生态温室雨水综合利用自动化控制系统研究

于　威，刘文合，许占洋，杨英英

(沈阳农业大学 水利学院，沈阳　110866)



生态温室雨水综合利用自动化控制系统研究

于威，刘文合，许占洋，杨英英

(沈阳农业大学 水利学院，沈阳110866)

摘要：将温室雨水利用的理念与自动化控制技术相结合，引入土壤温湿度传感器来监测土壤情况，根据作物土壤含水量数值的变化，以组态王为平台，设计了温室雨水自动化灌溉系统，根据作物的土壤含水量值变化范围，决定是否需要灌溉。同时，利用计算机C++语言设计了作物土壤相对含水量查询系统，可准确查询作物所需的生长适宜温度范围、适宜空气湿度、不同生长期的土壤相对含水量值等，同时也为温室雨水利用自动化控制系统提供参数依据。最后。针对系统进行了灌溉试验，试验验证了其可靠性。

关键词：雨水综合利用；自动化控制；土壤含水量；组态软件；生态温室

0引言

集雨农业在世界范围内已有几千年的存在历史[1-4]，雨水的合理有效利用，作为节水灌溉的一部分，对我国农业的长期稳定发展具有广泛的现实意义。特别是20世纪70年代以来，随着世界人口的不断增加和水资源紧缺的矛盾日益突出，人们对集雨农业技术越来越重视[5-6]。我国科学家对雨水利用的系统研究始于20世纪80年代[7]，目前，集雨灌溉主要集中在农田灌溉的领域，而对于温室集雨来说研究较少[8]。蔡月秋等利用温室棚面与地面的自然高差，设计了温室棚面雨水收集及自压式渗灌系统[9-10]。张天林等利用U形集雨槽对日光温室进行了集雨设计[11]。汤瑛芳以日光温室棚面为集水面，对以越冬的渗灌、滴灌、膜下暗灌的供水方式进行了比较试验，结果表明渗灌是高效节水的灌溉方式[12]。刘文合等研究设计了日光温室集雨系统，并对集雨池容积的经济分析[13-15]。集雨农业是一项复杂的系统工程，包括收集、蓄存、输送及利用等多个环节，自动化控制系统的构建，可实现无人值守下整个系统的全自动运行。生态温室雨水利用系统、温室自动控制灌溉技术均有研究，但对于生态温室雨水综合利用系统自动化控制研究这一整体系统在国内鲜见报道。

1系统组成及工作原理

生态温室雨水综合利用系统主要是将雨水收集、过滤、储存于集雨池，当生态温室自动控制系统下达灌溉命令时，通过水泵将雨水提取出来，田间灌溉设备开启，实现雨水对田间作物的灌溉。本系统主要由雨水收集系统、田间灌溉系统和自动控制系统3个子系统组成。图1所示为系统构成图，系统工作原理如图2所示。

图1　系统构成图

1.棚膜　2.集雨槽　3.排水口　4.集雨池　5.水泵　6.井口

1.1　雨水收集系统

温室雨水收集系统主要由4部分构成，包括温室棚膜、集雨槽、排水管及集雨池。

集雨系统的结构及工作原理如图3所示。温室棚膜将落在表面的雨水汇集到集雨槽内，槽下端与输水管相连，收集到的雨水经排水管流入集雨池内，池内的水泵将雨水提取送至地面上的水桶，进行灌溉利用。集雨系统核心部分是对集雨池经济容积的确定，具体方法和结论可参见文献[13]。

1.棚膜　2.集雨槽　3.排水口　4.集雨池　5.水泵

1.2　田间灌溉系统

由于雨水利用系统需进行自动化控制，所以田间灌溉系统应选择与自动化设备便于连接与控制的系统。考虑到需要具备省水、省电、适用范围广、设备投资价格低等特点，本系统选择滴灌方式，滴灌带为内镶式滴灌管,直径16mm，壁厚0.02mm，出水孔间距30cm。连接滴灌管的输水支管为聚乙烯硬塑管，直径30 mm。

1.3　温室自动化控制系统

温室自动化控制系统是系统设计中的核心部分，自动化的程度及优劣直接决定系统的功能强弱。本系统将选用智能仪表为核心控制系统。温室雨水综合利用自动化控制系统硬件主要部分包括上位机、下位机、 各参数的检测传感器和检测电路、 执行机构及其控制电路，以及声光报警电路等。系统硬件结构如图4所示。本系统上位机选用工控机(PC机)，主要完成系统时间的设定及灌区灌溉参数设定等。选择智能仪表作为控制系统成为下位机，通讯接口需要与RS232或RS485等转换器相连。

