電極。②進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)溶液中實(shí)時(shí)采集溶液濃度并輸出電壓V(t)，當(dāng)V(t)、V(t+1)、V(t+2)小于閾值時(shí)(閾值根據(jù)測(cè)量精度要求和傳感器檢測(cè)誤差設(shè)置)，認(rèn)為采集信號(hào)趨于穩(wěn)定，將3次測(cè)量結(jié)果的平均值作為該濃度(C)下的電壓Vavg。③重復(fù)步驟①、②，直到6組標(biāo)準(zhǔn)液電壓采集完畢。④建立一次函數(shù)模型：Vavg=KlnC+b，采用最小二乘法計(jì)算未知參數(shù)，得到標(biāo)準(zhǔn)曲線。⑤電極進(jìn)入檢測(cè)池中，進(jìn)行待測(cè)營養(yǎng)液氮素濃度的在線檢測(cè)。

2.2 冗余控制算法

使用冗余方法準(zhǔn)確檢測(cè)同一被測(cè)量的關(guān)鍵在于傳感器的故障判斷及數(shù)據(jù)融合算法，考慮到系統(tǒng)在線性，提出一種基于最大誤差原理的冗余控制決策方法，旨在利用標(biāo)定機(jī)構(gòu)，用標(biāo)定次數(shù)補(bǔ)償溫度漂移，實(shí)現(xiàn)按需標(biāo)定，提高檢測(cè)效率。

(1)當(dāng)d≤Δmax時(shí)，表示兩傳感器檢測(cè)值之差在最大誤差允許范圍內(nèi)，決策結(jié)果為信號(hào)合理，最終的檢測(cè)值根據(jù)信號(hào)質(zhì)量取加權(quán)平均值。設(shè)δk=Vavgk(t)-Vavgk(t-1),k=1,2，規(guī)定δk<0，或δk變化平穩(wěn)，或用戶指定的高信任度傳感器獲得更大權(quán)限。

圖4 冗余決策算法流程圖 Fig.4 Flow chart of redundancy control algorithm

3 驗(yàn)證試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 空載驗(yàn)證試驗(yàn)

傳感器的正確標(biāo)定是準(zhǔn)確檢測(cè)的前提，自動(dòng)標(biāo)定方法的可靠性直接影響后續(xù)試驗(yàn)結(jié)果。該試驗(yàn)?zāi)康氖窃诳蛰d情況下，驗(yàn)證標(biāo)定算法和冗余決策算法的可靠性。

3.1.1試驗(yàn)材料制備

3.1.2試驗(yàn)方法與測(cè)定項(xiàng)目

將2個(gè)氮離子選擇電極放入任意已知濃度的同一待測(cè)溶液，連續(xù)監(jiān)測(cè)該溶液中硝態(tài)氮濃度的動(dòng)態(tài)變化。系統(tǒng)根據(jù)冗余控制算法，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，記錄檢測(cè)值或調(diào)用標(biāo)定程序，擬合標(biāo)準(zhǔn)曲線(由于無營養(yǎng)液消耗情況，數(shù)據(jù)融合時(shí)2個(gè)傳感器信號(hào)平均值均為1)。且每次標(biāo)定后，均放入其他13組待測(cè)溶液中記錄在線檢測(cè)值。在連續(xù)3 d的試驗(yàn)(06:00—20:00)結(jié)束后，通過分析標(biāo)定發(fā)生的時(shí)刻、標(biāo)準(zhǔn)曲線方程及檢測(cè)值與真實(shí)值的擬合度來驗(yàn)證算法可靠性。

3.1.3結(jié)果與分析

系統(tǒng)每天標(biāo)定電極3次，分布在早、中、晚3個(gè)時(shí)間段。選取其中1 d，3次標(biāo)定分別發(fā)生在10:25、14:08和17:13，3條擬合曲線如圖5a所示；記錄的在線檢測(cè)濃度與真實(shí)濃度線性擬合結(jié)果如圖5b所示。

圖5 空載試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果 Fig.5 Validation results of no-load test

