无土立体栽培系统的设计研究

张宗群，马稚昱,2，李明爵，陈嘉豪，高林锋，韦鸿钰 ,2※

（1.仲恺农业工程学院 机电工程学院，广州 510225；2.广东省特色农业现代化（精准农业智能化装备）产业发展重点实验室，广州 510225）

0 引言

我国是农业大国，同时也是世界上水资源紧缺，肥料浪费严重的国家之一。在传统栽培方式中，农民根据经验对种植物进行水肥管理，造成大量水肥资源浪费，且导致土壤中残留大量肥料，严重制约了农业发展[1,2]。水肥一体化技术是国际上公认的提高水肥利用率的最佳措施。农业发达国家在节水节肥方面领先我国近20年。近年来，我国出台多个文件推广水肥一体化技术，以全面提升农业水肥利用率，推动现代农业健康、高效的发展[3-5]。

本文设计了一套栽培环境相对封闭的水肥一体化智能灌溉系统，该系统能够根据作物的生长及对水肥的需求特性实现自动灌溉、实时监测，并具有臭氧杀菌等功能，真正实现节水节肥、环境友好，解决当前农业资源浪费、环境污染的问题。

1 整体方案设计

1.1 功能需求分析

为解决传统栽培方式水肥流失严重的问题，该系统根据作物生长需求进行水肥自动灌溉，并可远程监控灌溉情况，进行实时调整。鉴于本设计的立体无土栽培系统应用于设施环境内，因此整套系统运行环境应相对封闭，且可以实现水肥的自动清洁及循环利用[6-8]。

1.2 整体结构设计

根据上述功能需求，本研究构建的水肥一体化智能灌溉系统由管道栽培子系统、循环灌溉子系统、营养液检测子系统和臭氧杀菌子系统4部分组成，总体结构如图1所示。营养液罐中配置有电导率EC传感器和pH传感器实现实时检测，根据监测的EC值和pH值，结合作物品种、环境因子和生长情况，动态调节营养液的成分及浓度。通过设定定时器灌溉循环的时间，实现水肥营养液的定时灌溉，为作物生长提供所需的水分和养料；使用管道隔空栽培实现作物栽培区与外界的隔离，过剩的营养液通过回收管道回流进回收箱，并通过水位传感器检测控制潜水泵，将回收箱内的回流液体输送回营养液罐，实现水肥的循环再利用；气泵与臭氧发生器组成的杀菌系统实现了定期杀菌净化水体的功能。为了防止营养液中盐分富集，营养液罐中的营养液需要定期排空并及时处理。

图1 水肥一体化精准控制系统结构图

2 系统硬件设计

2.1 管道栽培子系统设计

本系统根据水培灌溉特点和主要种植作物的生长条件需求以及光照环境特点，采用倒V型结构做水培支架，选用7根规格为3 000 mm×108 mm×70 mm的方形管道作为植物的栽培场所，构建一个相对外界封闭的环境，便于营养液的回收利用。如图2，栽培支架呈三角形，结构稳固扎实；支架下方采用镂空设计，将整个水培装置的占地面积以及空间占用体积最小化。

2.2 循环灌溉子系统设计

图2 管道栽培子系统

营养液循环系统主要由3部分组成：营养液箱、水培管、回收箱，如图3所示。营养液箱与水培管之间通过水泵实现定时输送营养液功能；回收箱与营养液箱的关系如图4，当回收箱水位达到一定高度时，通过水位感应器的信息传递可使系统进行负反馈调节，将回收箱里过剩营养液通过循环管道回流到营养液箱，及时平衡回收箱与营养液箱的水位。

图3 营养液循环结构示意图

图4 回收箱与营养液箱关系示意图

2.3 营养液检测子系统设计

营养液是无土栽培作物所需矿质营养和水分的主要来源，组成应包含作物生长所需的全部营养成分，如氮、磷、钾、钙、镁、硫等大中量元素和铁、锰、硼肥、锌、铜等微量元素。

营养液的总浓度不宜超过0.4%，对绝大部分植物来说，它们需要的养分浓度宜在0.2%左右。营养液的元素种类及浓度对植物的生长有直接的影响，电导率EC传感器可检测营养液中的离子浓度，酸碱度传感器则负责检测溶液的pH值，通过PLC将采集的数据转化成数字信号传递到触摸屏上，管理员通过触摸屏提供的信息可掌握作物的生长情况并做出相应的调整方案，如图5所示。

