基于Penman-Monteith方程的溫室智能滴灌控制系統(tǒng)研究

韓麗娜 ， 汪小旵 ，*

（1南京農業(yè)大學工學院，江蘇南京 210031；2江蘇省智能化農業(yè)裝備重點實驗室，江蘇南京210031）

滴灌技術是當前世界上諸多節(jié)水灌溉技術中省水率最高的一種先進節(jié)水灌溉技術，具有省水、節(jié)能、適應性強等特點。現(xiàn)代智能型控制器是進行灌溉系統(tǒng)田間管理的有效手段和工具，除了能大大減少勞動量，更重要的是它能準確、定時、定量、高效地給作物自動補充水分，以提高其產量和質量。

我國節(jié)水灌溉控制器的研制尚處于起步階段，作為一個農業(yè)大國，研究開發(fā)低成本、使用維護方便、系統(tǒng)功能強的節(jié)水灌溉控制器是一項極有意義的工作。基于此本試驗設計出一套溫室智能化滴灌控制系統(tǒng)，用單片機作為核心控制器，以Penman-Monteith（P-M）方程作為系統(tǒng)灌溉決策，該系統(tǒng)能對作物進行適時、適量的灌水，起到高效灌水、節(jié)能、節(jié)水的作用，而且結構簡單、價格適中。

1 系統(tǒng)的設計

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)總體框架如圖1所示，由數(shù)據(jù)采集轉化模塊、微處理器控制模塊和輸出驅動模塊組成。采用光照傳感器采集太陽的光照強度，通過A/D轉換后傳送數(shù)據(jù)到單片機中。選用數(shù)字溫濕度傳感器采集空氣溫度、濕度，同樣將信號傳送到單片機中，單片機利用灌溉決策計算出作物騰發(fā)量，從而計算出滴灌時間，通過驅動電路，啟動電磁閥，進行滴灌。系統(tǒng)采用一臺PC機作為上位機，單片機與PC機之間通過無線模塊進行無線數(shù)據(jù)傳輸，用戶可以在PC機上設置相關參數(shù)，并且可以對滴灌系統(tǒng)進行手動、半自動、全自動等操作。

圖1 滴灌系統(tǒng)結構

1.2 單片機與PC機無線數(shù)據(jù)傳輸設計

不同的獨立系統(tǒng)利用線路互相交換數(shù)據(jù)即為通信，通常通信的方式可分為兩種，一種為并行通信，另一種為串行通信，本系統(tǒng)采用串行通信方式實現(xiàn)單片機與PC機的數(shù)據(jù)交換。PC系列機配置的是RS-232標準串行接口，而MCS-51單片機輸入、輸出電平均為TTL電平，因RS-232的邏輯電平與TTL電平不兼容，因此要想實現(xiàn)兩者之間的通信，必須在它們之間加電平轉換電路，MAX232芯片可實現(xiàn)TTL到RS-232之間的電平轉換，也可實現(xiàn)RS-232到TTL之間的電平轉換，使用十分方便（高衛(wèi)東，2011）。

加入無線數(shù)據(jù)傳輸模塊（型號 FHL0611）之后，采用微功率無線通訊技術，實現(xiàn)單片機與PC機之間的遠距離透明數(shù)據(jù)傳輸，以方便用戶進行遠程控制。簡單系統(tǒng)裝置如圖2所示。

圖2 簡單系統(tǒng)裝置

1.3 系統(tǒng)灌溉決策設計

系統(tǒng)采用Penman-Monteith（P-M）方程計算出作物騰發(fā)量（ETc），進而確定滴灌時間來進行灌溉。Penman-Monteith計算作物ETc的方法是根據(jù)氣象資料計算出參考作物的騰發(fā)量（ET0），與作物系數(shù)（Kc）相乘，得到實際作物的ETc。

適用于溫室ET0計算的Penman-Monteith修正公式（王健 等，2006；陳新明 等，2007）：

式中，ET0為參考作物騰發(fā)量，mm·d-1；Rn和G分別為地表凈輻射通量和土壤熱通量，MJ·m-2·d-1；ea和ed分別為飽和水汽壓和實際水汽壓，kPa；Δ為飽和水汽壓曲線斜率，kPa·℃-1；γ為干濕表常數(shù)，0.064 6 kPa·℃-1；T為溫室內空氣溫度，℃。

