趙燕東 高 宇 施 偉 張 馨 鄭文剛 薛緒掌

(1.北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；2.林草生態(tài)碳中和智慧感知研究院，北京 100083；3.國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100097)

0 引言

20世紀(jì)80年代以來，計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和智能傳感技術(shù)的快速成熟，使得無土栽培開始朝著自動化、智能化方向發(fā)展。無土栽培技術(shù)的核心是生長環(huán)境的研究和優(yōu)化。作物生長環(huán)境優(yōu)化是提高無土栽培生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的最重要手段，而其中營養(yǎng)液的管理控制是生產(chǎn)環(huán)境優(yōu)化面臨的關(guān)鍵問題[1-3]。

關(guān)于營養(yǎng)液的管理控制，國內(nèi)外均進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。當(dāng)前的營養(yǎng)液控制方法大致可以分為3類：基于EC(電導(dǎo)率)和pH值的營養(yǎng)液控制方法；基于營養(yǎng)物利用的營養(yǎng)液控制方法；基于作物模型的營養(yǎng)液控制方法。其中，基于EC和pH值的營養(yǎng)液控制方法操作簡單，易于推廣。當(dāng)前國內(nèi)外主要根據(jù)營養(yǎng)液的EC和pH值來進(jìn)行營養(yǎng)液的調(diào)控，同時(shí)在實(shí)際生產(chǎn)中使用最廣泛，有關(guān)營養(yǎng)液管理控制系統(tǒng)的大多數(shù)研究也基于這種控制模式[4-15]。

國外的大型智能水肥灌溉設(shè)備主要采用文丘里吸肥器，目前以色列和荷蘭為代表的發(fā)達(dá)國家水肥一體化技術(shù)已相當(dāng)成熟，已開發(fā)應(yīng)用了完善成熟的智能灌溉施肥系統(tǒng)，如荷蘭PRIVA公司研發(fā)的Nutri-line系列、以色列NETAFIM公司研發(fā)的Netajet系列等全自動灌溉施肥機(jī)，都能對電導(dǎo)率和酸堿度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，從而為作物提供水分和養(yǎng)分。國內(nèi)的許多院校和企業(yè)也進(jìn)行了先進(jìn)灌溉施肥機(jī)的研發(fā)和引進(jìn)，已經(jīng)開展了水肥一體化技術(shù)的研究[16-17]。

當(dāng)前國內(nèi)外自動配液灌溉系統(tǒng)一般由供水、檢測、控制、灌溉等主要裝置通過管路連接組成。其自動配液主要采用文丘里作為相應(yīng)配液系統(tǒng)核心部件，結(jié)構(gòu)繁雜，采用文丘里時(shí)其相應(yīng)吸液量與液體出口壓力成正比。當(dāng)其系統(tǒng)供液出口壓力變化時(shí)，其吸液率也將隨之變化。由于無土栽培作物對培養(yǎng)液的依賴度較高，以文丘里為配液核心的設(shè)備，一旦供液壓力出現(xiàn)變化，將會導(dǎo)致其營養(yǎng)液配制偏離設(shè)定目標(biāo)，較難獲得理想的控制效果，進(jìn)而對相應(yīng)作物生長造成不利影響。

本文設(shè)計(jì)一種基于馬利奧特裝置的營養(yǎng)液管理控制系統(tǒng)。馬利奧特裝置使高濃度原液進(jìn)行自流供液，供液壓力均衡，供液壓力穩(wěn)定后不易發(fā)生變化，供液流速取決于空氣閥開度，供液時(shí)長取決于電磁閥開閉間隔時(shí)長[18-20]。搭建整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立配液系統(tǒng)，提供3種灌溉策略，以快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)液的管理控制，為作物的無土栽培生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

基于馬利奧特裝置的營養(yǎng)液管理控制系統(tǒng)由兩部分組成：由馬利奧特裝置、控制機(jī)箱、傳感器和配液桶等構(gòu)成的營養(yǎng)液配制系統(tǒng)，如圖1所示；營養(yǎng)液灌溉控制系統(tǒng)。

圖1 營養(yǎng)液管理控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of nutrient solution management control system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