由圖5a可知，同一標(biāo)準(zhǔn)液，不同時(shí)刻電極輸出的電壓不同；同一天的3次標(biāo)定，第2次標(biāo)定與第1次和第3次的擬合曲線差異較大，而第1次的曲線擬合較好；結(jié)合標(biāo)定啟動(dòng)時(shí)刻，第2次標(biāo)定發(fā)生在營養(yǎng)液溫度較高時(shí)，表明傳感器由于溫度漂移而產(chǎn)生了標(biāo)定行為，且基于雙傳感器的冗余控制算法可以標(biāo)識(shí)溫度漂移并自動(dòng)啟動(dòng)標(biāo)定子程序。3條擬合曲線的決定系數(shù)R2均達(dá)到0.99以上，且直線斜率為負(fù)值，符合Nerst方程，表明基于雙傳感器的標(biāo)定算法正確。由圖5b可知，對(duì)于任意配制的14組待測(cè)溶液，雖然3次擬合曲線有所差異，但硝態(tài)氮濃度的檢測(cè)值與真實(shí)值決定系數(shù)R2均在0.98以上；并且濃度在4.0×10-4以內(nèi)時(shí)，硝態(tài)氮體積比的真實(shí)值與在線檢測(cè)值更接近，超過4.0×10-4后，接近程度略差，表明系統(tǒng)針對(duì)低濃度營養(yǎng)液的檢測(cè)精度高于高濃度營養(yǎng)液，因此，為了進(jìn)一步提高檢測(cè)精度，可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中營養(yǎng)液濃度，適當(dāng)縮小標(biāo)準(zhǔn)液濃度范圍。

綜上，該標(biāo)定方法可以通過及時(shí)標(biāo)定減小溫度漂移影響，且算法可靠，可以嘗試應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)中。

3.2 實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證試驗(yàn)

在營養(yǎng)液連續(xù)消耗的過程中，離子種類眾多，濃度動(dòng)態(tài)變化，情況復(fù)雜。該試驗(yàn)?zāi)康氖窃趯?shí)際生產(chǎn)過程中，驗(yàn)證系統(tǒng)可靠性和檢測(cè)準(zhǔn)確性。

3.2.1試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

搭建硝態(tài)氮濃度在線標(biāo)測(cè)系統(tǒng)(圖6)，其中，栽培方式為水培，營養(yǎng)液配方為改進(jìn)的霍格蘭配方，供試生菜品種為奶生1號(hào)；配制的6組硝態(tài)氮標(biāo)準(zhǔn)液體積比分別為2.0×10-5、4.0×10-5、8.0×10-5、1.6×10-4、3.2×10-4和4.0×10-4；配置的檢測(cè)傳感器及冗余傳感器同空載驗(yàn)證試驗(yàn)。

圖7 硝態(tài)氮濃度在線檢測(cè)值與實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)值對(duì)比 Fig.7 Comparison of nitrate N concentration of online detection value and experiment result

在生菜定植一段時(shí)間后，安裝檢測(cè)電極及冗余電極，啟動(dòng)標(biāo)測(cè)一體化系統(tǒng)，人為指定其中一個(gè)新購置的傳感器為高信任度傳感器，在系統(tǒng)軟件控制下自動(dòng)進(jìn)行連續(xù)12 d的硝態(tài)氮濃度標(biāo)定和檢測(cè)管理。系統(tǒng)運(yùn)行期間，每隔4 h對(duì)檢測(cè)池中待測(cè)液進(jìn)行采樣，樣本儲(chǔ)存在離心管冷凍保存，同時(shí)記錄此時(shí)系統(tǒng)在線檢測(cè)值，直到試驗(yàn)結(jié)束。

圖6 硝態(tài)氮濃度在線標(biāo)測(cè)系統(tǒng) Fig.6 On-line calibrating and measuring system of nitrate N

3.2.2測(cè)定項(xiàng)目及方法

試驗(yàn)結(jié)束后采用離子色譜法獲取樣本硝態(tài)氮濃度實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)值，并與試驗(yàn)記錄的高信任度離子選擇電極的在線檢測(cè)值以及雙離子選擇電極利用冗余控制算法融合后的在線檢測(cè)值進(jìn)行比較，采用相對(duì)誤差(Relative error，RE)的平均值和最大值、絕對(duì)誤差(Absolute error，AE)的平均值和最大值對(duì)在線檢測(cè)值與實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)值的擬合度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3.2.3結(jié)果與分析

