智慧温室中滴灌控制的研究与设计浅析

李向春，黎雪君，彭 玲，王文婷

（新疆石河子职业技术学院，新疆石河子 832000）

0 引言

智慧温室，属于现代农业的一个发展主流，现阶段被广泛应用在规模较大的温室生产当中，为温室大棚实现精确调节及控制提供帮助，满足于高质量、增产、增长周期有效调节、经济效益全面提高等各项需求。农作物的生长不再受以往季节限制，可以为我国的现代农业实现进步发展提供重要的驱动力。那么，为维持智慧温室整个环境当中温湿度的稳定，便需要对这些作物定位滴灌。而为能够达到更加有效的滴灌控制，则对智慧温室当中滴灌控制的合理设计开展综合分析，有着一定的现实意义和价值。

1 智慧温室概述

所谓智慧温室，它是集成无线通信及物联网各项技术建设的一种智能化温室大棚或自动化的温室。借助手机及电脑等智能设备，对温室大棚实施管理，对移动天窗、保温、遮阳系统、风扇冷却专项系统、湿窗帘、移动苗床、喷雾灌溉或是滴灌系统等设施设备运行实现自动化的控制，对农业的温室环境实现远程管理[1]。

2 智慧温室当中的滴灌控制研究及其设计

2.1 在滴灌控制装置设计层面

为能够将滴灌水量精准有效且简单地确定下来，此次针对盆栽植物的生长期以周作为基本单位予以合理分段，短期性生长因素所致质量变化忽略。把盆栽植物当成是单一区块，盆栽环境之下，根系土层和下层部分土壤当中水分实际交换量则忽略不计，以此获取可变列式，即ΔM=I-ETe。滴灌控制装置需要对水分散失的实际变化予以把控，确保ΔM为零，也就是盆栽作物的水分含量始终维持最适宜的有效范围当中，滴灌水量即为I=ETe。

此次研究选定质量的变化量，对盆栽累积的蒸发散量进行测定，以此为滴灌水量有效控制的重要依据，并以土壤水分张力计方法作为比较。明确农作物可以正常生长状态之下水分的有效范围，即经24 h重力的自然排水之后容水量到有阻碍农作物生长的土壤相应水分含量形成之间。此次研究选取5个盆栽为试样，选定淹灌浸泡这一方式，确保其能够达到一种饱和状态，经24 h之后再实行重力的自然排水，获取有效性水分上限实际对应的一个质量，借由土壤水分张力计实施测量操作，获取土壤的水分张力（即表征土壤的水分张力实际pF值是1.5～2.0）为对照和作物有效性的水分上限。针对农作物整个生长过程受阻水分点对应pF值是2.4～3.0土壤的水分张力为农作物实际生长过程有效性的水分下限，且对应着质量的相应下限值[2]。定量却不定时这一灌溉方式之下，固定的灌溉周期明确后，改变灌溉作业水量往往由气候的变化因子决定，以农作物实际生长过程当中有效性水分含量的上限为灌溉作业停止点基本无问题存在，但气候变化若是呈现较大差异性，则土壤实际有效性的水分含量会逐渐降低到阻碍作物生长处于水分含量下范围，实行固定的灌溉周期之下这种灌溉方法，往往很难实现对作业的实时反应[3]。对此，智慧温室当中滴灌控制层面上，选定固定的灌溉水量和可变动性灌溉周期为主要的灌溉管理实时策略，便于满足气候变化下对灌溉周期实时自动调整操作的需求。以盆栽的质量方法为滴灌管理重要依据，那么，结合黑盒子法层面分析，盆栽质量这一方法是处于外部复杂性气候环境当中介质水分改变后所致的一种质量变化。故滴灌控制整个系统管控之下有效水分的设计范围，应当以淹灌浸泡为主要方式，确保盆栽栽培的介质能够达到一种饱和状态，待24 h之后实施重力式自然排水，实际容水量便可为有效的水分含量上限（TAM）。