配液桶置于型材結(jié)構(gòu)框架下方，馬利奧特裝置安裝在型材結(jié)構(gòu)框架上方。在配液桶中安裝EC傳感器、pH值傳感器及水位傳感器，傳感器探頭均置于配液桶溶液中?？刂葡到y(tǒng)安裝于控制機(jī)箱中，工控機(jī)液晶顯示器上可實(shí)時(shí)顯示相應(yīng)配液狀態(tài)。配液桶下方安裝有供液泵，通過供液泵可將配液桶中已經(jīng)配置完成的營養(yǎng)液輸送至無土栽培種植區(qū)域，供作物生長。整體外部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 營養(yǎng)液管理控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of nutrient solution management control system1.進(jìn)液口球閥 2.原液箱 3.工控機(jī) 4.電磁閥 5.控制機(jī)箱 6.供液泵 7.液位軟管 8.型材支架 9.配液桶

當(dāng)配液桶中的液位低于最低水位，基于水位傳感器，系統(tǒng)開始自動補(bǔ)水，當(dāng)配液桶中水位達(dá)到最高水位時(shí)則停止補(bǔ)水。考慮到營養(yǎng)液在配置時(shí)，會受到攪拌泵的影響，在最低水位和最高水位會出現(xiàn)電磁閥反復(fù)開、斷的現(xiàn)象，選用了機(jī)械式水位傳感器，通過修改電路，使系統(tǒng)能夠自鎖，避免了這個(gè)問題的干擾。系統(tǒng)在給配液桶進(jìn)行補(bǔ)水的同時(shí)，可通過控制原液箱下的電磁閥進(jìn)行相應(yīng)原液的補(bǔ)充添加。同時(shí)系統(tǒng)通過EC傳感器與pH值傳感器開始實(shí)時(shí)檢測反饋配液桶中的EC與pH值。如若EC與pH值達(dá)到相應(yīng)設(shè)定目標(biāo)值則停止加液，反之繼續(xù)補(bǔ)充相應(yīng)原液與酸液，以滿足實(shí)際應(yīng)用場合的需求。

設(shè)備機(jī)箱控制電路采用220 V交流電與24 V蓄電池兼容供電模式，正常工作時(shí)采用220 V交流電供電。當(dāng)交流電電壓不穩(wěn)或者停電時(shí)，設(shè)備機(jī)箱可自動切換至24 V蓄電池供電，進(jìn)而保證設(shè)備能夠正常穩(wěn)定工作。

控制機(jī)箱通過485總線采集使用設(shè)施里搭建的小氣候監(jiān)測氣象站數(shù)據(jù)，根據(jù)氣象反饋數(shù)據(jù)系統(tǒng)可制定相應(yīng)灌溉策略，通過控制供液泵完成相應(yīng)栽培區(qū)域營養(yǎng)液灌溉[21-25]。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。通過液晶顯示器顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)；通過電氣模塊操作控制相應(yīng)原液電磁閥、攪拌泵、供液泵等器件；通過485總線與STC102微型RTU(遠(yuǎn)程終端單元)、在線EC傳感器和pH值傳感器等連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)框圖Fig.3 System architecture design diagram

控制機(jī)箱內(nèi)部實(shí)物圖如圖4所示。應(yīng)用過程中，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和需求，添加修改部分器件。

圖4 控制機(jī)箱內(nèi)部實(shí)物圖Fig.4 Physical map inside control box

3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

營養(yǎng)液管理控制系統(tǒng)的核心功能為接受用戶的控制參數(shù)輸入，設(shè)定目標(biāo)值，自動完成配液、灌溉的過程，同時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，用戶可以隨時(shí)查詢歷史數(shù)據(jù)。

開發(fā)軟件為Visual Studio，開發(fā)語言為C#，運(yùn)行環(huán)境為Windows XP系統(tǒng)。

3.1 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

由于采用了串口屏，人機(jī)交互部分的軟件設(shè)計(jì)工作主要為RS232串口數(shù)據(jù)的交互以及交互數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)，所有需要顯示的數(shù)據(jù)、用戶設(shè)置的數(shù)據(jù)等都通過串口與控制器交互。觸摸屏主要界面內(nèi)容和運(yùn)行基本情況如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行界面Fig.5 System operation interface