根據(jù)汪小旵等（2007）的方法計算ea、ed、Δ：

式中，U為溫室內空氣相對濕度。

作物系數(shù)Kc反映了作物本身生理性狀和栽培條件對需水量的影響，這個因子相對比較固定，不同的作物系數(shù)計算方法可以參考FAO推薦的作物系數(shù)計算方法（許翠平 等，2005）。

2 溫室試驗驗證

2.1 試驗總體設計

試驗于2011年11月25日至12月11日在南京農業(yè)大學實驗樓頂?shù)娜筕enlo型溫室中進行。試驗溫室為東西走向，東西長16 m，南北方向8 m，溫室肩高4.2 m，頂高5.2 m。溫室內種植黃瓜5行，種植間距0.5 m左右，行距1 m。滴灌管網(wǎng)自主管后分五路支管，支管盡頭用堵頭封閉，每盆黃瓜采用兩支滴箭進行滴灌。當電磁閥打開時，水通過電磁閥、流量計、過濾器流入滴灌支管進行滴灌，斷電后電磁閥關閉，則停止滴灌，系統(tǒng)通過控制電磁閥的通斷來進行滴灌控制。

系統(tǒng)采用光敏電阻（GL5516）作為光照傳感器采集光照強度，利用數(shù)字溫濕度傳感器（AM2301）采集溫室內空氣溫度和濕度，然后按照所設定程序計算出滴灌時間進行滴灌。將兩支滴箭放入塑料桶中，用電子秤稱得一段時間內的灌水量。另設對比組稱得相同時間內一盆黃瓜質量的改變即為真實騰發(fā)量。系統(tǒng)設定每30 min檢測一次，然后將兩組數(shù)值進行擬合，觀察其相關性。

2.2 結果與分析

選擇12月4日（陰天）和12月9日（晴天）進行分析。滴灌量與稱質量差對比見表1。由于冬季日照時間短，清早溫室內濕氣較大，所以騰發(fā)基本從10：00左右開始，從表1中可以看出滴灌量與稱質量差具有相同的變化趨勢。陰天時，騰發(fā)從12：00左右增大，在12：30達到最大，隨即較為平緩，直至14：30下降。晴天時，騰發(fā)從12：00開始顯著增大，在12：30達到最大，之后平緩下降，直至15：00顯著下降。滴灌量和稱質量差的線性回歸分析見圖 3和圖 4，兩者具有良好的線性關系，相關系數(shù)在0.7以上。為了保證試驗的準確性，晴天和陰天各重復3次試驗，其結果均表明滴灌量和稱質量差的變化趨勢一致且相關性良好。

表1 滴灌量和稱質量差對比

圖3 陰天滴灌量與稱質量差關系曲線

圖4 晴天滴灌量與稱質量差關系曲線

3 結論

本試驗設計出一套應用Penman-Monteith方程計算作物灌溉量的溫室智能滴灌控制系統(tǒng)，將自動控制技術和滴灌技術有機地結合起來，這對提高節(jié)水灌溉的自動化水平，更精確更及時地控制灌溉，提高對農業(yè)投入的經(jīng)濟效益具有較為重要的意義。由試驗得出滴灌量和稱質量差的變化趨勢一致且相關性良好，表明Penman-Monteith方程能夠測量出作物騰發(fā)量，可以用來作為灌溉決策的重要依據(jù)。

陳新明，蔡煥杰，李紅星，王健，杜文娟．2007．溫室大棚內作物蒸發(fā)蒸騰量計算．應用生態(tài)學報，18（2）：317-321．

高衛(wèi)東．51單片機原理與實踐．1版．2011．北京：北京航空航天大學出版社：125-126．

王健，蔡煥杰，李紅星，陳新明．2006．日光溫室作物蒸發(fā)蒸騰量的計算方法研究及其評價．灌溉排水學報，25（6）：11-13．

汪小旵，丁為民，羅衛(wèi)紅，戴劍鋒．2007．長江中下游地區(qū)夏季溫室黃瓜冠層溫度模擬與分析研究．農業(yè)工程學報，23（4）：196-199．

許翠平，劉洪祿，趙立新．2005．應用Penman-Monteith方程推算北京地區(qū)苜蓿的灌溉定額．農業(yè)工程學報，21（8）：30-34．