温室袋培番茄的水肥精准调控系统设计与试验.pdf

温室袋培番茄的水肥精准调控系统设计与试验 韩坤林1 陈毅飞2 喻 晨2 马 艳2 杨会民2 蒋永新2 1 新疆农业大学 机械电气工程学院 乌鲁木齐 830052 2 新疆农业科学院农业机械化研究所 乌鲁木齐 830091 摘 要 针对温室袋培番茄人工灌溉施肥劳动强度大 水肥资源浪费及智能化程度不高等问题 设计了一套基于 光合辐射和袋培番茄所需水肥规律的智能灌溉施肥控制系统 采用C 语言对上位机进行开发 用SQL Server软 件建立了数据库 用GX Works2软件对PLC程序进行编写 通过上位机调取数据库中传感器实时传输的数据和 番茄需水规律计算出灌溉施肥量和灌溉施肥时间 并通过PLC Monitor Unity软件改变PLC程序中出水泵的工作 时间 保证PLC每天对番茄进行合理灌溉施肥 对构建的智能灌溉施肥系统进行了不同时间内的出水量均匀性 以及EC值 pH值响应时间试验 结果表明 在4 5min时最低均匀系数为98 61 在9min时最低均匀系数为 99 02 在12min时最低均匀系数为99 16 EC值在系统运行25s时稳定 稳定后保持在 1 290 0 03 mS cm以内 pH值在系统运行20s时稳定 稳定后保持在6 00 0 07以内 针对温室袋培番茄灌溉施肥 系统可根 据光合辐射变化制定不同的灌溉施肥量 不仅减轻了人工劳动强度 还具有响应速度快 灌溉施肥精确及所用水 肥量符合番茄生长需求的特点 关键词 灌溉施肥系统 上位机 均匀性 袋培番茄 中图分类号 S224 4 S220 39 文献标识码 A文章编号 1003 188X 2023 01 0190 06 0 引言 人工或者手动灌溉施肥系统对作物进行灌溉施 肥 不仅增加人工的劳动强度 还容易造成大量的水 肥资源浪费 肥料滥用也会对环境和土壤造成污染 因此 如何利用智能技术和根据不同作物生长需求对 作物进行适时 适量地灌溉施肥具有重要研究意 义 1 3 相比其他发达国家 我国的智能灌溉还处于初步 研究阶段 目前 国内大多数对于作物灌溉系统的研 究都是基于环境因子 或者定时对作物进行灌溉施 肥 黄语燕等 4 构建了一套基于温室基质栽培的施 肥系统 通过蠕动泵吸取母液肥料 并混合成合适的 浓度 通过控制肥液的EC pH值和肥液进入管道的灌 溉时间 根据不同作物对水肥的需求实现自动施肥 李雅静等 5 设计了一种基于PLC控制的温室灌溉控 制系统 可根据不同植物对水的需求进行分量灌溉 金永奎等 6 等设计了一种灌溉 施肥 过滤于一 收稿日期 2021 01 25 基金项目 自治区重大专项 20219860 作者简介 韩坤林 1997 男 四川通江人 硕士研究生 E mail 228574983 qq com 通讯作者 蒋永新 1975 男 江苏丰县人 研究员 硕士生导师 E mail 10661713 qq com 体的全自动灌溉施肥机 并对不同压力效果下的流量 及固定压力下不同水肥比例的配比响应时间进行了 测试 发现100 1的水肥比例响应速度为32s 王佳 明等 7 设计了一种无土栽培远程控制系统 以 MSP430单片机作为检测与控制核心 并用Qt编程设 计了配套的上位机软件 以对作物的灌溉情况进行可 视化监控 并采用GPRS无线传输技术对上位机和下 位机的数据进行同步通信 试验表明 该系统对EC 值调控误差不超过0 11mS cm pH值调控误差不超 过0 08 Rahul等 8 使用Event B建立了一个智能灌 溉系统 基于传感器监测天气情况 土壤条件 蒸发及 植物用水的情况进行灌溉 Liao Renkuan 9 等研究了 一种基于实时土壤水分数据的智能灌溉系统 根据土 壤水分分布的时空特征对作物耗水情况进行估算 根 据得到的数据采用一个中央灌溉控制器进行精确灌 溉 笔者根据当日光合有效辐射和基质袋培番茄的需 水规律 设计了一套基于PLC控制的智能灌溉施肥系 统 通过上位机调取当日数据库的数据对番茄进行水 肥决策 再将当日的灌溉施肥量换算为水肥灌溉时 间 通过修改出水泵工作时间进行控制当日灌溉施肥 量 同时 对铺设的管路进行了出水量均匀性及EC值 和pH值的时间响应测试 091 2023年1月 农 机 化 研 究 第1期 DOI 10 13427 ki njyi 2023 01 021 1 系统组成及工作原理 1 1 系统结构组成 水肥一体化自动灌溉施肥系统由下位机PLC 上 位机控制软件 数据库及传感器组成 PLC选择的型 号为FX2N 4AD 可提供4个模拟量的输入 上位机 软件由C 语言编写 可以对数据库的数据进行调取和 分析 并改变PLC程序中的设定值 PLC通过控制各 泵 阀及根据传感器的监测数据 对作物进行灌溉施 肥 数据库由SQL Server软件进行创建 通过云平台 将数据传入数据表 环境因子传感器为光合有效辐 射传感器 用于设备的传感器有液位检测 EC值和pH 值检测 具体参数如表1所示 整体控制系统结构如 图1所示 表1 传感器参数指标 Table 1 Sensor parameter index 测量参数型号精度测量范围 光合辐射PIR 1Z 5 0 2500 mol m2 S EC值DJS 1C 10 0 20mS cm pH值E 201 C 0 01 0 14 液位SIN P260 0 5 0 3m 1 压力表 2 进水阀 3 EC值传感器 4 pH值传感器 5 液位传感器 6 主管道手动总阀 7 出水泵 8 酸液脉冲电磁阀 9 吸酸液泵 10 B肥脉冲电磁阀 11 吸B肥泵 12 吸A肥泵 13 A肥脉冲电磁阀 图1 控制系统整体结构图 Fig 1 Overall structure diagram of control