3.2 營養(yǎng)液配置過程

系統(tǒng)配液流程圖根據(jù)所需營養(yǎng)液基本配方(原液A、B等量添加，原液C加入量為原液A的1/10)繪制，如圖6所示。系統(tǒng)設(shè)有安全范圍，配液完成后，在設(shè)定目標(biāo)值±0.1誤差范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)則正常進(jìn)行灌溉。如果超出設(shè)定范圍，系統(tǒng)則停止工作并報(bào)錯，等待維護(hù)?；具^程如下：①向配液桶加水(電磁閥和液位計(jì)控制)，到達(dá)目標(biāo)水位后測定EC。②根據(jù)配液桶的EC、原液A和原液B的EC，按模型計(jì)算量同時(shí)加原液A、原液B，邊加邊用攪拌泵攪拌。③加原液5 min后測定混液EC，按模型計(jì)算量[26]加原液A、B，當(dāng)EC大于目標(biāo)值，進(jìn)入下一步。④按照原液A累加量的1/10加入原液C，用攪拌泵攪拌。⑤根據(jù)pH值模型計(jì)算加酸量，邊加邊攪拌，加完后再繼續(xù)攪拌5 min，讀取pH值，當(dāng)pH值大于目標(biāo)值時(shí)，繼續(xù)加入酸液，直到混合液的pH值小于目標(biāo)pH值。

圖6 配置營養(yǎng)液流程圖Fig.6 Flow chart of nutrient solution configuration

4 配液因素關(guān)系建立

4.1 電導(dǎo)率與配方原液所需量關(guān)系建立

進(jìn)行6次電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)，將測得原液A、B、C和水的電導(dǎo)率EC1、EC2、EC3、EC4作為已知量。實(shí)驗(yàn)中根據(jù)配方向體積V已知的混合液中加入等體積V1、V2的原液A、B。測量混合液電導(dǎo)率，記錄達(dá)到該混合液電導(dǎo)率時(shí)已加入的原液A體積。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)關(guān)系式結(jié)合已知量得出

V1EC1+V2EC2=V(EC-EC0)a

(1)

式中EC0——混合液起始電導(dǎo)率，mS/cm

EC——混合液當(dāng)前電導(dǎo)率，mS/cm

a——待定系數(shù)

根據(jù)營養(yǎng)液配方，原液A、B等量加入，得到

V1(EC1+EC2)=V(EC-EC0)a

(2)

(3)

(4)

式中b——可計(jì)算得出的已知量

實(shí)驗(yàn)過程中，加不同體積原液A并測出當(dāng)前的混合液電導(dǎo)率，結(jié)合已知數(shù)值可計(jì)算出b，獲取待定系數(shù)a。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)作圖，獲得待定系數(shù)a=0.808 8，如圖7所示。

圖7 電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Conductivity test results

則式(4)可轉(zhuǎn)換為

(5)

當(dāng)設(shè)定營養(yǎng)液目標(biāo)電導(dǎo)率后，即式(5)中的EC已知，結(jié)合原液A電導(dǎo)率EC1、原液B電導(dǎo)率EC2、混液罐里電導(dǎo)率傳感器測得的起始電導(dǎo)率EC0和混液罐里的配液體積V，得到配置一次營養(yǎng)液所需原液A體積，同時(shí)得到原液B體積和原液C體積。其中，根據(jù)營養(yǎng)液配方，原液A和原液B加入體積是1∶1；原液A和原液C加入體積是10∶1，原液C內(nèi)加入的是EDTA亞鐵鈉和其他微量元素，其電導(dǎo)率對配置營養(yǎng)液的整體電導(dǎo)率的影響可忽略不計(jì)。

4.2 pH值與配方酸液所需量的關(guān)系建立

進(jìn)行了4次pH值實(shí)驗(yàn)，先配置pH值為6.86的校準(zhǔn)液進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)，然后用配置好的pH值為4.00和9.18的校準(zhǔn)液進(jìn)行斜率校準(zhǔn)，測得混合液體積為1 000 mL、電導(dǎo)率設(shè)置為目標(biāo)電導(dǎo)率。先測混合液pH值為p0，加1 mL酸，測得當(dāng)前pH值為p1；再加1 mL酸，測得當(dāng)前pH值為p2；再加1 mL酸，測得當(dāng)前pH值為p3。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到對應(yīng)關(guān)系，結(jié)果如圖8所示。