(1)系統(tǒng)可靠性分析

在實(shí)際生產(chǎn)中，營養(yǎng)液連續(xù)消耗的情況下，本系統(tǒng)獲取的單離子選擇電極檢測(cè)值和雙離子選擇電極融合后的檢測(cè)值與實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)值趨勢(shì)一致，且相較單離子電極檢測(cè)值的動(dòng)態(tài)變化，雙離子電極融合后的檢測(cè)值數(shù)據(jù)突變較少(圖7a)；在為期12 d的營養(yǎng)液在線檢測(cè)過程中，系統(tǒng)自動(dòng)決策電極標(biāo)定40次，隨著營養(yǎng)液的消耗，電極在標(biāo)準(zhǔn)液中輸出電壓的跨度增大(圖7b)；標(biāo)準(zhǔn)曲線中，離子濃度對(duì)數(shù)值與響應(yīng)電壓的決定系數(shù)R2平均值為0.994，最大值為0.999，最小值為0.979。因此，本研究建立的硝態(tài)氮濃度在線標(biāo)測(cè)系統(tǒng)具有良好可靠性。

(2)檢測(cè)準(zhǔn)確性分析

將單離子選擇電極檢測(cè)值、雙離子選擇電極融合后的檢測(cè)值與實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如表1所示。線性回歸分析的結(jié)果表明(圖7c)，單離子選擇電極檢測(cè)值、雙離子選擇電極融合后的檢測(cè)值與實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)值均呈現(xiàn)極顯著線性相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，但后者(R2為0.826)相關(guān)程度明顯高于前者(R2為0.745)。

表1 在線檢測(cè)值與實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)值誤差分析 Tab.1 Error analysis of online detection value and experiment result

針對(duì)以上結(jié)果，當(dāng)營養(yǎng)液中的離子種類較多(混合營養(yǎng)液)時(shí)，雖然隨著離子濃度的變化，電極輸出電壓的跨度增大，但標(biāo)準(zhǔn)曲線線性相關(guān)程度與實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)值決定系數(shù)相當(dāng)[19-20]；并且，雙離子選擇電極融合后的在線檢測(cè)值與實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)值的精度明顯高于單離子選擇電極的檢測(cè)精度，與KIM等[19]在實(shí)驗(yàn)室中的N素檢測(cè)精度相當(dāng)，基本能夠滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求(不大于15%)。但是，在營養(yǎng)液連續(xù)消耗的實(shí)際生產(chǎn)中，系統(tǒng)每天自動(dòng)決策的電極標(biāo)定次數(shù)為實(shí)驗(yàn)室條件下的1.5倍，試驗(yàn)后期電極輸出電壓范圍明顯大于前期，而且雙離子選擇電極輸出值加權(quán)處理后，RE的最大值仍達(dá)到了14.68%，可能原因是，隨著氮的吸收，離子干擾的影響逐漸增大，可以通過改進(jìn)試驗(yàn)裝置，將檢測(cè)池一分為二，雙離子選擇電極并聯(lián)測(cè)量的方法，進(jìn)一步提高檢測(cè)精度。

綜上，在生菜水培過程中，由于系統(tǒng)可以自動(dòng)決策電極標(biāo)定，能夠提高檢測(cè)效率，且雙傳感器冗余控制方法的檢測(cè)精度基本可以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求，因此，該系統(tǒng)能夠擺脫手工標(biāo)定電極的傳統(tǒng)做法，可以實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)液中硝態(tài)氮濃度的連續(xù)在線檢測(cè)。

4 結(jié)論

(1)利用絲杠滑塊線性導(dǎo)軌作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)搭建的倒T型標(biāo)定機(jī)構(gòu)，可以基于冗余決策算法，在單片機(jī)驅(qū)動(dòng)下自動(dòng)帶動(dòng)電極在2個(gè)自由度上按需移動(dòng)，并采用最小二乘法計(jì)算一次函數(shù)模型的未知參數(shù)。所擬合的標(biāo)準(zhǔn)曲線的R2均達(dá)到0.99以上，檢測(cè)值與真實(shí)值決定系數(shù)R2均達(dá)到0.98以上，控制方法可靠。

(2)建立的在線標(biāo)測(cè)系統(tǒng)有效集成了電極標(biāo)定過程和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過程，并在系統(tǒng)軟件控制下實(shí)現(xiàn)了連續(xù)12 d的生菜水培液的硝態(tài)氮濃度的在線檢測(cè)，基于冗余控制方法的在線檢測(cè)值與實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)值呈現(xiàn)極顯著線性相關(guān)(P<0.01)，相對(duì)誤差平均值僅為5.64%，二者具有較好的一致性，可以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基本要求。