system 1 2 工作原理 当到达灌溉时刻时 上位机软件调取数据库的数 据 经过数据分析后 计算出灌溉施肥量 从而计算水 泵工作时间 通过PLC Monitor Unity软件改变PLC程 序中所设定的值 以此达到控制灌溉施肥量的目的 在改变PLC程序中的设定值后 智能灌溉施肥系统控 制吸肥泵 脉冲电磁阀及进水开关吸取A B肥及酸液 和清水对溶液进行调节 最后通过管道将肥液送入混 肥桶中 脉冲电磁阀为3通阀 使吸取的肥液和酸液 一部分管道输送至混肥桶 另一部分返还至母液桶 这样可以更好地进行混肥 EC值和pH值传感器安 装于进入混肥桶的管道中 对进入混肥桶中的肥液进 行监测 通过传感器监测的EC值和pH值与预设值比 较 达到合理的范围后 开启出水泵 将混肥桶中的肥 液输送至番茄根部 灌溉时间结束后 关闭相应的泵 阀和开关 系统控制流程如图2所示 由于基质袋培番茄所需的水肥量会根据光合辐射 而变化 根据汤圆强 10 等在智能温室番茄栽培管理 技术中所建议 肥液由A B肥混合而成 根据不同天 气情况及番茄的不同生长阶段 确定了不同的灌溉施 肥量和EC值 pH值 而阴雨天和晴天的差别主要在于 光合辐射不同 具体设置参数如表2所示 图2 系统控制流程图 Fig 2 System overall control flow chart 表2 番茄不同生长时期的灌溉施肥量 Table 2 Irrigation and fertilizer application amount of tomato in different growth stages 生长期晴天 次阴雨天 次 每次灌溉 施肥量 mL EC mS cm 1 pH 幼苗期2 1 200 2 0 6 0 开花坐果期4 1 200 2 5 6 0 果实膨大期6 2 200 3 0 6 0 191 2023年1月 农 机 化 研 究 第1期 2 系统硬件设计 2 1 管路的铺设 根据场地情况对基质袋培番茄的管路和滴箭进行 设计 选择与安装 主管道进水与混肥桶连接 主管 道连接12根支管进行出水 每根支管均布接入5个稳 流器 以一出四箭的形式安装滴箭 将4根滴箭插于 番茄四周的基质上 以保证番茄对营养液是充分吸 收 具体管道布置如图3所示 毛管 稳流器和滴箭 参数如表3所示 图3 管路布置图 Fig 3 Pipeline layout drawing 表 3 滴灌装置部件性能参数 Table 3 Component performance parameters of drip irrigation device 部件单位性能参数 毛管 直径 长度 mm 5 800 稳流器 流量 L h 4 滴箭 长度 cm 10 2 2 PLC输入输出 PLC通过控制各个部件 对番茄进行合理灌溉 其PLC外部接线如图4所示 图4 PLC外部接线图 Fig 4 External wiring diagram of PLC 3 系统软件设计 3 1 上位机的设计 上位机采用C 语言在 NET Framework4 0环境下 进行开发 主要功能是连接数据库并调取数据库中的 数据 对其进行分析 从而计算出灌溉施肥量和出水 泵工作的时间 通过串口连接PLC Monitor Unity软件 并对下位机程序定时器设定值进行修改 记录每次的 灌溉量 通过Chart控件使番茄整个生长阶段每日灌 溉施肥量的变化情况可视化 上位机操作界面如图5 所示 图5 上位机软件操作界面 Fig 5 Operation interface of upper computer software 3 2 数据库的搭建 通过SQL Server2018软件进行数据库创建 其具 体参数如表4所示 表4 数据信息表 Table 4 Table of data information 字段名字段类型字段属性 Time datetime时间 PAR Varchar 10 光合辐射 3 3 PLC控制流程 通过设置每日定时灌溉施肥时间 在到达灌溉施 肥时刻后 启动A肥 B肥 酸液泵和对应的电磁阀及 进水开关 在EC值和pH值达到合理范围后 启动出 水泵 对作物进行灌溉施肥 灌溉施肥时间结束后 关 闭各个工作部件 在肥液超过混肥桶限位时 则关闭 进水开关及A肥 B肥 酸液泵和对应的电磁阀 发生 故障时则进行报警 PLC控制流程如图6所示 4 试验结果分析 试验于2020年10月在新疆农业科学院农业机械 化研究所的温室进行 分别进行了出水量均匀性试验 和EC值 pH值响应时间试验 291 2023年1月 农 机 化 研 究 第1期 图6 PLC控制流程图 Fig 6 PLC control flow chart 4 1 出水量均匀性试验 依次选取第1 3 5 7 9 11根支管 并依次选取 支管第1 3 5个位置作为出水量试验的出水点 分别 作为A组 B组和C组 共18个位置 分别在4 5 9 12min时对每个点的出水量进行测量 对出水量误差 和均匀度进行分析 如表5 表8所示 对应的出水量 变化趋势如图7所示 根据克里斯琴森均匀系 数 11 12 对出水量均匀性进行分析 计算公式为 Cu 1 q q 1 式中 Cu 克里斯琴森均匀系数 q 滴头平均出水量 g q 滴头平均流量与各滴头出水量之差的绝对 值 q 1n n i 1 qi 2 q 1n n i 1 qi q 3 式中 n 滴头的个数 qi 第i个滴头的出水量 g a b c 图7 A B C组分别在4 5 9 12min时的出水量变化 Fig 7 The changes of water yield in groups A B and C at 4 5min 9min and 12min 表5 4 5min内各组出水量 Table 