楊學(xué)坤

摘要?針對氣霧栽培式家庭植物工廠生產(chǎn)對營養(yǎng)液循環(huán)及管理的要求，開發(fā)了以自吸泵、恒溫機(jī)、紫外線消毒燈為執(zhí)行設(shè)備的營養(yǎng)液循環(huán)與管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對營養(yǎng)液EC值、pH、溫度的監(jiān)測以及營養(yǎng)液溫度控制。結(jié)果表明：系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)下，營養(yǎng)液溫度調(diào)控平均響應(yīng)速度大于1.43?℃/?h，控制偏差小于?0.4?℃，營養(yǎng)液的EC值和pH均處于控制范圍內(nèi)。系統(tǒng)動(dòng)作準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定可靠，能夠滿足家庭植物工廠生長所需環(huán)境要求。

關(guān)鍵詞?家庭植物工廠;營養(yǎng)液;自動(dòng)控制;氣霧栽培

中圖分類號(hào)?S317?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼?A?文章編號(hào)?0517-6611（2021）03-0209-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.03.056

Abstract?Aiming?at?the?requirements?of?nutrient?solution?circulation?and?management?in?the?production?of?aerosol?culture?family?plant?factory，?a?nutrient?solution?circulation?and?management?system?with?selfpriming?pump，?constant?temperature?machine?and?ultraviolet?disinfection?lamp?as?the?implementation?equipment?was?developed?to?monitor?the?EC?value，?pH?and?temperature?of?the?nutrient?solution?and?control?the?temperature?of?the?nutrient?solution.?The?test?results?showed?that?the?average?response?speed?of?nutrient?solution?temperature?regulation?was?greater?than?1.43?℃/?h，?the?control?deviation?was?less?than?0.4?℃，?and?the?EC?value?and?pH?of?the?nutrient?solution?were?within?the?control?range.?The?system?had?accurate?operation，?stable?and?reliable?performance，?and?could?meet?the?environmental?requirements?for?the?growth?of?family?plant?plants.

Key?words?Domestic?plant?factories;Nutrient?solution;Automatic?control;Aerosol?culture

營養(yǎng)液栽培（nutriculture）是一種利用營養(yǎng)液栽培植物的方法，是家庭植物工廠的主要栽培方式，具有省工、節(jié)水、省肥等優(yōu)點(diǎn)，避免了土壤栽培經(jīng)常出現(xiàn)的土傳病害和鹽類堆積以及由此引起的連作障礙和各種病害[1]。目前使用最普及的有DFT（深液流）和氣霧栽培2種栽培模式，這2種模式均可采用封閉式營養(yǎng)液自動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行植物栽培的全過程管理，在家庭植物工廠中多以深液流方式為主，氣霧栽培還較為鮮見[2-3]。

學(xué)者們借鑒人工光型植物工廠的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在家庭植物工廠營養(yǎng)液循環(huán)與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面開展了大量的研究工作，多以單片機(jī)作為核心控制單元，采集pH、EC值、液溫、液位等營養(yǎng)液因子，如冷凝器、加熱棒、泵、供液電磁閥等執(zhí)行設(shè)備實(shí)現(xiàn)對營養(yǎng)液液溫、pH、EC值的調(diào)控，這些研究多基于水培系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)[4-7]。

結(jié)合家庭植物工廠生產(chǎn)的農(nóng)藝獨(dú)特性，在借鑒前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，筆者設(shè)計(jì)開發(fā)了家庭營養(yǎng)液循環(huán)與管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對家庭植物工廠生產(chǎn)過程中影響作物生長的溫度、EC值、pH及液位等營養(yǎng)液因子的監(jiān)測與控制。

1?總體方案設(shè)計(jì)

1.1?控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)家庭植物工營養(yǎng)液循環(huán)與管理系統(tǒng)功能需求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)分為主控單元、信息采集單元和執(zhí)行控制單元組成。營養(yǎng)液信息采集單元的各傳感器采集營養(yǎng)液的溫度、EC值、pH及液位信息傳送到主控單元，主控單元按照控制策略通過運(yùn)算、判別后輸出控制信號(hào)，通過繼電器驅(qū)動(dòng)自吸泵、恒溫器、紫外線消毒燈等執(zhí)行設(shè)備，對營養(yǎng)液因子進(jìn)行監(jiān)測和控制。