图4　系统硬件结构图

1.4　土壤温湿度传感器选择及布置

实现温室环境远程智能控制的基础是对温室内的环境参数进行实时数据采集，本系统选用电阻式土壤温湿度传感器，布置在种植区域田垄中间，传感器横向距滴头10cm，将6 cm探头全部埋进土壤中。选用二位二通电磁阀，布置在田地的前方，和灌溉管路相连，用来控制滴灌灌溉。

雨水利用系统中除了上述设备外，还包括其他灌溉常用设备，如水泵、液位开关、声光报警器、工业电源及配电箱等。

2自动控制系统软件设计

生态温室雨水综合利用系统也将自动控制部分加入到系统中，将编制好的软件安装到上位机(PC)上，对下位机及田间设备进行控制。本系统上位机软件设计选用Visual C++ 6.0和组态王两种软件。

2.1　作物土壤相对含水量查询系统设计

通过地区、温室类型、灌溉方式、土壤类型、作物类型及作物名称6个参数为变量设计软件，可查阅作物灌溉信息和土壤相对含水量，为接下来的温室雨水自动化灌溉软件提供作物土壤含水量参数。对灌溉资料进行分析整理得到北方和南方地区常见温室作物不同生育期土壤相对含水量表，如表1和表2所示。图5为土壤相对含水量查询软件设计的逻辑流程图。

运用设计的软件，查询常用作物的灌溉信息和土壤含水量情况。选择北方生态温室种植的黄瓜为例，软件查询、输出界面，如图6所示。

表1　北方地区温室常见蔬菜土壤含水量情况

表2　南方地区温室常见蔬菜土壤含水量情况

续表2

图5　逻辑流程图

图6　北方黄瓜软件查询及输出界面

2.2　自动化灌溉软件设计

温室雨水自动化灌溉是将收集到的雨水，根据田间作物需水情况，缺水时自动灌溉，达到作物需水量时，停止灌溉，是将雨水收集与田间灌溉整体自动化。自动化灌溉软件的设计在上位机上进行，设计软件采用组态王KingView6.55。

2.2.1系统的主界面

主界面包括3个区域，分别是温室种植区域、工作间和室外。温室作物的土壤温度和土壤湿度在界面上可以直接显示，如图7所示。

图7　系统主界面

2.2.2参数设置界面

根据上述完成的土壤相对含水量查询系统软件，根据实际种植情况查询土壤含水率报警值，当土壤含水率达到限值，灌溉系统启动，开始灌溉。土壤含水率报警值回差是土壤含水率值在报警值上下浮动的范围值，一般取3%~5%，当土壤含水率达到(或上下偏差3~5%)报警值时，灌溉完成，参数设置界面如图8所示。

图8　系统参数设置界面

2.2.3灌溉趋势曲线查询界面

趋势曲线可以很好地反映土壤温湿度变量随时间变化的情况。组态王软件中包含趋势曲线模块，分为实时曲线和历史趋势曲线两种。灌溉实时曲线和历史曲线查询界面如图9所示。

图9　实时和历史曲线查询界面

2.2.4历史数据报表界面

历史数据报表是反应生产过程中数据和状态等，并对数据进行记录的一种重要形式，是生产过程不可缺少的一个部分，能对长期的生产过程进行统计、分析，使管理人员能够实时掌握和分析生产情况。使用时，需要对数据报表进行有关参数的设置，以符合实际控制的需要。选择菜单“工具报表窗口”项或单击工具箱中的“报表窗口”按钮，即可插入历史数据报表，如图10所示。

图10　历史数据报表

2.2.5数据误差修订界面

土壤温湿度值在实际生产中可能存在误差，就需要对下限值进行校正，以满足温室灌溉准确性。数据误差修订界面如图11所示。

图11　数据误差修订

3系统可靠性分析及测试

为保证温室雨水利用系统顺利运行，需要对系统进行设备仪器的安装与校准，需要在田间种植作物，观测系统运行情况，设置对比实验区，对实验结果分析比较，最后对系统中存在的不足进行调整和改正。

3.1　设备安装

温室雨水利用系统硬件安装主要分为3部分，分别为控制室、温室配电柜和温室试验田。从温室实验区域开始对田间灌溉部分开始安装，选择Φ16mm×0.02mm×300mm的滴灌管与直径30mm的支管相连，支管与水桶相接， 在支管中心处放置二位二通电磁阀，在水桶中放置液位开关，液位开关安装如图12所示。温室雨水利用系统完整电路连接图如图13所示。

