胡耘瑞，張 梅，田志偉，姚 森，馬 偉

（1.四川大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都610065 ；2.成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學(xué)院，成都 611130；3.成都農(nóng)業(yè)科技中心，成都 610404）

農(nóng)業(yè)發(fā)展受到諸多因素制約，包括生產(chǎn)高度分散，受市場(chǎng)波動(dòng)沖擊大，自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)高等方面。要解決上述問題，應(yīng)運(yùn)用新的技術(shù)手段重構(gòu)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，植物工廠無疑是農(nóng)業(yè)的潛在出路之一。植物工廠是在完全密閉或半密閉條件下采用高精度環(huán)境控制，實(shí)現(xiàn)作物在垂直立體空間周年計(jì)劃性生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，是衡量一個(gè)國家農(nóng)業(yè)高技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一，受到全世界的高度重視[1]。

植物工廠內(nèi)采用立體栽培模式，在相同的面積上，種植數(shù)倍于農(nóng)田的作物，同時(shí)工廠內(nèi)可根據(jù)不同作物的需求科學(xué)地設(shè)置不同的溫度、光照、灌溉等外在條件，減少天氣原因?qū)τ谧魑锷L帶來不利的影響。總的來說，植物工廠可以提高作物栽培過程中的科技滲透率，增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定性，提高農(nóng)民收入。同時(shí)，通過系統(tǒng)自動(dòng)控制水肥供應(yīng)的水培生產(chǎn)模式相對(duì)于傳統(tǒng)土壤栽培模式來說更適用于工廠化作物栽培。水培是蔬菜生產(chǎn)技術(shù)上的一項(xiàng)重大革新，與進(jìn)口的基質(zhì)栽培相比，具有操作簡單、成本低廉、不受季節(jié)和環(huán)境限制、種植產(chǎn)量高、產(chǎn)品安全性高等特點(diǎn)[2]。因此，合理運(yùn)用水培進(jìn)行蔬菜種植可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益，蔬菜生產(chǎn)水肥控制器可以實(shí)現(xiàn)代替人工，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)水肥供給的目的[3-4]。

系統(tǒng)原理

工廠化立體栽培無線水肥控制器主要由PLC 控制器、智能燈管、水肥傳感器、溫度光照傳感器、栽培盤和營養(yǎng)液輸送系統(tǒng)構(gòu)成。利用PLC 作為控制中樞，通過安放在栽培盤中的傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)水中的CO2含量、含氮量、含磷量、光照強(qiáng)度等指標(biāo)，通過放置在墻壁的溫度光照復(fù)合傳感器檢測(cè)溫度和光照強(qiáng)度等指標(biāo)。傳感器實(shí)時(shí)向PLC 控制中樞傳送自己的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，當(dāng)傳感器檢測(cè)到作物生長環(huán)境中的某一項(xiàng)指標(biāo)或者幾項(xiàng)指標(biāo)不在作物生長最適宜的區(qū)間時(shí)，PLC 中樞會(huì)發(fā)出指令進(jìn)行營養(yǎng)液的傳輸和室內(nèi)溫度、光照強(qiáng)度的調(diào)控，從而確保植物生長在適宜的生長環(huán)境中（圖1）。

圖1 工廠化生產(chǎn)立體栽培施肥系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

環(huán)境參數(shù)反饋PLC 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用PLC 作為處理器，每間隔2～30 min 進(jìn)行1 次采樣檢測(cè)。多層栽培架中，傳感器逐層掃描，檢測(cè)每層栽培架水槽中的氮元素值的波動(dòng)大于8% 時(shí)，啟動(dòng)水泵進(jìn)行循環(huán)攪拌，攪拌后再次檢測(cè)營養(yǎng)液的氮元素值，如果誤差小于5%，系統(tǒng)則認(rèn)定波動(dòng)值在植物生長適宜的區(qū)間，如果誤差大于或等于5%，系統(tǒng)則認(rèn)為養(yǎng)分需要再次調(diào)節(jié)。此時(shí)PLC 控制器輸出的繼電器閉合，當(dāng)識(shí)別到傳感器的輸入信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，PLC 控制器通過繼電器向各個(gè)供水管電磁閥終端發(fā)出信號(hào)，對(duì)相應(yīng)的電磁閥開度大小進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)傳感器檢測(cè)到相應(yīng)的量值恢復(fù)到正常的水平時(shí)，PLC 控制器控制繼電器斷開，至此完成一個(gè)負(fù)反饋調(diào)節(jié)（圖2）。

圖2 控制系統(tǒng)流程

立體栽培無線水肥控制系統(tǒng)

工廠化立體栽培優(yōu)勢(shì)是提高空間利用率，但水肥管理過程存在不便觀察、不利于人工操作等問題。立體栽培無線水肥控制系統(tǒng)可以同時(shí)檢測(cè)多個(gè)環(huán)境參數(shù)，進(jìn)行整體的調(diào)控和決策，有助于提高水肥利用效率。從成本出發(fā)，系統(tǒng)采用PLC控制器作為控制核心，通過繼電器來控制營養(yǎng)液水泵的啟停，使用電磁鐵驅(qū)動(dòng)探針，在需要測(cè)量時(shí)伸入營養(yǎng)液中，不測(cè)量時(shí)則縮回探針，該設(shè)計(jì)有助于提高傳感器的使用壽命（圖3）。同時(shí)，立體栽培還存在不易拉線等問題，基于5G 的無線方式進(jìn)行多個(gè)傳感器及控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)蔬菜工廠化生產(chǎn)環(huán)境的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，通過對(duì)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的控制，每層的電磁閥都以此進(jìn)行開閉，提高管理的效率（圖4）。

圖3 基于PLC 控制系統(tǒng)的實(shí)物測(cè)試

圖4 無線控制模塊實(shí)物圖

總結(jié)

本文水肥控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是采用模塊化和分布式技術(shù)，解決了工廠化立體栽培水肥精準(zhǔn)控制和布線的難題，同時(shí)也有效降低成本，搭建過程中成本較低，每個(gè)系統(tǒng)的搭建成本約為1100 元，遠(yuǎn)低于國外同類產(chǎn)品。缺點(diǎn)是要根據(jù)不同植物工廠特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性布局設(shè)計(jì)，避免水肥系統(tǒng)損壞傳感器，提高系統(tǒng)精度與可靠性。

從技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)來看，該技術(shù)應(yīng)該是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。在解決了水肥精準(zhǔn)調(diào)控的穩(wěn)定性難題后，水培裝備會(huì)很快在都市農(nóng)業(yè)中普及應(yīng)用。通過控制器實(shí)現(xiàn)工廠化生產(chǎn)的精準(zhǔn)控制，可以進(jìn)一步減少勞動(dòng)力成本，避免人為干擾，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的規(guī)?；?。