图5 传感器系统流程图

2.4 臭氧杀菌子系统设计

营养液在循环利用过程中会滋生细菌和藻类，两者长时间的积累会影响作物的正常生长。本系统添加的臭氧杀菌装置可实现对营养液的定时杀菌，在净化水体的同时可增强营养液中的含氧量，给作物提供一个更适合生长的良好环境。图6为臭氧发生器的使用连接图。

图6 臭氧装置连接图

3 系统软件设计

人机交互系统主要由三菱FX2N-40MT PLC和三菱GT1675-VNBA工控屏构成，开发环境为Windows系统，采用GX Works2、GT Designer3软件。该系统能够实现栽培的自动控制和手动控制，主要功能有实时监控、数据检测、参数反馈、定时灌溉。

3.1 实时监控

实时监控程序通过对营养液的pH值和EC值的实时在线监测和自动调控，使之在合理范围之内。控制参数为营养液中pH值和EC值。系统开始工作时，数据采集模块对营养液中的pH值和EC值进行采集，并对数据进行处理，然后判断实测值是否在设定的合理范围内（pH值5.5～6.5，EC值1 600～2 000μs/cm）。当营养液pH值或EC值不在合理范围内时，系统发出警报声，提醒管理人员进行人工干预，并将pH值和EC值显示在液晶屏幕上，给出调整建议。

3.2 数据检测

数据检测是利用三菱FX2N-4AD模拟量模块，将pH和EC电极的0～5 V电压模拟量信号输送给A/D转换器，AD转换器将模拟量信号转换为数字量信号，由缓存储存器（BFM）读出指令输送到PLC，实现数据检测。

3.3 参数反馈

工控屏通电后，通过GT1675-VNBA触摸屏与PLC实现RS422通信，系统经过初始化，PLC缓存存储器将需要显示的数据输送给GT1675-VNBA触摸屏，液晶屏幕上显示出测试营养液中的pH值和EC值。

使用GT Designer3进行编程，触摸屏编程中的指示灯元件用来反馈PLC中辅助继电器M和输入输出X、Y等元件的状态；通过数值输入/显示元件进行参数反馈，设定输入数值和显示的地址，数据类型为有符号十进制数，显示位数为6位。使检测到的数据呈现在用户界面。

3.4 定时灌溉

在植物栽培过程中灌溉直接影响到品质和产量，灌溉控制模块可以根据系统设定的开启时间及间隔时间进行定时灌溉，由栽培槽渗出的营养液通过管道回收到回收箱内，当回收箱内水位达到一定高度后，通过水泵和电磁阀将回收箱内的营养液过滤后抽回到营养液箱中，实现了营养液的循环利用，具有很好的节水节肥效果。同时通过这种液体的循环，可以使水培管内的营养分子保持最大的流动性，增大水中养分，为保证监控和检测最优化提供最新的工作环境。

4 系统稳定性测试

系统硬件、软件搭建完成后，为了保证系统的可靠性和程序的正确性，需要对系统做稳定性试验测试。

根据无土立体栽培系统控制要求，将编写的程序输入到PLC中，并将GT Designer3设计的程序下载到工控屏中，确认无误后在机器上进行实际功能操作试验。工控屏系统功能操作示意图如图7所示，可视化界面主要分为：主操作菜单、手动操作模块、自动运行模块和定时灌溉模块，如图8—11所示。

图7 系统功能操作示意图

图8 主操作菜单界面图

图9 手动操作模块功能界面图

图10 自动运行模块功能界面图

图11 定时灌溉模块界面图

经测试，通过工控屏输入定时时长和灌溉时长等参数，在自动运行模式下，系统能稳定实现定时灌溉、定时杀菌功能；在手动模式中，水泵启动、杀菌装置启动及系统停止等功能均能按设定启动营养液中的水泵和臭氧发生器，验证了系统在手动模式下的稳定性。同时，在传感器的监视下，管理员可通过工控屏的监视界面查看营养液中的EC值和pH值，以便及时对营养液进行调整。

5 结语

本研究设计的小型立体栽培灌溉系统结构简单、制作容易、管理方便，可灵活变换大小和样式，适宜在室内园艺领域使用。本项目开发的整个控制系统操作界面简单，农民易学、易懂、易掌握，培训过程简单，后期维护费用较低，是农户容易接受的水肥一体化系统，可应用于广东省设施农业中的果蔬无土栽培，有效提高果蔬的产量与品质，值得推广应用。