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,受市場波動沖擊大,自然災(zāi)害風(fēng)險高等方面。要解決上述問題,應(yīng)運用新的技術(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,實現(xiàn)作物在垂直立體空間周年計劃性生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng),是衡量一個國家農(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??偟膩碚f,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,通過系統(tǒng)自動控制水肥供應(yīng)的水培生產(chǎn)模式相對于傳統(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[2]。因此,合理運用水培進(jìn)行蔬菜種植可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益,蔬菜生產(chǎn)水肥控制器可以實現(xiàn)代替人工,實現(xiàn)精準(zhǔn)水肥供給的目的[3-4]。
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時檢測水中的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)合傳感器檢測溫度和光照強(qiáng)度等指標(biāo)。傳感器實時向PLC 控制中樞傳送自己的監(jiān)控數(shù)據(jù),當(dāng)傳感器檢測到作物生長環(huán)境中的某一項指標(biāo)或者幾項指標(biāo)不在作物生長最適宜的區(qū)間時,PLC 中樞會發(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
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。多層栽培架中,傳感器逐層掃描,檢測每層栽培架水槽中的氮元素值的波動大于8% 時,啟動水泵進(jìn)行循環(huán)攪拌,攪拌后再次檢測營養(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PLC 控制器輸出的繼電器閉合,當(dāng)識別到傳感器的輸入信號發(fā)生變化時,PLC 控制器通過繼電器向各個供水管電磁閥終端發(fā)出信號,對相應(yīng)的電磁閥開度大小進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)傳感器檢測到相應(yīng)的量值恢復(fù)到正常的水平時,PLC 控制器控制繼電器斷開,至此完成一個負(fù)反饋調(diào)節(jié)(圖2)。
圖2 控制系統(tǒng)流程
工廠化立體栽培優(yōu)勢是提高空間利用率,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)可以同時檢測多個環(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)動探針,在需要測量時伸入營養(yǎng)液中,不測量時則縮回探針,該設(shè)計有助于提高傳感器的使用壽命(圖3)。同時,立體栽培還存在不易拉線等問題,基于5G 的無線方式進(jìn)行多個傳感器及控制系統(tǒng),可以實現(xiàn)蔬菜工廠化生產(chǎn)環(huán)境的遠(yuǎn)程自動控制,通過對多個節(jié)點的控制,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)的實物測試
圖4 無線控制模塊實物圖
本文水肥控制系統(tǒng)優(yōu)點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,同時也有效降低成本,搭建過程中成本較低,每個系統(tǒng)的搭建成本約為1100 元,遠(yuǎn)低于國外同類產(chǎn)品。缺點是要根據(jù)不同植物工廠特點進(jìn)行針對性布局設(shè)計,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)展的趨勢來看,該技術(shù)應(yīng)該是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢。在解決了水肥精準(zhǔn)調(diào)控的穩(wěn)定性難題后,水培裝備會很快在都市農(nóng)業(yè)中普及應(yīng)用。通過控制器實現(xiàn)工廠化生產(chǎn)的精準(zhǔn)控制,可以進(jìn)一步減少勞動力成本,避免人為干擾,實現(xiàn)生產(chǎn)的規(guī)?;?。