系統(tǒng)采用MHW6070-1212?MR-6AD型觸摸屏PLC一體機(jī)作為系統(tǒng)控制器，集觸摸屏顯示和PLC控制于一體，PLC兼容三菱FX2N系列，采用7寸觸摸屏，具有光耦隔離的12路開關(guān)量輸入和12路開關(guān)量輸出;支持6路4～20?mA模擬量信號(hào)輸入，具有485?通訊口，支持?MODBU?RTU?通信協(xié)議;為了避免接觸式液位傳感器受到水垢或其他雜物影響而造成動(dòng)作失靈，系統(tǒng)選用XKC-Y26-V型非接觸式液位傳感器，安裝于容器外壁，無需對容器開孔、不與液體直接接觸，感應(yīng)管壁厚度可達(dá)20?mm，不受強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等腐蝕性液體的腐蝕以及水垢或其他雜物影響，輸出電流1～100?mA，響應(yīng)時(shí)間500?ms，誤差為±1.5?mm。選用LT-CG-S/Y-005-A0700-12?溶液EC（鹽分）、溫度二合一傳感器，輸出2路4～20?mA?模擬信號(hào)，溶液溫度為-40～80?℃，溶液?EC值為0～10?mS/cm，溶液溫度精度控制在±0.5?℃，溶液EC值精度控制在±3%;選用?D144型溶液pH傳感器測量精度，精度控制在±0.1，測量范圍為0～14。

1.2?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

家庭植物工廠的栽培區(qū)分為上下兩層，栽培箱（圖2a所示）為一個(gè)900?mm×600?mm×200?mm的箱體，營養(yǎng)液循環(huán)與控制系統(tǒng)由營養(yǎng)液箱、紫外線消毒燈、自吸泵、液位開關(guān)、EC值傳感器、pH值傳感器、液溫傳感器及進(jìn)水管路、回水管路、霧化噴頭等輔件構(gòu)成。營養(yǎng)液箱用于存儲(chǔ)營養(yǎng)液;自吸泵用于從營養(yǎng)液箱內(nèi)抽取營養(yǎng)液并提供系統(tǒng)所需的水壓;進(jìn)水管路連接自吸泵與霧化噴頭，并通過霧化噴頭將營養(yǎng)液進(jìn)行霧化，使得植物根系處于霧氣中而獲取水肥?；厮苈放c栽培單元箱體相連接，將營養(yǎng)液重新收集回營養(yǎng)液箱內(nèi)。為了避免營養(yǎng)液箱內(nèi)細(xì)菌的滋生，在營養(yǎng)液內(nèi)設(shè)置紫外線消毒燈;同時(shí)，為了避免系統(tǒng)因營養(yǎng)液不足引發(fā)種植失敗，在營養(yǎng)液箱內(nèi)設(shè)置2個(gè)液位傳感器。

2?硬件選型

2.1?噴頭選型

氣霧栽培系統(tǒng)中，霧化噴頭是其中關(guān)鍵部件之一，直接關(guān)系到設(shè)備運(yùn)行效果，其選型尤為關(guān)鍵，噴霧角度（θ）、噴霧直徑（D）、噴嘴距離被噴物體的距離（H）、重疊部分的寬度（O）、噴嘴間的間距（P）以及噴霧液滴大小主要指標(biāo)如圖3所示。

噴嘴按噴霧形狀分為空心錐形、實(shí)心錐形、扇形、直線型4種形式，按噴嘴個(gè)數(shù)又可分為單出口和多出口等多種形式，如圖4所示。根據(jù)設(shè)備需要選用五出口霧化噴嘴，取θ=170°。按照噴嘴矩陣式排列的要求，可得：