圖8 pH值實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 pH test results

通過pH值實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制加酸量與pH值變化量關(guān)系圖，結(jié)果如圖9所示。

圖9 加酸量與pH值變化量關(guān)系曲線Fig.9 Relationship between acid addition and pH change

由圖9可得

Vp=3.522 7(p0-p)ECt/1.820

(6)

式中Vp——加酸體積

p——目標(biāo) pH值

ECt——目標(biāo)電導(dǎo)率，mS/cm

配置營養(yǎng)液前設(shè)定目標(biāo)EC、pH值，當(dāng)調(diào)節(jié)pH值時(shí)，結(jié)合pH值傳感器測得p0和ECt，計(jì)算得到配置一次營養(yǎng)液所需酸液體積。

4.3 加液時(shí)間和EC、pH值的關(guān)系建立

馬利奧特裝置具有流速恒定的特點(diǎn)。設(shè)有4個(gè)原液箱，分別裝原液A、原液B、原液C和酸液。在每個(gè)原液箱正上方有原液輸入端，其上安裝有進(jìn)液口控制球閥。原液箱正面下方開設(shè)有通氣口，通過連接液位軟管可以直觀顯示當(dāng)前瓶內(nèi)液位狀態(tài)。當(dāng)確保液位軟管直徑一致時(shí)，根據(jù)原液箱物理特性可以確保4個(gè)原液罐正下方原液流速恒定且相同。原液控制電磁閥一端安裝在原液箱正下方，另一端垂直于配液桶。系統(tǒng)通過4個(gè)相應(yīng)電磁閥的開關(guān)時(shí)間長短，控制4個(gè)原液箱的供液量。

測得容量100 L原液箱流量為54 mL/s，設(shè)原液A對應(yīng)電磁閥打開時(shí)長為TA，酸液電磁閥打開時(shí)長為TP，可得原液B電磁閥打開時(shí)長為TB=TA，原液C電磁閥打開時(shí)長為TC=TA/10。

結(jié)合式(5)得，加原液A時(shí)長與目標(biāo)電導(dǎo)率的關(guān)系為

(7)

結(jié)合式(6)得，加酸液時(shí)長TP與目標(biāo)pH值的關(guān)系為

TP=Vp/54=0.036(p0-p)ECt

(8)

基于上述內(nèi)容，編寫系統(tǒng)營養(yǎng)液配液程序。

主要圍繞當(dāng)?shù)厮吹腅C、pH值和種植作物生長所需目標(biāo)EC、pH值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該配液方式在當(dāng)?shù)厥褂糜幸欢ǖ拇硇?。每個(gè)地方水源不同，配液方式會有一定變化。在不同地方使用時(shí)，需要在當(dāng)?shù)剡M(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，建立當(dāng)?shù)鼐哂写硇缘呐湟合到y(tǒng)。

5 灌溉策略設(shè)計(jì)與選取

本文營養(yǎng)液管理控制系統(tǒng)根據(jù)采集到的氣象站反饋數(shù)據(jù)，計(jì)算作物每日水量蒸發(fā)量，從而制定每日的灌溉量，進(jìn)行灌溉。采用的灌溉策略主要有參比蒸散灌溉模式、光照輻射灌溉模式、定時(shí)灌溉模式[29-34]。

參照于參比蒸散灌溉模式[35]，具體操作過程為：

(1)通過氣象站采集10 min的氣象數(shù)據(jù)(光輻照度、風(fēng)速、溫度和相對濕度)預(yù)算單日潛在蒸散量Etp1(mm/d)，Etp1的計(jì)算采用FAO-56推薦的Penmen-Monteith公式。計(jì)算得到10 min內(nèi)的潛在蒸散量Etp2(mm/(10 min))。

(2)Etp2(mm/(10 min))每10 min累計(jì)一次得到參比蒸散量Etp3(mm)。

(3)根據(jù)計(jì)算所得的參比蒸散量(圖10)，得到累計(jì)參比蒸散量(圖11)。按累計(jì)參比蒸散量每0.5 mm自動灌溉一次營養(yǎng)液。