图12　液位开关安装图

图13　温室雨水利用系统电路连接示意图

3.2　系统测试

3.2.1试验设计

本系统测试试验在沈阳农业大学试验基地45号温室进行。沈阳年平均气温7.0~8.1℃，年平均降水量574.4~684.8mm。试验地基本情况：温室种植区域长60m，跨度6m；试验区土壤为棕壤土，田间持水量为37%，土壤pH为7.5~7.9。土壤基本理化性质如表3所示。

试验对手动控制灌溉和自动化灌溉进行对比，将温室试验田从中间分割为2个同等大小的小区，每个小区采用一种灌水方式。为防止两种处理间水分、养分的互渗或迁移,在定植前各两区之间用埋深60cm塑料薄膜做成凹形的防渗透隔离处理。试验滴灌带为内镶式滴灌管,直径16mm,壁厚0.02mm,出水孔间距30cm。连接滴灌管的输水支管为聚乙烯硬塑管,直径30mm。试验小区布置如图14所示。从2014年4月份左右开始对温室棚面雨水进行收集，汇集至集雨池，提供试验灌溉用水；2014年7月进行灌溉试验，测试蔬菜选用果菜中的黄瓜，品种为中农5号。

表3　土壤基本理化性质

图14　试验小区布置图

3.2.2试验结果与分析

黄瓜果实收获从9月初开始，10月中旬收获完毕。黄瓜在结果期自动化灌溉与经验灌溉单株产量对比如图15所示。

图15　自动化灌溉与人工灌溉单株产量曲线图

从单株黄瓜产量曲线图中可明显看出：自动化灌溉与人工经验灌溉的差别。从9月黄瓜收获开始，单株自动化灌溉产量为人工经验灌溉产量的1.2~2.0倍，除了10月4日人工经验灌溉产量比自动化灌溉产量高。但试验过程中，环境变化、设备运行情况等一系列的条件均会对试验结果造成影响，而对实验区域经过多次取样分析，最终结果整体满足单株自动化灌溉产量高于人工经验灌溉产量值，温室雨水利用自动化控制系统可靠性和实用性得到证明。

4结论

1)设计了温室生态温室雨水综合利用控制系统，包括雨水收集系统、田间灌溉系统和自动化控制系统系统。以组态软件为平台，把自动化控制理论与实际生产有机结合，实现温室雨水的自动化定量精准灌溉。同时，对系统进行实际测试使用，证明系统可行性和准确性。

2)基本完成了系统的设计，但研究的作物种类都是常见的蔬菜类作物滴管方式条件下的自动控制系统，系统数据具有开放性，其它类型的温室类作物、及灌溉方式数据可在后续研究中加入。

参考文献：

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[3]岑红蕾．依靠科技进步发展现代化农业节水灌溉技术[J]．农机化研究，2007(4)：209-210．

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[15]刘文合，杨闯．日光温室集雨系统研究进展[J]．江苏农业科学，2013，41(12)：411-412．

Research on Comprehensive Utilization Automatic Control System of Rainwater in Ecological Greenhouse

Yu Wei, Liu Wenhe, Xu Zhanyang, Yang Yingying

(College of Water Conservancy, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China)

Abstract：According to the concept of the greenhouse rainwater and automatic control technology, and the date of soil temperature and humidity sensors to monitor soil conditions, following the value changes of crop soil moisture to Kingview platform designed automated greenhouse rainwater irrigation system.According to crop the range of values of soil moisture change, decide whether to irrigate.At the same time, the use of C ++ computer language designed crop SRWC query system can accurately query crop growth suitable temperature range required, appropriate air humidity, soil water content of different growth stages of relative values, etc.,but also for the greenhouse automation rainwater utilization. The control system provides parameter basis. And made irrigation system test, verified its reliability.

Key words：comprehensive utilization of rainwater; automation control; soil water content; configuration software; coological greenhouse

中图分类号：S625.5

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)11-0007-08

作者简介：于威(1980-)，女，辽宁营口人，讲师，博士，(E-mail)ywyuwei@126.com。通讯作者：刘文合( 1971-)，男，辽宁建昌人，教授，博士，(E-mail)wenhel@126.com。

基金项目：辽宁省农业领域青年科技创新人才培养计划项目(2015039)；农业部东北设施园艺工程科学观测实验站项目(30201120)；国家星火计划项目(2013GA650007)；辽宁省科技厅农业攻关及成果产业化项目(2014210003-03)

收稿日期：2015-10-22