在該裝置中，噴嘴距離被噴物體的距離H=46?mm，噴射面積要求覆蓋420?mm×800?mm的矩形。分別將數(shù)值代入上述公式中，D=521.8?mm，P=369.0?mm，O=152.8?mm。由公式（4）和（5）可得，m=0.72，n=1.98，取m=1，n=2，即長度方向布置2個(gè)噴嘴，寬度方向布置1個(gè)噴嘴可滿足要求。因此，選擇連接螺紋為0.63?cm的五出口霧化噴頭，材質(zhì)為PP+POM，工作壓力為1.5～3.0?kg/cm2，流量為0.67～1.50?L/min，出水孔徑為0.8?mm，霧滴大小為80～200?μm。為了保證霧化效果，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)選擇工作壓力為2.5?kg/cm2，流量為1.2?L/min，即系統(tǒng)總流量為4.8?L/min。其典型連接方式見圖5所示，噴頭安裝在三通上，三通間以47軟管連接，47軟管為PE材料，內(nèi)徑d支=4?mm，外徑D支=7?mm，系統(tǒng)所用47軟管總長度L支=1.3?m。

2.2?管道選型

管道是營養(yǎng)液循環(huán)的通道，通過液壓系統(tǒng)最高工作壓力及最大通過流量來選擇管路材質(zhì)、內(nèi)徑大小和壁厚。目前，通常采用PVC-U管材，具有較好的抗拉和抗壓強(qiáng)度;管壁光滑，對流體的阻力很小，其輸水能力可比同等管徑的鑄鐵管提高20%[8];具有很好的耐酸性、耐堿性、和耐腐蝕性，不需任何防腐處理;具有良好的水密性，可直接采用粘接或橡膠圈連接，使用和維護(hù)都很方便。

管道內(nèi)徑按公式（6）進(jìn)行計(jì)算。

式中，d表示管的內(nèi)徑（mm）;q系統(tǒng)為管內(nèi)流量（L/min），q系統(tǒng)=4.8?L/min;v為管中營養(yǎng)液的流速（m/s），一般取0.1～0.5?m/s，取v=0.1?m/s，可得d=7.8?mm。因此，選用規(guī)格為20的PVC-U管材，其內(nèi)徑為d主=16?mm，外徑為D主=20?mm，額定壓力為16.3?kg/cm2。

2.3?自吸泵的選型

自吸泵屬自吸式離心泵，具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行平穩(wěn)、維護(hù)方便等特點(diǎn)。自吸泵為噴霧系統(tǒng)提供持續(xù)且穩(wěn)定的水壓，以滿足霧化噴頭的工作要求。

按照特性系數(shù)法，可以確定第二層種植區(qū)最末端噴頭沿程壓力損失、局部壓力損失和流量損失最大，為最不利噴頭，其工作壓力P0=245?kPa，流量q0=1.2?L/min。自吸泵的供水壓力可表示如下：

式中，P沿程表示沿程壓力損失;P局部表示沿程壓力損失，按照《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB?50084—2001），局部壓力損失取沿程壓力損失的20%;H表示最不利噴頭距離自吸泵供水口的高程差，因此H=8.24?kPa。

根據(jù)哈森威廉斯公式，P沿程可以表示如下：

式中，d表示管道內(nèi)徑，d支=4?mm，d主=16?mm;L表示管道長度，L支=1.3?m，L主≈1.7?m;C表示哈森-威廉姆斯系數(shù)，取C=150;q系統(tǒng)表示系統(tǒng)流量，q系統(tǒng)=4.8?L/min=0.288?m3/h。由此可得P支_沿程=44.35?kPa，P支_局部=8.63?kPa，P主_沿程=0.29?kPa，P主_局部=0.06?kPa，則泵的壓力P泵=305.77?kPa。因此，選用0142HD-24-60型微型隔膜水泵，功率為60?W，工作壓力為804?kPa，流量為5?L/min，4分接口。

2.4?貯液箱的設(shè)計(jì)

貯液箱的主要功用是貯存營養(yǎng)液，同時(shí)箱體還具有散熱、沉淀污物、消毒、加溫等作用。貯液箱用厚度為10?mm的雪弗板（PVC發(fā)泡板）黏接而成，結(jié)構(gòu)如圖5所示。貯液箱中間設(shè)有2個(gè)隔板，用來將吸液管與回液管隔離開，以阻擋沉淀雜物及回液管產(chǎn)生的泡沫;貯液箱蓋板也用10?mm的雪弗板制造，用以安裝吸液管和回液管等部件。在蓋板上設(shè)有注液口，用以加注營養(yǎng)液。貯液箱側(cè)面開有小孔與大氣相通;油箱側(cè)面裝有2個(gè)非接觸式液位傳感器，用以指示貯液箱內(nèi)液面的高度;貯液箱底部裝有泄液孔并用硅膠密封圈密封，用以在系統(tǒng)維護(hù)時(shí)進(jìn)行排液和排污。