圖10 參比蒸散量Fig.10 Reference evapotranspiration

圖11 累計(jì)參比蒸散量Fig.11 Cumulative reference evapotranspiration

在實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)合營養(yǎng)液管理控制系統(tǒng)所處的應(yīng)用環(huán)境、作物種類、無土栽培類型等，進(jìn)行灌溉策略的選擇。如：基質(zhì)栽培容水量大，可選用定時(shí)灌溉，每天分中、晚2次或早、中、晚3次灌溉；巖棉栽培容水量小，可選用參比蒸散灌溉或光照輻射灌溉；植物工廠水培，可選用光照輻射灌溉或參比蒸散灌溉。

6 營養(yǎng)液管理控制系統(tǒng)測試

實(shí)驗(yàn)于2020年8—11月在北京市昌平區(qū)國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范基地11號溫室內(nèi)進(jìn)行，作物為西瓜。

11號溫室采用基質(zhì)栽培，其硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如前文所述。選用容量100 L原液箱，1 000 L配液桶采用下沉安裝設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)整體更為緊湊，營養(yǎng)液管理控制系統(tǒng)整體如圖12所示。設(shè)置營養(yǎng)液目標(biāo)EC和目標(biāo)pH值，本次實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)EC取2.3 mS/cm，目標(biāo)pH值為6.3。由于基質(zhì)栽培容水量相對較大，確保每次灌溉營養(yǎng)液與目標(biāo)設(shè)定值相同，無需根據(jù)彭曼公式計(jì)算參比蒸散量，進(jìn)行每次不同特定量的灌溉。因而本次西瓜基質(zhì)栽培實(shí)驗(yàn)的灌溉策略采用定時(shí)灌溉。每天07:00與14:00開始灌溉，每次灌溉5 min。西瓜基質(zhì)栽培區(qū)如圖13所示。西瓜的生長狀況如圖13、14所示。

圖12 營養(yǎng)液管理控制系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.12 Physical map of nutrient solution management control system

圖13 成長中的西瓜Fig.13 Growing watermelon

圖14 成熟的西瓜Fig.14 Ripe watermelon

實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)的西瓜品質(zhì)較優(yōu)，產(chǎn)量正常。本文營養(yǎng)液管理控制系統(tǒng)配液正常，配液質(zhì)量達(dá)到了營養(yǎng)液配方的要求。

連續(xù)7 d內(nèi)每天00:00測量營養(yǎng)液電導(dǎo)率和pH值，結(jié)果如圖15、16所示。

圖15 連續(xù)7 d內(nèi)EC柱狀圖Fig.15 EC changes within seven days

圖16 連續(xù)7 d內(nèi)pH值柱狀圖Fig.16 The pH value changes within seven days

由目標(biāo)EC為2.3 mS/cm，pH值為6.3，計(jì)算得標(biāo)準(zhǔn)差σEC=0.032 784 mS/cm，σpH=0.008 806。配液質(zhì)量達(dá)到了西瓜營養(yǎng)液配方要求，一周時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)配液穩(wěn)定性良好。

對營養(yǎng)液管理與控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)期間每周存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)驗(yàn)期間EC、pH值如圖17、18所示。

圖17 EC變化柱狀圖Fig.17 EC value changes

圖18 pH值變化柱狀圖Fig.18 The pH value changes

經(jīng)計(jì)算σEC=0.090 4 mS/cm，σpH=0.015 635。營養(yǎng)液管理控制系統(tǒng)配液穩(wěn)定性好。

7 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種基于馬利奧特裝置的營養(yǎng)液管理控制系統(tǒng)，通過馬利奧特裝置實(shí)現(xiàn)供液壓力均衡穩(wěn)定，使高濃度原液能進(jìn)行自流供液，簡化了系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，節(jié)約了成本，并建立了營養(yǎng)液配置系統(tǒng)。

(2)在北京市昌平區(qū)國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范基地11號溫室，以西瓜無土栽培生產(chǎn)過程為研究對象，驗(yàn)證了基于馬利奧特裝置的營養(yǎng)液管理控制系統(tǒng)的性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)液的管理與控制。