此次研究以获取有效的水分上限相对应质量为滴灌控制装置控管当中滴灌水量的上限。通过试验方式，选定盆栽处于75.00%上限条件之下的质量值为控管的滴灌水量相应下限，此方式之下，滴灌系统往往不会有多余渗水从盆栽底部位置排出。针对种类不同的温室盆栽和栽培介质，滴灌控制初期运行阶段需要初始化其上限量值，且需要适当调整好控制参数[4]。那么，基于上述控制策略，将下列基本假设制定出来：一是相同温室内部微气候基础条件一致，温室内部农作物的种类及其生长周期一致，故可认为相同温室内部农作物的蒸发散量基本一致，那么，点测1盆便能够代表着整个温室，每盆初始的质量即便存在差异性，对差动控制法之下，每盆实际需求滴灌水量不会有过大个体差异产生。二是相同温室内部以灌溉管线为基础，将其分割为不同分区，不同分区管线实行双头给水，故可促使所有分区相互间水量和水压层面的差异降低，再对灌溉控制整个系统时间予以微调校正，并对后端管流的差异水量予以补偿，确保所有分区内部前后端的管线实际出水量层面差异进一步下降，达到均匀水量这一目标。选取3个区域范围滴灌的盆栽作物为主要控制对象，对灌溉管控功能模块予以合理设计。控制策略当中假设灌溉区内部为同等情况，故仅需配置1套荷重的传感装置和一台加压泵即可，但此区域范围一定要选定目标盆栽为试验样本，才可实现自动灌溉目的。试验灌溉的管控模块选定1区范围指标盆栽的质量变化△w1（所对应栽培土的介质25%有效水分的差值变化）作为基本目标控制。第1区范围指标盆栽的质量变化为△w（t1）=△w1条件之下，第1区范围执行灌溉相应操作，控制装置程序软件则自动对灌溉操作整个过程当中所耗费实际灌溉时间△ti实施同步的记忆学习，再以同等灌溉时间ti对第2～3区范围实施灌溉操作，获取灌溉水量△w2i、△w3i。针对滴灌控制装置总体设计，依照着同区范围当中盆栽实际蒸发散量，对农作物散失水分予以补充，还可借助以往的实践经验，借助各种人工微调方式予以合理调整，确保能够与农作物实际的生长需求相符。适当实行分区轮灌这一方式，能够防止大区域范围管线的前后端位置水量不均情况出现，同时期内各区灌溉实际水量能够达到一致性。

结合上述思路，开发设计适合应用至智慧温室当中滴灌控制综合系统，其内部配置Sharp JW20系列的PLC主机、Tedea-1022的荷重单元、HTS-801型号温湿度的传感装置、LI-COR-200SZ型号的光照度计。该智慧温室当中滴灌控制综合系统实操方式以自动、手动这两种为主[5]。Tedea-1022的荷重单元能够实现对0～20 kg限定范围的物体检测，实际灵敏度达到0.80 kg，所输出模拟的电流I（4～20 mA）和被物体的质量w（kg）之间属于线性关系，详细列式，即w=1.25*I-5。那么，经由PLC与模数转换装置（ADC）可获取数码D和模拟电流I之间转换关系式，即D=100*I。结合上述列式，便可获取盆栽质量w和数码D相互间转换列式，即D=80*w+400。从上述列式便可了解到，每位精度为12.50 g。PLC和模数转换装置（ADC）联合之后，ADC负责实施盆栽质量相关模拟信号实时接收，且转换成PLC内部相应逻辑变量，借助PLC所构建的比较装置功能，以该逻辑变量的用数值对比方式为多段的对比输出，产生的控制性逻辑变量为功能需求层面的逻辑验算。