貯液箱的有效容積（即液面高度為貯液箱高度80%時(shí)的容積）是維持系統(tǒng)營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)連續(xù)工作的重要保障，一般按自吸泵的額定流量q泵按照以下公式進(jìn)行估算：

式中，V有效為貯液箱的有效容積（L）;q泵為自吸泵的額定流量（L/min），q泵=5?L/min;ξ為與系統(tǒng)壓力有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)字（低壓系統(tǒng)ξ=2～4，中壓系統(tǒng)ξ=5～7，高壓系統(tǒng)ξ=10～12），該系統(tǒng)為低壓系統(tǒng)，選ξ=4。因此，貯液箱的有效容積V有效=20?L，總?cè)莘eV總=24?L。根據(jù)系統(tǒng)空間，確定貯液箱的外形尺寸為400?mm×350?mm×300?mm，估算其容積為35.2?L，符合設(shè)計(jì)要求。

2.5?紫外線消毒燈的選型

無土栽培的營養(yǎng)液要循環(huán)使用，在使用過程中會(huì)受到腐霉菌、疫霉菌等菌類以及煙草花葉病毒的侵入，以致番茄枯萎病、黃瓜疫病的發(fā)生，營養(yǎng)液的封閉循環(huán)方式不太適合化學(xué)藥劑的使用，因此，對于營養(yǎng)液的消毒多采用紫外線、臭氧、加熱、過濾、過氧化氫、氯氣、碘等物理消毒方法，目前以紫外消毒方式為主，其具有殺菌速度快、效率高、效果好、設(shè)備體積小、能耗低等特點(diǎn)[9-10]。其工作原理如下：采用波長為253.7?nm的紫外線通過光化學(xué)反應(yīng)將細(xì)菌等微小的有機(jī)體的結(jié)構(gòu)破壞，從而實(shí)現(xiàn)殺菌滅毒的效果。在紫外線消毒過程中，營養(yǎng)液的流量和紫外線能量是主要的控制指標(biāo)，試驗(yàn)表明在流量小于18?L/h且紫外線能量密度大于430?mJ/cm2時(shí)，其殺菌滅毒的效果才會(huì)顯現(xiàn)。該設(shè)計(jì)采用的是TUV水下潛水紫外線殺菌燈（圖6），其功率為30?W，能量密度為612?mJ/cm2?（在0.2?m處測得，1?μW/cm2=3.6?mJ/cm2），可以滿足需求。

2.6?恒溫機(jī)選型

研究表明，營養(yǎng)液溫度控制在一定范圍內(nèi)對作物生長和干物質(zhì)累積具有明顯的促進(jìn)作用，且不會(huì)影響作物的品質(zhì)。根據(jù)營養(yǎng)液貯液箱容積，系統(tǒng)選用JMC-2型恒溫機(jī)（圖7），既可以加熱，又可以制冷，功率為108?W，溫度范圍可在4～30?℃內(nèi)設(shè)置，可將營養(yǎng)液溫度控制在設(shè)定溫度內(nèi)。

3?軟件設(shè)計(jì)

3.1?控制策略

與大型植物工廠不同的是，家庭植物工廠由于空間狹小，無法布置A液罐、B液罐、酸液罐、堿液罐等母液罐，營養(yǎng)液的成分無法調(diào)節(jié)，營養(yǎng)液由用戶配置完成后，按時(shí)注入貯液箱內(nèi);系統(tǒng)監(jiān)測到的EC值和pH超過控制范圍后，系統(tǒng)通過觸摸屏和警報(bào)器向用戶發(fā)出超限報(bào)警，由用戶根據(jù)系統(tǒng)指示進(jìn)行相應(yīng)工作;營養(yǎng)液的循環(huán)由自吸泵定時(shí)啟停來實(shí)現(xiàn)，啟動(dòng)頻率為3次/時(shí);系統(tǒng)通過紫外線消毒燈的定時(shí)開關(guān)對營養(yǎng)液進(jìn)行消毒以避免營養(yǎng)液中細(xì)菌的滋生，09：00—15：00開啟;系統(tǒng)通過恒溫機(jī)對營養(yǎng)液液溫進(jìn)行調(diào)控。由于采用氣霧栽培方式，無需對營養(yǎng)液的溶氧進(jìn)行監(jiān)測和控制。