5 Water yield of each group within 4 5min g 序号A组B组C组 1 309 307 306 2 307 305 304 3 304 303 302 4 301 300 299 5 299 298 296 6 295 294 292 表6 9min内各组出水量 Table 6 Water yield of each group within 9min g 序号A组B组C组 1 612 610 607 2 609 606 604 3 605 604 598 4 601 600 595 391 2023年1月 农 机 化 研 究 第1期 续表6 g 序号A组B组C组 5 597 596 591 6 594 593 588 表7 12min内各组出水量 Table 7 Water yield of each group within 12min g 序号A组B组C组 1 815 811 809 2 809 808 805 3 805 804 801 4 801 799 796 5 798 796 791 6 795 793 788 表8 在不同时间内各组出水量误差和均匀度系数 Table 8 The error and uniformity coefficient of each group s water yield in different time 组号时间 min 评价指标 误差范围 均匀度系数 A组 4 5 0 33 3 00 98 62 9 0 17 2 00 98 73 12 0 13 1 88 98 61 B组 4 5 0 2 33 99 06 9 0 1 67 99 14 12 0 13 1 38 99 02 C组 4 5 0 33 2 60 99 27 9 0 33 2 00 99 27 12 0 13 1 50 99 16 由图7可知 滴箭出水量与管道长度成反比 水流 过的管道越长 出水量越少 水流过的管道越短 出水 量越多 这是因为前面的滴箭先有水流经过 所以不 同位置出水量会有一定差距 由表8可知 在前 4 5min时 各组出水量误差最大 各组均匀度系数较 小 随着时间的变化 各组误差逐渐变小 且均匀度更 高 最高可达99 27 总体来说 3个时间段内 各组 出水量均匀度系数和误差都在可接受范围内 均匀度 系数最低为98 61 最大误差为3 能够满足番茄灌 溉需求 4 2 EC pH值响应时间试验 本试验主要对EC值 pH值达到合理范围的响应 时间进行测试 通过各个泵 阀和开关配合工作 使得 实际测量值接近预设值 并稳定于合理范围内 A肥 桶母液的EC值为6 2mS cm B肥桶母液的EC值为 3 9mS cm 酸液桶的pH值为2 16 EC值的预设值设 置为1 29mS cm pH值的预设值为6 0 试验结果如 图8和图9所示 图8 EC值变化 Fig 8 EC values change 由图8可知 随着时间变化 EC值逐渐趋于稳定 在25s时EC值为1 291mS cm 接近预设值 之后一直 稳定于 1 290 0 03 mS cm以内 图9 pH值变化 Fig 8 pH values change 由图9可知 随着时间变化pH值逐渐趋于稳定 在20s时pH值为6 03 接近预设值 之后一直稳定于 6 00 0 07以内 5 结论 1 根据温室基质袋培番茄的所需水肥规律及当 491 2023年1月 农 机 化 研 究 第1期 日的光合有效辐射情况 建立了一套智能灌溉施肥系 统 可以减小人工劳动强度和节约水肥资源 2 对智能灌溉系统进行了出水量均匀性试验 结 果表明 出水量在4 5min时最大误差为3 最低均 匀系数为98 61 在9min时最大误差为2 最低均 匀系数为99 02 在12min时最大误差为1 88 最 低均匀系数为99 16 总体符合作物生长需求 3 对智能灌溉系统进行了EC值 pH值响应时间 试验 结果表明 EC值在25s时接近预设值 并进入稳 定状态 稳定后EC值范围保持在 1 290 0 03 mS cm以内 pH值在20s的时候接近预设值 并进入稳定 状态 稳定后pH值范围保持在6 00 0 07以内 总体 满足要求 参考文献 1 王望来 陈梓晖 浅析农业智能灌溉技术 J 木工机床 2020 4 17 19 2 滕红丽 李承辉 仝浩远 等 基于无线传感网络的智能 节水灌溉系统研究 J 科学技术创新 2021 2 98 100 3 杨波 魏文政 陈盟 等 基于神经网络的智能化节水灌 溉系统设计研究 J 水利技术监督 2020 5 44 48 4 黄语燕 刘善文 陈永快 等 温室基质栽培水肥一体化 施肥系统的构建 J 江苏农业科学 2019 47 21 278 281 5 李雅静 孟慧 张小青 基于PLC控制系统的温室灌溉系 统设计 J 机械工程与自动化 2018 6 165 166 6 金永奎 盛斌科 一体化全自动灌溉施肥机设计与试验 J 中国农村水利水电 2019 8 63 68 7 王佳明 陈思 荆腾 等 无土栽培远程灌溉控制系统 J 排灌机械工程学报 2020 38 9 959 965 8 KARMAKAR RAHUL SARKAR BIDYUT BIMAN A proto type modeling of smart irrigation system using event B J SN computer science 2021 2 1 36 9 LIAO RENKUAN ZHANG SHIRUI ZHANG XIN et al De velopment of smart irrigation systems based on real time soil