2.2 在试验分析层面

此次试验过程当中，把灌溉区分为3个不同的栽培区。针对第1区内部，选定1个盆栽，对其质量实施测量分析，为盆栽的重要质量指标对象；针对第2或是第3区，作为验证的相应对照区[6]。滴灌控制综合系统内设连接3个区当中的压力泵、电磁阀，且第1区范围配置荷重计、温室内部农作物的环境区域温湿度及光照度计等，对第1区范围盆栽有效的水分含量实际上/下限所对应的质量为其初始值。针对第2～3区范围荷重计、设施内部作物的环境区域温湿度及光照度量等实际量测值，全部储存至PLC存储单元当中。结合定量及不定时性灌溉管理这一策略，借助可编程的控制装置，经荷重传感装置传回的信号，针对灌溉时间与灌溉水量等实施精准判断分析，再把操作指令及时输出至电磁阀当中，同时实现学习记忆，且分区对每区执行相应的灌溉作业指令[7]。对定量及不定时这一策略整个实施过程予以详细记录，针对第1区和第2～3区范围每次随机的灌溉量、灌溉次数等予以详细记录，便于对滴灌控制装置功能实际精确性和稳定性实施评估分析，此次研究以均方根的误差（RMSE）为主要的量化值，列式：

式中，n代表第2～3区内实际灌溉次数；

Δw1代表第1区范围指标盆栽的质量变化（kg）；

Δw2i、Δw3i分别代表第2～3区内每次实际的灌溉水量（kg）。

那么，Penman－Monteith（P-M）方程当中，以温室内部所用光照度、叶面积的指数（LAI）、蒸汽压差（VPD）等代表植物的蒸发散量ET实际速率。试验过程当中以Penman－Monteith（P-M）方程为基础，并借助质量方法予以直接测量，以作物的蒸发散量这一模式作为室内短波光照度和蒸汽压差基本函数，由此便可获取盆栽实际蒸发散热的质量速率列式：

式中，α和β代表经验常数，结合作为类别和生长期、温室状态实际环境情况，确定具体数值；

λ代表水的蒸发潜热（J/kg）；

Is代表室内短波辐射量（W/m2）；

VPD代表蒸汽压差。具体列式：

式中，Ps代表饱和性蒸汽压（MPa）；

RH代表相对湿度（%）。

此次分别对盆栽型的樱桃番茄及草莓实际蒸发散的质量速率，处于蒸发散量这一模式下的计算结果（y）所对应量测值（x）开展线性的回归分析，经分析后可确定蒸发散量这一模式之下验证评估和蒸发散的质量速率实测变化基本相一致[8]。3～4天之内LAI基本维持不变，以1天实测数据的拟合参数合理代入原模后，对3天盆栽实际蒸发散的速率予以计算。温室当中蒸发散量简易模式与基于电子质量通用类型的滴灌控制综合系统结合后，经验证评估及分析后发现，对盆栽型的樱桃番茄和草莓处于此生长期当中灌溉量的实测值和现场气候估计值基本相一致。

3 结语

综上所述，此次研究并开发设计的智慧温室当中滴灌控制综合系统，能够应用于多种温室的盆栽作物，控制方式和作物的品种及其生长期不存在关联性。此次试验当中，实行质量上/下限的设定基准，主要是为确保环境当中温湿度及光照度各层面因素能够对应着相应蒸发散量，获取每日作物动态化需水量和环境内部温湿度、光照度之间对应关系。此次研究设计实行定量及不定时式灌溉控制实施策略，此控制策略能够为作物适时且适量地提供自身生长所需的水分。定量及不定时这一控制方式之下，可以保证盆栽介质实际水分含量始终维持有效范围当中，对作物生长十分有利，适宜持续推广及应用到温室设施当中。以差动间隙为控制方法，其比较适宜选定盆栽质量实际减少量测为作物的需水量重要依据。

此次研究设计当中，结合每次量测当中最具代表性盆栽的质量差产生变化，依托可编程的控制技术，将其合理转换成为内部定时装置时间差，便于对其余各区盆栽实际灌溉水量予以精准把控。控制模块能够伴随每次量测的具体情况，及时比对转换的时间差。那么，此时间差层面对比，以管线当时水量水压作为基准，并非属于固定值。此控制模块当中通过设定相应的校准功能，可对可编程的控制装置当中定时装置时间差予以增减操作，便于对各区实际灌溉水量予以精准把控，可达到对智慧温室当中农作物的实时及精确化的滴灌控制。