3.2?程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)采用三菱電機(jī)GX?Works2?PLC軟件平臺(tái)，以梯形圖作為編程語言，按照結(jié)構(gòu)化工程的編程方式。程序包括主程序、數(shù)據(jù)處理子程序、輸出控制子程序等部分。主程序是程序的主干，是程序的入口，其主要的任務(wù)是設(shè)置主程序的起始點(diǎn)、對系統(tǒng)初始化、調(diào)用各子程序、控制事件循環(huán)，當(dāng)退出程序時(shí)恢復(fù)系統(tǒng)的原始環(huán)境。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先啟動(dòng)主程序，然后再由主程序調(diào)用子程序和其他組件，其流程如圖8所示。

主程序完成初始化工作，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，判斷液位開關(guān)是否有信號(hào)輸入（即液位是否到達(dá)低限），如果為否，則根據(jù)采集值與設(shè)定值的比較結(jié)果，決定是否調(diào)用輸出控制子程序，完成各種控制量的輸出;如果為是，則進(jìn)行液位報(bào)警，以上流程循環(huán)往復(fù)不斷執(zhí)行。

4?性能測試

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)家庭植物工廠營養(yǎng)液控制與管理性能，在北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院搭建了氣霧栽培式家庭植物工廠。2019?年12月至2020年3月，在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行了生菜和苜蓿草栽培試驗(yàn)，在實(shí)際生長過程中驗(yàn)證及測試控制系統(tǒng)的工作效果。營養(yǎng)液溫度的控制范圍為（21±1）℃，pH的控制范圍為（6.5±0.4），EC值的控制范圍為（3.2±0.5）mS/cm。生菜和苜蓿草在該系統(tǒng)調(diào)控下長勢良好，生菜和苜蓿草栽培效果如圖9所示。

4.1?液溫控制

栽培室內(nèi)生菜處于幼苗期，營養(yǎng)液溫度控制目標(biāo)為（21±1）℃。試驗(yàn)采集2020年1月10日00：00—24：00的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，每15?min?讀取1次溫度值。液溫控制試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，栽培室溫度在恒溫器的控制下，營養(yǎng)液溫度可以被控制在設(shè)定區(qū)間內(nèi)，隨著控制時(shí)間的延長，營養(yǎng)液溫度變化有所趨緩，試驗(yàn)表明營養(yǎng)液溫度調(diào)控平均響應(yīng)速度大于1.43?℃/?h，控制偏差小于?0.4?℃，控制穩(wěn)定性較好。

4.2?pH和EC值監(jiān)測

pH的控制范圍為（6.5±0.4），EC值的控制范圍為（3.2±0.5）mS/cm，試驗(yàn)采集12月8—30日試驗(yàn)數(shù)據(jù)，每天分別在0：00、06：00、12：00、18：00記錄4次數(shù)值。試驗(yàn)期間，根據(jù)系統(tǒng)報(bào)警提示，分別于12月13日和12月25日加注營養(yǎng)液1次，監(jiān)測結(jié)果如圖11所示。

由圖11可知，營養(yǎng)液的EC值和pH均處于控制范圍內(nèi)。試驗(yàn)結(jié)果表明，EC值超限報(bào)警動(dòng)作準(zhǔn)確，EC值和pH的穩(wěn)定性符合作物要求。

5?結(jié)語

為了滿足氣霧栽培式家庭植物工廠作物生產(chǎn)需求，開發(fā)了1套營養(yǎng)液循環(huán)與管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了營養(yǎng)液EC值、pH、溫度的監(jiān)測以及營養(yǎng)液溫度控制，試驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)系統(tǒng)性能可靠，因素控制平穩(wěn)，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

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