moisture data in a greenhouse proof of concept J Agri cultural water management 2021 245 c 106632 10 汤圆强 李涛 王虹云 等 智能温室番茄栽培管理技术 研究进展 J 长江蔬菜 2020 22 43 49 11 张林 吴普特 范兴科 等 低压滴灌灌水均匀度试验研 究 J 西北农林科技大学学报 自然科学版 2009 37 12 207 212 12 中华人民共和国水利部 微灌工程技术标准 S 北京 中国水利水电出版社 1995 Design and Experiment of Precise Control System of W ater and Fertilizer for Bag cultured Tomato in Greenhouse Han Kunlin1 Chen Yifei2 Yu Chen2 Ma Yan2 Yang Huimin2 Jiang Yongxin2 1 Mechanical and Electrical Engineering College Xinjiang Agricultural University U r u mqi 830052 China 2 Insti tute of Agricultural Mechanization Xinjiang Academy of Agricultural Sciences U r u mqi 830091 China Abstract In view of the labor intensity of artificial irrigation and fertilization for bag grown tomato in greenhouse as well as the situation that water and fertilizer resources are easy to be wasted and the degree of intelligence is not high e nough a set of intelligent irrigation and fertilization control system based on the Photosynthetic radiation and the law of water and fertilizer required by bag cultured tomato was studied This study develops the upper machine with C lan guage sets up a database with SQL Server software writes PLC program with GX Works2 software The irrigation fertiliz er and irrigation fertilization time is calculated through the data of PC database obtained by sensor real time transmission and rule of water requirements of tomato The operation time of water pump in the PLC program can be changed through PLC Monitor Unity software ensuring the PLC reasonable irrigation fertilization on tomato every day and the construction of intelligent fertigation system of water yield uniformity test in different time The EC value and pH value were used to test the response time The results show that the minimum uniformity coefficient was 98 61 at 4 5min 99 02 at 9min and 99 16 at 12min The EC value was stable at 25s and kept within 1 290 0 03mS cm The pH value was stable at 20s and kept within 6 00 0 07 The system can make different amount of irrigation and fertilizer according to the photosynthetic radiation change which can not only reduce the labor intensity but also has the characteristics of fast response accurate irrigation and fertilizer and the amount of water fertilizer in line with the growth demand of tomato Key words irrigation and fertilization system upper computer uniformity bag cultured tomato 591 2023年1月 农 机 化 研 究 第1期